毕业设计（论文）-变压器隔直装置探析及故障实例分析.doc

隔直装置探析及故障实例分析摘要：高压直流输电以大地回流方式会引起交流电网中部分中性点接地变压器发生直流偏磁，影响变压器的正常运行。本文从原理上对主变压器中性点直流电流成因进行模型分析，并提出主变压器中性点装设反向直流注入装置和主变中性点装设电容隔直装置的抑制措施，能够很好的抑制主变压器中性点直流电流。从 220kV春城站#2主变跳闸事件进行分析，得出电容隔直装置在实际运行中出现故障的结论，并结合实际提出一些改进的措施，保证电网安全稳定运行。关键词：变压器；中性点；直流电流；电容隔直装置Abstract： Direct current transmissiontoearth in high voltage returnwillcauseDC bias in the transformerneutral pointgroundingof the AC power network,affecting the normaloperation of transformer.This paperanalyze the modelsofneutralDC currentcauses in transformerfrom principle,and proposesmeasures of that installedreverse DC injection deviceor the equippedcapacitorblockingdevice inthe transformer neutral,which make the capable of Transformer neutral DC current is verygood. From the event of the 2rdtransformer tripping in the 220kV station of ChunCheng, we get the thetheconclusion of capacitorblockingdevice failure in theactual operation,and proposessome improvement measures,to ensure the safe and stableoperation of power grid.Keywords：transformer；neutral point；DC current；Capacitive DC blocking device1、引言我国的发电资源与负荷中心分布不均，且因为直流输电在长距离、点对点电能输送时有交流输电无法比拟的优势，所以近些年来一个个直流输电工程在我国兴起。不过直流输电给我们带来益处的同时也带来了潜在的威胁，自2000年12月开始，南方电网大亚湾核电站发现主变压器不时出现噪声异常及增大的情况，而于2003年初因三峡龙政的直流输电启动调试导致江苏电网出现明显的直流电流；天广直流单极大地调试当中，其它电厂、变电站也有类似现象发生，通过与天广调试负荷情况进行跟踪和对比分析，发现主变噪声增大与地中回路电流之间存在着明显的相关性。高压直流输电以大地回流方式（包括单极大地回线方式及双极不平衡方式）运行时，会引起交流电网中部分中性点接地变压器发生直流偏磁，对变压器的正常运行造成较大的影响，严重时可能损害变压器，并引起保护的误动。所谓直流偏磁是指变压器由于某种原因受到直流入侵而引起其磁通偏向时间轴一侧的电磁现象。当直流输电系统采用单极大地回路运行时，直流将流过接地极从大地返回，由于所经地区电阻率不同的影响，在接地变压器中性点间产生电位差，因此将会有部分直流电流通过中性点入侵变压器，造成变压器直流偏磁。由于大部分变压器都运行在接近饱和状态，直流偏磁所引起的偏移的磁通很容易使变压器其出现饱和，从而导致变压器损耗增大、内部金属构件温升增加、噪声及振动增大、电流电压波形畸变等问题，直接影响了变电站的安全运行。