换流变压器分接头档位不一致隐患分析及优化研究

刘亚楠，张超峰，刘源

(国网湖南省电力公司检修公司，湖南长沙410004)

换流变压器作为换流站最重要的核心设备之一，与换流阀共同组成换流器，当换流器处于逆变工况时，换流变压器有载调压分接头 (分接开关)主要用来维持正常的直流电压。运维人员工作中最密切关注的便是OWS界面分接头档位一致性情况，而这必须依靠分接头测量元件能准确测量并反映现场的真实工况，其测量结果将决定换流变压器控制系统的控制策略，其控制功能又将决定分接头的动作情况，二者对于换流变压器的稳定运行有着至关重要的作用。

1 分接头档位测量回路概述

一般分接头档位测量板卡工况分三种:1)测量正确，分接头档位如实反应到控制系统；2)换流变压器三相分接头现场位置一致，而测量板卡测量并送到后台时显示档位不一致，导致告警，启动系统控制措施；3)现实工况中换流变压器分接头三相不一致，存在档位差，而测量数据显示到后台为一致，导致不发告警，存在重大隐患。

某站站分接头测量回路主要由BCD码转换装置、NR1520A板构成。由BCD码转换装置将各档位对应电阻值转化为二进制数字量，并传送给NR1520A板，最终通过现场控制LAN网传输到控制系统中。

2 分接头档位不一致隐患分析

2.1 三相不一致隐患分析

2.1.1 测量故障导致三相不一致

某站分接头自同步调节控制功能是:当一个换流器中换流变压器有载分接头位置存在差异，自动再同步功能将启动一次，使各台换流变压器的有载调压开关档位保持一致，消除档位差异〔1〕。若自同步一次失败，将闭锁此功能，防止分接头档位差变大。

具体控制逻辑为:对阀组的Y/Y换流变压器和Y/D换流变压器三相的分接头档位求平均值，以此作为该阀组分接头档位TCP。凡是比分接头档位TCP低的相，对该相分接头发一个分接头升档指令；同理比分接头档位TCP高的相，对该相分接头发一个分接头降档指令。此功能是为了防止某台换流变压器分接头档位出现异常而导致其他分接头不断调节最终零序电流保护动作，最终导致阀组闭锁。

然而当分接头测量回路BCD码转换装置或NR1520A板卡故障，导致传输的数据出现错误，若出现如下情况:当6台换流变压器实际档位为25档，但测量显示Y/D C相 (下文简称DC相)在22档，则由上述自同步控制逻辑知，6台的平均档位TCP＝24档，此时就会对DC相换流变压器分接头进行升档，其他相进行降档，使6台档位向24档靠近，此时DC相实际为26档，而系统中显示为23档，其他相档位为24档；之后对DC相进行第二次升档，则系统档位升至24档，停止升档，但DC相实际档位此时已到27档，其他相档位在24档不变，这时DA相档位与其他五台档位相差为3档，从而引发换流变压器零序保护动作而闭锁极的重大事故，如图1所示。

图1 测量故障导致三相不一致逻辑图

某换流站就曾发生过换流变压器分接头档位不一致，而测量显示正常，实际档位相差超过3档，产生较大的零序电流，录波显示极Ⅰ高YD换流变压器中性点产生明显零序电流，有效值0.54 A，远超零序过流定值0.15 A，直接造成零序过流保护动作，最终导致极闭锁的事件〔2〕。图2为某站零序过流保护动作的故障录波图。

图2 故障录波图

2.1.2 零序电流产生的原因分析

正常运行中，所有换流变压器均应保持三相一致运行，当其中星形或角形接线的3台换流变压器中有一台与其他两台档位不一致，而测量显示结果为不差档，那么就会导致网侧星形接线变压器三相绕组不对称，则将在网侧绕组首段产生零序电压〔3〕。零序电压大小与不对称度有关，该零序电压在三相绕组中产生零序电流，对于网侧星型接线变压器，三相绕组中流过的电流与绕组阻抗有关，而绕组的阻抗则直接取决于所接入的绕组匝数〔4〕。

