一起特高压换流站换流变进线CVT 故障的分析与处理

徐浩原,赵 强

(国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司,内蒙古 通辽 028000)

引言

电容式电压互感器(CVT)作为电压测量设备相比于电磁式电压互感器,具有体积小、维护方便、故障率低及抑制铁磁谐振效果好等优点广泛应用于特高压工程。由于电压互感器涉及众多直流控制保护,其自身的安全可靠将直接关系到特高压系统的稳定运行。因此在工程前期设计选型、工程建设阶段的施工安装及验收等环节应严格抓好质量管控,避免在运行期间造成单双极闭锁事故。

1 故障描述

2020 年 07 月 11 日,某换流站 OWS 报“极Ⅰ低端换流变过电压保护2 段A 相跳闸”与“极Ⅰ低端换流变过电压保护Y 闭锁”,极1 低端阀控主机B(CCP11B)出口跳开极1 低端阀组换流变进线断路器。保护Y 闭锁动作,极1 低端阀组闭锁。故障前双极四阀组5700MW 大地回线平衡运行,交直流系统正常,站内无操作、无异常告警。故障未导致功率损失。

2 故障分析

换流变过电压保护采用三取二配置,每套保护系统测量回路相互独立。保护分相采集换流变引线CVT 的基波至7 次谐波电压值,保护判据如下：

Ⅰ段过电压段：相电压有效值UacRMS>1.3p.u(397.8kV),延时500ms,保护跳闸。

Ⅱ段过电压段：相电压有效值UacRMS>1.5p.u(459kV),延时20ms,保护跳闸。

动作后果：Ⅰ段和Ⅱ段跳开交流进线断路器并执行Y 闭锁。

故障发生时刻,极Ⅰ低端换流变三套保护A 相进线电压有效值分别达到476kV、477kV、479kV,均达到Ⅱ段过电压动作定值,延时20.625ms 出口,达到20ms 延时定值,A、B、C 三套保护均正确动作,A 套波形如图1 所示。

外置录波中极Ⅰ低端换流变A 相进线电压瞬时值达到1104kV,有效值达到883.6kV,远超Ⅱ段过电压动作定值459kV,保护Y 闭锁正确动作。500kVXX 1 号线、XX 2 号线三相电压均正常,无异常波动。对故障录波进行频谱分析,发现故障时刻A 相电压分次谐波含量较高,1/2 次谐波占比达到36%,说明分频谐振可能性较大见图2。

3 故障PT 试验与谐振分析

图1 极Ⅰ低端换流变保护A 套故障录波

图2 故障波形频谱分析

根据上述分析判断交流进线电压A 相CVT 故障导致保护动作。现场检查极Ⅰ低端6 台换流变本体、进线CVT 本体外观检查未发现异常。

3.1 介损及电容量试验。

现场对A 相CVT 进行介损及电容量试验,设备试验结果均正常如表1 所示。

表1 介损及电容量试验数据

3.2 油色谱分析试验

现场对A 相CVT 本体进行油色谱分析试验,试验结果正常见表2。

3.3 绝缘电阻试验

现场对A 相CVT 二次侧到端子箱电缆进行绝缘电阻试验,发现3n、4a、4n 三根线芯绝缘降低,为 20～30MΩ。对二次绕组至就地端子箱电缆进行检查,发现三根线芯护套有明显破损,最严重的为4a 线芯有明显放电,线芯绝缘层出现明显过热痕迹,确定电缆与进线端子箱穿孔长期磨损导致见图3。

3.4 解体检查

18 日对故障CVT 进行厂内解体检查并按出厂试验进行检测,各项试验数据与出厂试验和交接试验比对未发现异常。同时检查电磁单元内部接线和外观,未发现连接线松动和异常放电痕迹,通过进行电磁单元油色谱分析,与07 月11 日故障时现场所做色谱数据基本一致,没有乙炔、乙烯等特征气体,说明高压侧、中压侧以及电磁单元组部件内部无放电过程。通过开展高电压下互感器介损和电容量(1.0puUm)、绕组直流电阻及绝缘测试(绕组间及对地)、中间变压器励磁曲线、补偿电抗器电感测量、阻尼器和限幅器性能检测、变比及误差测量,试验数据均正常,说明产生谐振的原因不是设备本体参数问题导致。

