换流变c相管阀故障跳闸分析

换流变c相管阀故障跳闸分析

0变压器换流故障kaderbahn于1989年9月完成，是k3b。葛南500kv直接供电系统的接收站。它也是中国南方500kv网络和南部电网的中心节点。葛南直流输电系统双极额定输送容量为1200MW,额定电压±500kV,额定电流为1200A。南桥站有7台单相三绕组有载调压换流变压器。该次故障发生在极ⅡC相换流变压器上,该换流变压器1999年制造出厂,2005年投运。其容量为224MV·A,变比为220/198kV(阀侧角形接线)、220/114kV(阀侧星形接线)。阀侧两绕组分别连接成星形和三角形(Y0/Y/Δ)。网侧接入交流220kV电网。有载调压开关装于网侧,共22档(-6档~+15档),每档调节范围1%,冷却方式为强迫油循环风冷却(ODAF)。1换流变进线开关跳开2008年12月21日11点02分,南桥站中央报警先后发“换流器差动保护II段动作”、“换流阀Y桥差动保护III段动作”、“换流变比率差动保护动作”、“换流变重瓦斯保护动作”等事件,极Ⅱ闭锁,换流变进线开关跳开。现场检查发现,极ⅡC相换流变本体顶部大盖边缘、阀侧2.1套管入孔盖处、套管端部有漏油现象见图1、2;本体压力释放阀未动作,但瓦斯继电器动作;网侧1.1与1.2、阀侧3.1与3.2套管未见异常;三相换流阀内部元件和导流铜排没有发现放电痕迹、漏水以及其他异常情况。取本体及阀侧2.1套管油样色谱进行分析,发现特征气体体积分数严重超标,见表1。从油化数据上看,极IIC相换流变本体和2.1套管各种气体体积分数均已严重超标,换流变确实出现严重的内部故障。2保护行为分析2.1阀差保护动作事件列表见表2。从事件记录来看,阀差、桥差、换流变差动、重瓦斯保护在很短的时间内先后动作,阀差保护最先出口闭锁极,Y桥差动保护、换流变比率差动保护和本体重瓦斯保护随后相继动作并发出跳闸信号。结合现场检查情况,可以初步判断保护区内确实出现接地故障。2.2短路电流从a、c两相原理引起的短路换流变网侧三相电流见图3。从图3可看出,短路电流流过极II换流变A、C相,且两电流大小相等,方向相反,说明短路电流从一个绕组流进,另一个绕组流出。换流变阀侧三相电流见图4。图4中4根竖线分别对应A、B、C、D顺序时刻。可以看到,在A时刻就出现故障,因换流变D侧绕组阻抗较大,因此短路电流从大地流入,D侧绕组没有电流流过;在B时刻前Y侧阀1和阀2导通,故障后阀1向阀3换向不成功,发生倒换相,接着阀2向阀4换相后,Y桥阀1和阀4形成A相旁通对,紧接着C时刻控制系统发出跳闸及投旁通对指令,D桥阀1、阀4开通,极IIA相桥臂旁通,直流侧短路;D时刻断路器主触头分开,交流电压消失。从故障录波图可以初步判断,在C相换流变阀侧2.1套管CT与绕组之间发生短路,短路电流通过A、C相绕组由短路点入地,又通过接地极返回,因此C相2.1套管CT未能感受到短路电流。为了便于分析整个故障和保护动作过程中各种电流的变化,把图5进行简化整理,并标明电流方向。2.2.1d侧换流变电流过大,d侧换流变温度较高。d侧换流变故障初期短路电流见图6。当C相换流变产生接地故障时,正常的直流电流立即从接地点和接地极构成回路,由于D侧变压器阻抗远大于地电阻,因此,D侧换流变电流立即降至0,且IdDC被短路,IdYC和IdDC间产生差流,这也是阀差保护最先检测到故障的原因。阀差保护出口投旁通对后,由于系统中同时存在交流短路和直流短路,需要根据交流电流不同的方向分别加以说明。2.2.2a相串联a相串联泄漏图7为投旁通对后,UA>UC时,短路电流从换流变C相绕组流入,A相绕组流出,在整流侧移相闭锁之前,短路电流通过直流线路和整流侧换流阀,再通过大地流回故障点。在此期间,IdDC仍然被旁路,没有电流流过,IacY_L1和IdYC上流过的电流相同。2.2.3短路电流过大时,a图8包括左右两个网孔,左侧网孔中箭头表示交流两相短路电流,从换流变A相绕组流入,C相绕组流出,经过故障点流入大地,再通过A相旁通对返回A相绕组;右侧网孔中箭头表示直流线路放电电流,通过旁通对、直流线路、整流侧换流阀和接地极构成回路。