在角形接线方式下，当网侧产生零序电压和零序电流时，会在阀侧感应产生这两个量，由于是角形接线，故其中产生的零序电流会形成环流，如图3所示为零序电流流向；而在星形接线中，网侧产生零序电压和零序电流，则在阀侧也必然产生这两个量，由于星形接线下其网侧与阀侧流过的电流均与接入的绕组阻抗有关，阀侧不会形成环流，其流向如图4所示。

图3 Y/D连接时零序电流流向

图4 Y/Y连接时零序电流流向

2.2 同一阀组6台换流变压器档位不一致隐患分析

当同一阀组中6台换流变压器档位出现不一致现象，且档位差在两档时会闭锁档位自动调节功能，若此时有伴随交流侧电压波动，将严重影响分接头控制策略。若逆变侧交流母线电压增加，逆变站换流器作为逆变器运行就必须通过增大熄弧角γ使直流电压维持在设定值。如果γ增大到比γ参考值加上裕度范围还大，TCC控制将增大阀侧电压，重新建立一个对应特定γ的理想空载直流电压，此时γ角将恢复到参考值加裕度范围内；同理若逆变侧交流母线电压降低，并引起直流电压降低，此时逆变器必须通过减小熄弧角γ使得直流电压维持在设定值。如果γ下降到比γ参考值减去裕度范围还小，TCC控制将降低阀侧电压，重新建立一个对应特定γ的理想空载直流电压，这样γ角将恢复到参考值减去裕度范围内，如图5所示。

图5 熄弧角γ控制

然而正常运行时，分接头档位可调时，一旦熄弧角γ超过了其动作裕度范围 (±2.5°)，可以通过档位的调节来增大或减小直流电压，从而使熄弧角γ返回正常值；但是当档位相差两档后，TCC为防止档位差别继续扩大便会自闭锁分接头 “自动”调节模式，这样在熄弧角γ超过动作裕度后不可通过分接头档位调节来使其返回参考值，这很可能造成换流器换相失败，甚至是造成极闭锁。

2.3 同极两阀组间分接头档位不一致隐患分析

特高压稳态运行的触发角闭环控制配置在极控层，换流阀组主机接收统一的稳态运行触发角，即触发角由极控进行计算后将触发角下发给高、低端阀控，保证同极双阀组触发角一致，保证串联12脉动阀组的电压平衡。

1)由于分接头测量的偏差，系统首先会对分接头进行调节，当高低端阀组换流变压器分接头档位相差超过一档后，控制系统不允许再进行自动调节，此时如双阀组电压仍然不平衡，控制系统将调节触发角以保证电压平衡，但因为分接头的测量误差，在此配合过程中很可能会导致触发角的频繁调节，对于逆变站而言，触发角的频繁调节影响着熄弧角的大小，熄弧角的过大或过小都不利于直流系统的稳定运行。熄弧角过大会导致换流器吸收过多无功功率，运行不经济、使阀和直流开关场设备承受的电气应力增大，影响设备寿命等〔5〕；又由于换流阀换相过程中的熄弧角一般控制在15°～18°，这样才不会造成换相失败，因此熄弧角过小将易发生换相失败，如图6所示。

图6 同极档位不一致时启动角度控制

2)触发角的频繁调节，可能导致磁饱和保护动作。由于测量档位误差，导致档位控制闭锁，为了维持阀组电压平衡，就需要进行触发角调节，这可能引起触发角的频繁调节。然而这种频繁调节是存在极大风险的。例如2004年11月23日某站由于极ⅡPCPA系统PCIA板卡故障，导致触发脉冲异常，触发角在15°～30°之间反复调节变化，引起直流电流电压波动，导致换流变压器一次侧间歇性出现零序分量，最终导致磁饱和保护误动。这里导致动作的直接原因便是触发角的频繁变化。