2、原理分析高压直流输电系统以大地回流方式及双极不平衡方式运行时，会较大直流电流入地，通过大地形成回流，因此在直流输电系统接地极附近会形成较强的直流电场，分别在直流接地极附近的交流变电站分别处于不同的直流电势点上，各站站内主接地网之间存在直流电势差。当处于不同直流电势点上的两个变电站距离越大，两站站内主接地网之间的直流电势差就越大，此时若两站之间有交流线路相连，且两站主变压器中性点直接接地，则两站站内主接地网之间会通过主变压器中性点、站内设备连线、站间交流线路、地电阻等形成直流回路，回炉内即有直流电流流通。由于主变压器及其中性点处在该回路中，因此会有直流电流流过主变压器，经中性点入地，或从地经主变压器中性点流入主变压器，其简单电路模型如图所示。图1 主变压器中性点直流电流形成简化电路模型目前，广东省部分220kV及以上变电站主变压器中性点已装设直流电流互感器，用于检测流过主变压器中性点的直流电流，根据现场监测结果，当直流书店系统以单极大地回线方式运行时，其接地极附近的220kV变电站主变压器中性点（直流接地的220kV中性点）流过的直流电流约80A，远远大于主变压器厂家允许的只能通过10A直流电流的要求。主变压器中性点入地直流电流问题严重危险着变压器的安全运行，因此，抑制变压器中性点的直流电流成为迫切需要解决的问题。3、 抑制主变压器中性点直流电流的措施分析抑制高压直流输电系统以单极大地回线方式运行时地中直流电流对交流系统的影响有多种措施，可以将其分为主动和被动两类。主动措施为恰当地选择接地极和变电站的位置，多个直流系统共用一个接地极、选择能耐受直流电流的变压器等。但该方法经常由于交流负荷区（建站点）与直流接地极较近而较难实施，且目前变压器厂家生产的变压器所能承受的直流电流都较小，不能满足直流电流的要求。在限制变压器中性点直流电流的被动措施方面，国外在20世纪80年代就开始了相关的研究，我国近来也有些成果，并有了一些工程先例。 从理论上说，被动措施主要有3类方式：一是加装反向直流电源来产生反向直流以升高或降低相关变电站主接地网的直流电势，减小有电气连接的两变电站之间的直流电势差，最终达到减小流过主变压器直流电流的目的；二是加装中性点隔直装置来抑制直流电流，在主变压器中性点与站内主接地网之间串入电容器，利用电容器通交隔直的特性来切断直流电流经主变压器中性点入地的通道；三是采取分流措施，即减小线路底线的直流电阻，可以使更多直流电流从地线流过，分走从相线流过的直流电流，因为只有从相线流过的直流电流才经过变压器，因此减小线路底线的直流电阻可以将流过变压器的直流电流分走一部分。目前，已有运行经验的抑制直流电流的措施主要有两种：一是注入反向直流，二是电容隔直流。3.1 主变压器中性点装设反向直流注入装置反向直流注入装置主要由限流电抗器、可控直流电源、就地监控系统、远方监控系统等组成，其一次接线如图所示。图2 主变压器中性点装设反向直流注入装置接线图反向直流注入装置一般装于变电站站内主接地网与站外远方接地极之间，装置通过检测流入变压器中性点的直流电流的大小和方向，控制直流电源模块输出一大小相近、方向相反的直流电流，以达到减小流入变压器中性点的直流电流的目的。装置的限流电抗器主要是为了限制交流电网侧的不对称短路电流流入装置，远方接地极是为了装置提供输出电流的返回通路。该装置也具有较强的智能监控功能，安装、运行均较为简单方便。在采用反向直流输入装置时还应该考虑交流过电压对直流电源的影响，以及直流电源的补偿效率等问题。反向直流注入装置的有点在于不更改系统原有的运行方式，接入、使用灵活，针对流入中性点不同的直流电流值，动态地进行补偿，在减小本地中性点电流的同时对于流入其他变压器中性点直流的影响较小。3.2 主变压器中性点装设电容隔直装置变压器中性点接入电容隔直装置，能够很好的抑制直流电流，可以减少高压直流输电系统单极运行时对主变的影响。中性点电容隔直装置主要利用的是电容器的”隔直通交”的作用，主变中性点电容的接入可以有效地消除流过变压器中性点的直流电流，而且不影响交流电流流过中性点。在系统正常的状态下，装置的电容器将被与之并联的开关旁路，变压器中性点直接接地。