进行二次短路激励下的谐振试验时,出现的波形与07 月11 日故障波形基本契合,说明是由于二次回路故障引起的激励,导致发生铁磁谐振。二次侧诱发下CVT铁磁谐振试验(1.0puUm)时,进行了两种工况的模拟。

第一次通过接触器控制二次侧绕组短路100ms。电压瞬时跌落到0,持续100ms 后(二次侧短路时间)开始起振,震荡最大峰值达到1.7pu,持续3 个周波后速饱和电抗器迅速将谐振阻尼到正常电压。第二次模拟,通过接触器控制二次侧绕组短路10ms,间隔5ms 后再进行第二次绕组短路10ms,从波形来看第一次短路10ms 后开始起振,震荡峰值达到1.2pu,持续5ms 后,电压跌落(绕组第二次短路),10ms 后开始第二次震荡,震荡最大峰值达到1.8pu,分析第二次震荡幅值更大是由于第一次短路后电磁单元内部能量未完全释放导致。从第一次震荡到完全阻尼共经过约300ms 如图4 所示。可以看出模拟故障波形包括特征频谱与07 月11 日故障时波形基本一致,充分说明电压谐振是由于二次侧出现二次瞬时短路导致。

3.5 谐振原因分析

根据该CVT 技术参数,计算该设备工频下感抗约为28997Ω,容抗为28478Ω,感抗略大于容抗,整个回路呈弱感性。当二次侧绕组发生短路后,中间变压器激磁电流突增,中间变压器铁芯出现饱和,回路感抗减少,当下降到XL=XC 时,便满足了串联谐振的条件。当发生谐振后,阻尼时间随谐振电压增大而增长,根据《电容式电压互感器的补充技术要求》(GB/T20840.5-2013),当一次侧电压达到1.5pu 后,允许的消谐时间为2s,远大于过压保护延时(1.5pu 下延时为20ms),因此无法通过速饱和电抗器在保护动作时间内抑制谐振。

表2 油色谱分析试验数据(μL/L)

图3 受损电缆及电缆进端子箱

图4 二次侧连续短路10ms 波形及频谱分析

3.6 处理措施

现场将A 相CVT 整体拆除,更换为试验合格的整体备品。现场对原电缆进行了更换。在年度检修期间对其他换流变进线CVT 电缆及本体改造,对本体下方穿线管口加装保护胶套并用绝缘夹固定电缆,防止与管口接触如图5 所示。

图5 处理后

4 结束语

综上所述CVT 测量异常的原因为该CVT 二次绕组电缆受应力与金属外壳(端子箱进线孔或电缆金属管护套)长期磨损导致。故障发生时,电缆破损部位与金属部位存在两次瞬时的接触,导致电压瞬时下降后发生谐振,同时由于速饱和电抗器阻尼时间远大于过压保护动作时间,保护出口闭锁阀组。基于以上问题,为保障特高压电网的稳定运行对在运及新建工程提出以下措施建议：(1)工程建设阶段在设计、施工安装阶段加强审查及质量管控,对同类问题进行全面排查,电缆穿管或穿孔时应加强防护,应在穿线管口加装保护胶套并采取有效固定措施防止电缆由于自重或外力作用长时间移位磨损。(2)在运工程应结合停电检修对换流变进线CVT 进行全面检查,包括开展二次绕组绝缘测试、芯间绝缘及对地绝缘测试。对绝缘测试结果异常或横向对比变化较大的,应进行进一步检查,必要时可用内窥镜对电缆进行检查。(3)在工程验收阶段加强验收环节管控,细化验收标准,严格执行标准化验收。