2.4 双极间分接头档位不一致隐患分析

当双极间分接头不一致，将会造成两极直流电压短时间内不平衡，短期内势必造成两极电流不平衡，流经双极中性母线电流不为0，如图7所示双极中性母线区域电流Idn＝Id1－Id2，其中Id1C为极Ⅰ直流电流，Id2为极Ⅱ直流电流，正常时二者大小相同，故Idn应为0，考虑到现场实际，中性母线区域只会存在很小的零漂值。而由于换流变压器分接头不一致导致两极电流不平衡，则Idn不为0，同时由于设备存在一定的感抗值R，必然造成中性母线区域电压相对于地电位被抬升至RIdn，不利于对中性母线设备的稳定运行。

如果两极都在双极功率控制模式，每极功率平衡的情况下，根据P/U计算电流值，由于双极电压不平衡，短期内势必会导致两极电流差值更大，流经双极中性母线区域的电流值也就越大；双极功率不平衡，如一极在单极功率控制时，其电流与功率不变，当出现档位差时，另一极电压升高或降低，会导致电流相应的减小或升高，势必会造成双极中性母线更大的不平衡电流。

图7 双极直流区域简化电路

3 分接头档位测量与控制建议

3.1 某站特高压站分接头档位测量建议

3.1.1 硬件回路优化

在装有BCD码档位转换装置的基础上，加设一个将档位电阻值转换为4～20 mA量的并联回路，将所测数据上传至一体化在线监测系统，给运行人员监盘时做正确判断提供依据，防止由于测量错误导致错误操作，如图8所示。

图8 档位测量改进图

3.1.2 软件优化

由于零序电流是一旦超过保护定值便会动作使极闭锁，故在控制系统中应加入零序电流的实时计算，当发现零序电流超过一定值时，则禁止档位的自动升降，这样就能避免在自同步时，出现档位测量故障使档位差越来越大而导致零序过流。

3.2 分接头控制软件设计缺陷与优化建议

某特高压直流工程的TCP参考值为同极6台换流变压器分接头档位之和的平均值，而其他一些特高压直流工程单换流器的TCP参考值为其对应6台换流变压器分接头档位的最大值，因此，当检测到换流器层的换流变压器分接头不同步时，总是升高档位低的换流变压器分接头来使其同步。在常规直流中，每相的档位值与TCP参考值进行比较，若高于参考值就降低分接头，反之就会升分接头。由于TCP参考值介于最大值和最小值之间，因此，当6台换流变压器分接头不一致时，常规直流工程的同步调节过程中，分接头总是来回调节，而特高压直流工程的同步调节只往升高的方向调，不会出现频繁调节的现象。如图9所示为其他特高压站TCP计算逻辑。

图9 某特高压站TCP参考值计算逻辑

4 总结

通过结合历年各站分接头档位测量故障情况，分析了当前某站站分接头档位测量存在的故障，以及分析了特高压站可能存在的故障隐患，最后对比其他特高压分接头档位测量与控制策略，对特高压站提供了一些优化建议，可供设计施工进行参考。

〔1〕张昕，谭静，马晓勇.政平换流站012B换流变压器B相分接开关误动导致极I闭锁故障原因分析 〔J〕，消费电子，2014(20):17-18.

〔2〕陈刚.宜宾站极Ⅰ高换流变压器角变零序过流保护动作分析报告 〔R〕.2014.

〔3〕国网运行有限公司.变压器设备 〔M〕.北京:中国电力出版社，2009.

〔4〕刘家军，罗明亮，徐玉洁.直流输电中换流变压器压器零序过流保护的探讨 〔J〕，中国电力，2014，47(6):22-23.

〔5〕赵碗君.直流输电工程技术 〔M〕，北京:中国电力出版社，2004.