如果变压器中性点出现直流电流，电容器将会自动投入，若在电容器投入运行的过程中变压器中性点同时出现较大的短路故障电流或者雷击等，电容器会迅速被旁路，使故障电流通过旁路保护装置流过直接接地，限制了中性点电容器的暂态电压幅值，从而保护了电容器，同时避免了中性点产生过电压。XX 站中性点电容隔直装置其主要组成部分包括：电容器组，旁路机械开关，电抗器，反向并联晶闸管及其触发电路，直流电流互感器DCCT1、DCCT2，直流电压互感器PT1、PT2，交流电流互感器ACCT等。图3 主变中性点隔直装置原理图电容器组主要起到隔直的作用，早期的变压器中性点直流电流抑制装置由于没有采用晶闸管等快速电子开关作为旁路，为了防止短路故障时损坏电容器，容抗值较大（可达几十欧姆），会对继电保护装置的整定及动作有影响。而目前的这套中性点电容隔直装置电容器的容抗值为0.1欧姆，对继电保护装置的影响不大。并联在电容器两端的一对反向并联晶闸管主要是在电容器过电流或过电压时为电容器提供快速电流旁路支路，其动作时间为微秒级。而机械开关支路（动作时间在毫秒级，远大于晶闸管导通时间）则与晶闸管支路配合共同构成了电容器旁路支路，使得在发生短路故障时使变压器中性点可靠有效的接地。与晶闸管串联的电抗器则主要用于限制通过晶闸管固态开关放电时的放电电流变化率。正常运行状态下，机械开关处于合闸位置，变压器中性点直接接地，当隔直装置直流电流互感器DCCT检测到流经变压器中性点的直流电流超过5A并持续超过10s以上时，机械开关分闸，电容器投入，消除流过变压器中性点的直流电流。当机械开关分闸，电容器投入进行隔直的状态下，若变压器中性点同时出现较大的短路故障电流或者雷击等状况，交流电流分量大于300A 时，将触发反向并联晶闸管导通，为电容器提供快速电流旁路支路，保护电容器。变压器中性点电容隔直装置中的直流CT 与直流PT 均为双套的冗余配置，当两个直流CT 之间的测量结果相差超过3A，又或者两个直流PT之间的测量结果相差超过3V 时，系统判定互感器出现故障，测量结果不可信，机械开关自动合闸，以保证变压器中性点的直接接地。变压器中性点装设电容隔直装置后，在没有直流电流流经变压器中性点时，机械旁路开关为合上位置，当装置检测到流经变压器中性点的直流电流超过限值时，机械旁路开关转为断开位置，使电容器投入，起到阻隔直流电流的作用。在变压器高压侧发生不对称短路故障等情况下，变压器中性点会流过很大的电流，并产生幅值很高的暂态电压，一旦装置检测到流经变压器中性点的交流电流超过限值时，装置控制器即判断为交流电网发生不对称短路故障，反并联晶闸管对立即触发导通，同时机械旁路开关转为合上位置，保证变压器中性点可靠接地。在短路故障清除后，装置控制器返回到动作前状态，将电容器重新投入运行。电容隔直装置能满足连续运行的设备要求，能满足主变中性点有效接地的系统运行方式要求，装置中的电容器对继电保护的影响很小，不会影响系统已投运继电保护的正确动作。电容隔直装置的优点是隔离电流比较彻底，但正是由于它的这种刚性特征，可能会导致此处电流呗隔断，直流电流被分流到其他变压器的中性点上去，其他变压器的中性点的直流电流随之可能发生相应的增大或减小，这就需要从交流网络接线上进行系统、全面的考虑。目前，广东省内已有部分220kV变电站的主变压器中性点安装了电容隔直装置或反向直流注入装置，根据现场运行记录，当流经主变压器中性点直流电流超过设定限制时，上述装置均有正确投入运行，有效抑制了流经主变压器中性点的直流电流，使流经主变压器中性点的直流电流降至主变压器生产厂家允许范围内，确保了主变压器的安全、正常运行。4、电容性隔直装置的应用故障实例分析2013年08月14日17:33，运行值班人员监控时发现220kV春城站10kV #2变低502开关、220kV #2变高2202开关、110kV母联1012开关跳闸，10kV 2M母线失压，后台及#2主变保护屏没有继电保护动作信息。运行人员执行调度令退出10kV备自投，合上10kV 母联512开关，最终于08月14日18:30恢复了10kV 2M母线运行。经过继保专业检修、抢修后，08月15日17:15成功恢复了#2主变送电，#2主变主二保护试运行。试运行24小时无异常之后，于08月16日17:30将#2主变主二保护由试运行状态转为运行状态，目前无异常。