在此过程中,A相的三个换流阀由于同时叠加交流两相短路电流和直流线路放电电流,因此流过的电流非常大以至于IdDC饱和。从上述分析可以看出短路电流变化过程:故障初期,短路电流通过接地极流入故障点,D侧换流变和IdDC被旁路,阀差动电流产生,由于回路中存在整流侧、逆变侧变压器和直流线路,因此短路电流峰值不大;阀差保护动作投入旁通对后,由于换流阀存在单向导通性,随着交流电压的变化,系统中交替出现交流短路和直流短路。3短路电流的判断现场排油拔套管后检查确认极IIC相换流变阀侧2.1套管下部升高座内CT附近绝缘击穿,瓷套爆裂。结合录波图可以判断,在套管CT和绕组之间的部位最先击穿放电,短路电流流过A、C相换流变绕组,但是只有A相CT能够感受到电流,随着故障过程的发展,整个升高座CT部位都存在放电现象,随着CT两侧过渡电阻的变化,C相换流变2.1套管CT有时感受到短路电流,有时感受不到短路电流。这一点可以通过录波图C相2.1套管CT电流的变化得到印证。4桥差、阀差保护的改进方案该次故障发生在换流变阀侧,在直流输电系统中比较特殊。故障区域实际上由换流变保护和换流阀保护同时覆盖,因为阀侧套管短路接地即换流阀桥臂接地,二者在电气连接上是一致的。该次故障中最先检测到差流并出口动作的是阀差动保护,这里面存在两个问题:①从图9上看,换流阀区域的主保护桥差保护(即阀短路保护)到故障后20ms才检测到差流;而最先检测到差流的阀差动保护作为换流阀区域的后备保护,动作延时较长;②阀差动保护动作后会投入旁通对(桥差保护动作后不投旁通对),而正是由于旁通对的投入,实际上造成了换流变的交流两相短路,使A相换流变以及A相的三个单阀流过了非常大的短路电流,扩大了故障范围,危害了一次主设备的安全运行。为了分析故障中暴露出来的问题,并提出改进方案,对该次故障中涉及到的桥差保护、阀差保护的原理进行简单介绍。该次故障也在换流变差动保护的范围内,但是变压器比率差动保护存在固有的计算时间20ms,其动作速度是无法和直流保护相比的。拔套管检查见图10,桥差保护原理见表3,阀差保护原理见表4。可以看出,阀差保护除了比桥差保护动作较慢之外,最大的区别就是阀差保护动作后投入旁通对,即同时触发同相的4个换流阀,换流器的其他8个换流阀全都闭锁。旁通对投入后直流回路被旁通对短路,换流器的交流侧只有与旁通对连接的交流相与直流回路相连,其他两相被闭锁阀阻断,从而可以减小因故障而使换流变压器发生直流偏磁,同时也可以迅速隔离交直流回路。而桥臂短路时,换流阀正反向都可导通,投旁通对无法隔离故障桥臂,为了避免严重的交流短路,桥差保护动作后直接闭锁换流阀,不投旁通对。葛—南工程中桥差保护通过max(IVY)-IdYC检测差流,在桥臂短路情况下可以非常灵敏地检测出故障,但在桥臂接地故障时(本次故障类型),故障初期,阀交流测和直流极线侧流过的电流相同,所以检测不到差流。表5、表6比较了几个正在运行的直流工程桥差保护差动电流检测逻辑。葛—南、龙—政、宜—华工程中,阀短路保护采用同样的差流检测逻辑,阀交流侧电流最大值减去直流侧电流最大值,因此存在同样的问题——只能检测桥臂短路故障,无法检测桥臂接地故障。如果改进差流检测逻辑为阀交流侧电流最大值减去直流侧电流最小值,则既可检测桥臂短路,也可检测桥臂接地故障。例如在该次南桥事故中,直流侧IdDC由于阀侧接地而被旁路,如果桥差保护差流检测逻辑改为max(IVY,IVD)-min(IdYC,IdDC),则可以在第一时间检测到故障,从而迅速移相闭锁,同时避免投入旁通对导致交流两相短路。几个正在进行的直流工程的阀短路保护都可以按照同样的方法进行改进。5桥臂短路保护动作时序分析故障录波分析在直流输电系统故障分析中占有举足轻重的地位。通过对故障录波图的细致分析,可以推断一次设备故障点、故障类型和故障的严重程度,通过对保护动作时序的分析,可以判断各类型保护是否