换流变中性点过流保护动作分析

李松山，瞿纲举，李政廉

(湖南省送变电工程有限公司，湖南 长沙 410015)

0 引言

换流变是特高压换流站核心设备之一，因此设计三重保护方式[1-2]，每套相互独立互不影响，保护配置有电量保护CTP1A，CTP1B和CTP1C，非电量保护NEP1A，NEP1B和NEP1C以及保护出口PPR1A，PPR1B和PPR1C装置，其出口分别满足“三取二”“二取一”以及“一取一”逻辑。

特高压换流站整流采用十二脉动全波整流方式，单极共有6台双绕组换流变，分别采用Y/Y和Y/Δ接线方式，利用Y/Δ接线方式在阀侧形成的30°相位差实现12脉动整流[3-4]。换流变的网侧中性点二次电流直接接入电量保护装置，实现外接零序过流保护功能[5]。换流变的网侧中性点是A，B，C三相一次的尾端连在一起，并直接接地运行，形成零电位点。六相双绕组换流变Y/Y，Y/Δ接线形成两个网侧中性点，分别通过各自的中性点TA接地。当运行中的换流变中性点断裂时将会发生非常严重的影响，甚至是发生保护误动作，换流阀闭锁切断电源，导致整个电网系统因负荷大量丢失造成电网系统崩溃[6-7]。根据该次中性点过流保护动作情况，通过试验查找到故障原点，并分析验证其动作原因，以及对换流站接地网设计提出建议。

换流站的换流变网侧三相完全对称，根据理论计算，其中性点电压为[8]：

但是，换流变制造存在误差，工作时三相负载也会有略微的差异，导致换流变三相参数不可能完全一致，换流变运行时网侧中性点就会有零序电压及零序电流产生[9]。因此，换流变中性点直接接地方式十分重要，既能消除中性点零序电压，又能降低中性点绝缘强度，提高设备的经济性能[10]。

1 保护动作原因

1.1 动作现象及故障录波波形检查

监控数据中心收到CTP1C装置Y/Δ换流变网侧中性点过流保护动作信号，运行值班员巡查装置运行情况，发现装置CTP1C动作，CTP1B和CTP1A运行正常，检查相关的故障录波装置运行正常，未启动录波功能。

1.2 故障原因排查

1.2.1 故障状态检查

钳型相位表测量CTP1C屏对应零序电流流入保护装置为11.7 A和流出为11.7 A。

CTP1B装置对应零序电流流入为5.9 mA，流出 5.9 mA。

CTP1A装置对应零序电流为流入5.8 mA，流出 5.8 mA。

1.2.2 停电后故障处理

(1) 保护装置校验。经校验3套保护装置模拟量采样、动作逻辑完全正确，排除CTP1C装置误动作。

(2) TA二次电缆一点接地检查。经查各零序电流回路N线均为一点接地，符合反措要求。

(3) TA二次电缆绝缘测试。经测试CTP1C屏接入的二次电缆采用绝缘电阻表500 V档位测试，电压为零，电阻为零，CTP1B屏和CTP1A电阻为10 MΩ，判断为保护二次绝缘损坏。

(4) TA二次接线电缆校验。打开TA二次接线盒，发现TA二次绕组2S1出线电缆胶皮烧坏，以至于其部分芯线铜丝烧断，其余二次电缆也有不同程度的损坏，但是经校验其接线正确无误。

TA二次电缆校线时，发现TA二次绕组2S1出线电缆绝缘损坏，怀疑是TA二次回路开路所致，仔细检查发现各个连接处十分牢固，没有松动的迹象，二次回路直流电阻与投运前无明显差别。TA本体的常规试验数据合格，与交接试验对比无明显差别，可以正常运行。

分析故障情况下测试的电流值，保护CTP1B装置测试流入和流出电流均为5.9 mA，保护CTP1A装置测试流入和流出电流均为5.8 mA，然而CTP1C装置流入和流出电流均为11.7 A，TA变比经过测试为2 000/1，和铭牌变比没有差别，将CTP1B和CTP1A装置通过的电流乘以变比得到数值分别为11.8 A和11.6 A，与CTP1C装置通过电流十分相近。