4.1、事件发生经过（一）事件前后运行方式事件发生前，220kV春城站220kV 1M、2M并列运行，110kV 1M、2M并列运行，10kV 1M、2M分列运行，#1、#2主变并列运行，10kV备自投在投入位置，10kV母联512开关在热备用状态，#2主变220kV侧中性点经隔直装置接地，110 kV 侧中性点直接接地。 事件发生后，220kV春城站10kV #2变低502开关、220kV #2变高2202开关、110kV母联1012开关在分闸位置，10kV母联512开关在分闸位置，10kV 2M母线失压。（二）相关保护动作及录波情况1、后台相关信息情况相关时间段的SOE信息详见附件9，下面所列的是相关部分信号：15时00分39秒247毫秒：后台发（#2变中测控）容阻装置旁路开关由合位变分位信号；15时00分39秒251毫秒：后台发#2变中测控遥信失电信号；17时33分34秒234毫秒：#2变高2202开关由合至分，#2变低502开关由合至分，110kV母联1012开关由合至分。2、保护动作及录波情况#2主变主一保护（RCS978G2）在#2主变跳闸前后无保护出口动作，只有启动录波，且因差动保护未启动。所以无差动保护录波。#2主变主二保护在跳闸后检查时发现装置故障，保护液晶屏烧毁，也无法调取保护装置录波，同时后台也没有发现任何保护动作跳闸报文。录波详见图3、4、5所示。图3 110kV张崆线故障录波图4 录波器录波图图5 集中录波装置差流分析3、保护动作及录波分析由SOE事件记录确认，2013年8月14日17时33分崆峒站110kV张崆线1242开关接地距离一段保护动作跳闸并重合成功，故障为C相接地故障，故障电流3094A（一次值CT变比800/1），故障录波详见图3。同时，根据集中录波差流分析显示（图5所示），当时#2主变有故障电流流过，但主变各侧电流合成的差动电流接近为0（0.01A），由此可判断此次故障电流为区外故障的穿越电流。#2主变主一保护不动作是正确的。从录波器录波可见（见图3），#2主变主二保护主保护出口继电器的瞬动接点动作时间极短，只有9ms左右，而正常出口继电器的瞬动接点时间应在30-40ms之间，同时该瞬动接点在极短的时间内不断的动作复归，而保护出口继电器实际根本无法达到如此之快的动作频率，证明此波形不可能是主保护出口继电器的动作过程。由此推断#2主变出口可能为保护二次出口回路发生异常而出口。三、现场检查及处理（一）设备检查情况设备跳闸后，运行人员立即对220kV春城站#2主变本体及三侧开关间隔一次设备现场检查，设备外观无异常；#2主变通过变中1102开关供电，主变本体运行无异常。后台显示：#2变高2202开关在分闸位置，110kV母联1012开关在分闸位置、#2变低502开关在分闸位置，10kV 2M母线失压。继保室#2主变主一保护无动作信息，主二保护的运行指示灯、液晶显示屏全灭，液晶显示屏被烧黑，无法确认主二保护的动作等信息情况。详见图5、6、7所示。图5 1号插件的出口继电器图6-1 损坏的3号信号插件（背面）图6-2 损坏的3号信号插件（正面）图7 5号CPU插件（二）事故处理过程08月14日15时00分39秒值班人员后台发现#2变中测控遥信失电信号，汇报继保专业人员。继保人员经检查发现，#2变中测控装置电源空开跳开。由于正值强台风“尤特”登陆时刻，风大雨大，为防止事件扩大没有强送该空开。17时33分34秒值班人员后台发现#2变高2202开关跳闸，110kV母联1012开关跳闸，#2变低502开关跳闸，10kV 2M母线失压。值班长立即汇报地调。运行人员冒着大风大雨检查#2主变本体及三侧开关间隔、#2主变电容隔直装置一次设备现场检查，设备外观无异常。继保人员检查保护，发现无保护信息， #2主变主二保护装置失电，装置有烧焦味道。运行人员再次将现场检查情况汇报地调。17时39分执行地调令合上#1变中中性点111000地刀。17时44分执行中调令合上#1变高中性点221000地刀。17时57分执行地调令断开1102开关。18时03分执行地调令同期合上110kV母联1012开关。18时27分执行地调令退出10kV备自投，同期合上10kV分段512开关，恢复了10kV 2M母线运行。08月14日21时53分执行地调令将#2主变由热备用转为冷备用。08月15日 03:30许可220kV春城站#2主变保护装置缺陷处理工作第一种工作票。16时10分运行人员终结220kV春城站#2主变保护装置缺陷处理工作第一种工作票。16时13分执行地调令将#2主变由冷备用转运行，恢复原来运行方式（#2主变主二保护试运行）。17时05分主变充电正常，至此恢复主变充电状态。16时25分运行人员发现#2主变隔直装置烧毁（详见图8、9、10所示），立即汇报地调。图8 主变中性点隔直装置接线柜图9 #2主变隔直装置内部烧焦情况-1图10 #2主变隔直装置内部烧焦情况-208月16日17时17分执行地调令投入#2主变保护二屏出口连接片。至此恢复#2主变主二保护正式运行状态。投运后#2主变主二保护检查装置无异常。四、原因分析220kV春城站#2主变主二保护装置的生产厂家为南京南瑞继保电气有限公司，型号：RCS-978G2，出厂日期：2007-01-01，投运日期：2008-01-30。#2主变隔直装置生产厂家为广州高澜电气有限公司，型号：BCBD-C型电容隔直装置，出厂日期：2009年6月，投运日期：2010-02-04。（一）直接原因分析2013年08月14日，强台风天气（中心风力14级）。17时33分34秒，220kV春城站串供的110kV张崆线线路发生故障（跳闸重合成功），同时在中高压侧均产生零序电压和零序电流，并在中性点隔直装置内部产生过电压放电，引入到隔直装置K3开关辅助接点二次回路，导致过电压通过#2主变隔直装置就地柜、#2变中测控遥信回路、#2变中测控屏端子排、#2变中测控屏和#2主变主二保护屏间的遥信回路、#2主变主二保护屏端子排进入#2主变主二保护装置，过电压击穿了#2主变保护装置绝缘最薄弱的信号插件开出空接点，进而串入并击穿CPU插件内控制出口的芯片，导致芯片误发出口信号。在系统发生区外扰动的情况下，保护启动开放出口回路，误跳#2变低502开关、110kV母联1012开关和#2变高2202开关。（二）保护插件分析继保人员与南瑞继保厂家一起将主二保护拆解，发现主二保护的1号开出板、2及3号信号板，5号CPU板均有内部放电、电弧烧伤现象。1号插件出口继电器的控制芯片被击穿，芯片外观已不完整。3号信号插件右上角处板件的电路已被完全烧坏，电路已经熔断，铜丝以裸露在外。右侧的控制芯片被击穿，芯片外观已不完整。5号插件为CPU插件，其出口继电器的总控制芯片被击穿，芯片外观已不完整。同时由于该板损坏造成主二保护无法调取装置录波，并且在故障时刻无报文上送。4号电源插件虽未见电弧灼伤痕迹，但经过测试插件已损坏。经检查发现3号插件的损坏最为严重，由现象判断明显有大电流或过电压作用于该板件，造成2202、1012、502开关误动，主二保护动作开入频繁变化。（详见图5、6、7）3号板的断线处是损坏最为严重的部位，此部位外接中压测测控装置遥信正电源公共端。#2主变跳闸时，由集中录波分析，经过中性点零序电流约330A，事故后检查发现中性点隔直装置控制柜有灼烧痕迹，设备绝缘损坏，该中性点隔直刀闸信号直流电源801接至主变控制屏，在主变测控屏的801和到#2主变信号电源连接（如下图11所示），隔直装置K3辅助开关引入的过电压串入#2主变信号回路。图11 中性点隔直电容信号回路和#2主变信号回路联系图因此，判断在外部110kV线路（110kV张崆线）C相接地故障时，隔直电容柜内存在过电压放电，通过绝缘降低的中性点隔直装置控制柜的801电源及K3开关辅助接点回路引到#2主变测控信号开入回路，经过#2主变信号输出空接点回路引入#2主变保护屏。根据保护厂家初步分析，主变保护给主变测控屏开入的空接点绝缘耐压在2000V左右，主变测控屏强电220V开入回路内串有50-100K的电阻，绝缘耐压在4000V左右，故经旁路开关K3辅助接点二次回路串入的过电压经主变测控屏寻找绝缘最薄弱的#2主变的3号信号插件中的某些输出空接点，将其绝缘击穿，后进一步串入至CPU板将控制出口的CPU烧穿，误发出口信号，在17:33:34秒时，恰好系统有扰动（110kV张崆线C相故障），#2主变保护启动后开放出口回路，造成2202、1012、502开关跳闸。