巡查现场时发现地面有消防质量提升施工遗留痕迹，地面有接地网断点漏出，根据现场发现的现象推测故障原因很可能是换流变网侧中性点与主地网断裂引起。测试网侧中性点接地点与主地网连接情况，结果为网侧中性点与主地网断裂，根据故障现象和数据分析，判定故障的原因即为中性点与主地网断裂，网侧中性点的运行方式由直接接地变为非接地运行。

特高压换流站运行时换流变网侧中性点正常运行方式为直接接地方式，接地情况如图1所示。

图1 Y/Δ换流变网侧接地示意

消防质量提升施工导致中性点接地点与主地网连接处G1点发生断裂，未及时恢复，其接地方式由直接接地变成非接地运行[11-13]。

2 故障现象分析

网侧中性点断裂导致TA一次电流窜入到二次回路里面，导致CTP1C装置中性点零序过流动作，而CTP1B和CTP1A正常运行，及其对应的故障录波装置没有启动。针对以上问题，对所掌握的数据以及设计图进行了详细分析。根据设计图首先发现接入故障录波的该外接零序电流是从CTP1B装置串联过去，该装置电流采样正常未达到录波启动电流值，因此故障录波装置没有启动录波功能。

根据掌握的数据及故障点，网侧中性点接地点断裂与主地网断开，而TA外壳接地与中性点接地连在一起然后与主地网相连，当中性点接地与主地网连接线被挖断之后，由于换流变三相的制造差异以及三相功率不是绝对的均衡，中性点不可避免地产生不平衡高电压，不平衡高电压就通过TA本体外壳地线反送至外壳。TA二次电缆槽盒为金属材质，槽盒又与外壳相连，因此槽盒与网侧中性点同电位，由于槽盒本身切割后留有棱角和毛刺，致使其对二次电缆放电，导致二次电缆烧坏，TA一次电流窜入到二次回路。这次故障产生的不平衡高电压并不足以将中性点避雷器击穿泄流，这种情况下只能通过外壳将绝缘最薄弱处击穿泄流。

经检测发现，电缆完全损坏的为TA的2S1出线，其对应的保护为CTP1C装置，电缆内部导体与电缆槽盒完全粘连在一起形成导电的金属回路。网侧中性点不平衡电流通过二次绕组2S1出线电缆流入保护CTP1C装置，经装置电流回路尾端流出后，而其尾端又有TA绕组的二次接地线，因此从本体来的网侧中性点一次电流经二次接地线流入大地。这种情况下换流变网侧中性点是通过其二次绕组回路单点接地线与继保的室内的二次保护接地网连接，然后再与主地网连接，形成一个网侧中性点与接地网的联通回路。故障时网侧中性点电流流通回路如图2所示。

图2 故障电流回路

该次故障仅仅是造成CTP1C装置保护动作，若再有CTP1A或者CTP1B中的任意1套或者2套保护同时动作，换流器保护的“三取二”装置PPR动作，切断电源，巨大的功率缺失将会对整个电网造成严重破坏，以至于发生大规模停电事件，对里约甚至于巴西的经济、生活带来影响。

3 接地网设计更改建议

从该次故障中可以看出，里约特高压换流站的换流变的网侧中性点与主接地网只有1处连接点，即G1点，当此处与主地网断裂时，换流变将会变成非接地运行方式，较高的悬浮电位将会发生不可预测的风险，该案例仅仅是其中1种而已。

换流变网侧中性点接地是非常重要的运行方式，设计时可以将星型连接尾端分成2个及以上方向与主地网连接，保证网侧中性点可靠接地。但是考虑到经济性及故障概率事件,可以保留2个与主地网连接处。

4 结论

换流变的保护涉及到接地、电量及非电量等方式，尤其是星形连接的中性点直接接地运行十分重要，且要求保证两点分别可靠接地。因为换流变设计为半绝缘运行设备，若是其中性点与主地网断裂，由直接接地运行变成非接地运行，可导致换流变网侧中性点电压升高,若是发生单相接地故障时，网侧中性点的电压升高达到相电压，远超过换流变设计的绝缘水平，换流变将会因为绝缘击穿烧坏，造成大规模停电事故。

另外，网侧中性点TA外壳接地应单独与主地网相连，不应先与网侧中性点在地面短接一起再与主地网连接。直接接地可以保证在网侧中性点与主地网断裂的情况下，TA设备外壳仍然保持接地为零电位，保证运维人员的人身安全，甚至TA设备遭受雷击也不会对换流变造成破坏，降低设备故障概率。