图12 保护信号回路与出口回路联系示意图(三)隔直装置电容放电原因分析图13 隔直装置一次接线图在本次事件中，220kV春城站主变隔直装置的一次、二次元件不同程度的烧毁，涉及的一次元件，包括旁路开关k3辅助触点及隔直电容器C2，涉及的二次元件主要包括ION控制器DI采样板，P1电源模块，继电器KA6、KA7、KA12、KA14，及旁路开关合闸线圈。其中，烧毁较严重的包括ION控制器（控制旁路开关K3分合闸）的DI开关量采样板，P1电源模块，继电器KA6、KA12及旁路开关合闸线圈，上述元件在回路上均与烧毁情况最严重的旁路开关K3辅助触点有直接的电气连接。而与其无相关电气连接的通信电源回路、模拟采样回路、风扇及照明电源回路均无发生短路烧毁元件情况。由此判断，二次元件烧毁的故障点来自K3旁路开关辅助触点，是其提供了巨大的短路能源，致使相关回路的电气元件烧毁。同样有明显放电痕迹的一次隔直电容器，其表现为电容器电极与外壳之间放电。该电容器极壳之间的耐压水平为：5000VAC/60s。初步判断，系统频繁的接地故障产生的零序过电压，使得串接在中性点上的旁路开关K3，和电容器对地电位发生改变，过高的系统零序电压，恶略的电磁环境使得电气元件的绝缘减低，从而导致相关的设备被击穿烧毁。故障过电压通过隔直装置旁路开关K3辅助接点回路引到就地柜接线端子排（如下图的X3:7、X3:8、X3：9所示），再送至主变测控屏信号开入回路。图14 就地柜接线端子排接线回路图图15 隔直开关柜内一次二次过电压痕迹图图16 K3辅助接点引出线烧毁局部图图17 绝缘损坏的隔直装置就地柜ION控制器DI采样板图18 绝缘损坏的隔直装置信号继电器图（KA6、KA7和KA12、KA14烧坏较严重）（四）设备运维情况分析220kV春城站#2主变保护装置最近一次定检时间为2013年01月25，试验结果正常。#2主变隔直装置自2010年02月04日投运以来，未执行过定检（没有相关规定明确隔直装置的预试定检要求），在2011年7月29日更换隔直装置控制器，在2012年9月19日维修主控机相关模块。220kV春城站#2主变为一级设备，每两天对#2主变相关间隔特巡，每七天红外测温一次。最近一次巡视日期是 2013年08月12日，距离事件时间2天（本计划14日对#2主变特维，由于当天强台风天气，工作还没开展#2主变已经跳闸），巡视结果正常。7月15日，按照安全大检查统一工作要求，将安全隐患排查要求落实到每一个岗位每一个人，运行、继保班组对#2主变及其保护装置也组织开展了相关安全检查内容和要求，检查结果无异常。220kV春城站#2主变保护装置最近一次定检时间为2013年1月23日至25日，定检试验结果正常。220kV春城站#2主变保护装置最近一次预试时间为2013年1月23日至25日，预试结果正常。2013年5月22日对#2主变进行了油化试验，结果正常。五、暴露问题主变隔直装置的位置信号回路设置不满足要求，没有与保护信号回路进行有效隔离，干扰了保护装置的正确动作。六、预防措施、建议（一）查明220kV春城站#2主变主二保护损坏原因，更换损坏的保护板件并测试合格投运，将与隔直装置相关的信号回路在就地予以隔离，杜绝次生损害。（二）对#2主变中性点隔直装置内未有放电痕迹的元器件进行相关试验，查明#2主变中性点隔直装置损坏原因。（三）及时更换损坏的中性点隔直装置，并结合更换工程，将隔直装置的位置信号回路改接至公用测控，与保护信号回路隔离。（四）变电管理所责成新的隔直装置的生产、设计厂家，在上送隔直位置信号的信号回路设置中，必须在就地通过“光藕”有效隔离，可防止一次过电压串入二次回路。22参考文献1 童能高，陈洁抑制主变压器中性点入地直流电流的几种措施J广东电力，2009，22(10)：13152 孙茁.毛长周.薛源.SUN Zhuo.MAO Chang-zhou.XUE Yuan 不可忽视主变中性点接地隔离开关运行管