换流阀在运行中需要消耗大量无功并分别在交、直流侧产生大量谐波,对运行中的电气设备产生危害和通信干扰。为了尽量保持系统无功平衡并消除谐波,换流站需要在交流侧加装无功补偿和滤波装置,由电容器组、电抗器、避雷器、电阻器和测量装置组成交流滤波器,提供低阻抗通道来吸收一种或多种谐波电流[1-8]。
1 故障概状某±500 kV换流站在调整直流输送功率时,自动无功控制切除小组交流滤波器,导致了该滤波器B套保护比例差动保护动作、零序差动动作,A套保护启动但未动作。该小组交流滤波器为HP3型,容量为160 Mvar,现场接线方式见图 1。
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图 1 交流滤波器接线图 |
某±500 kV换流站切除563交流滤波器时,对应的563断路器B相断开8.5 ms左右后高压侧出现峰值为4 512 A的一次电流、低压侧出现峰值为12 203 A的一次电流,A、C相最大一次电流峰值为45 A,故障录波见图 2。
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图 2 故障录波 |
563交流滤波器A套保护启动但未动作,B套保护比例差动保护动作、零序差动动作,导致了563交流滤波器保护的“跳开关”动作出口。
2 原因分析 2.1 CT暂态特性不一致的推定此次故障的根本原因是563断路器B相有重击穿迹象,导致了电流值异常[9-13],引发保护装置报警、动作。
故障发生时的事件顺序记录,即SER(sequence event record)报文中发现了报警信号“零序过流I段起动出现”,也表明是单相故障引起的零序电流出现,引发保护系统告警。但是,根据图 1中该交流滤波器的现场布置,563断路器未包含在首、末端CT的覆盖测量区域内,SER报文中“零差起动出现”、“比例差动出现”、“跳开关出现”属于异常状况。进一步导致比例差动保护动作以及零序差动动作的原因可能为首、末端CT的二次回路或励磁特性存在差异[14-18],导致其暂态特性不一致,引起了传变差异。该推定与故障录波情况一致,选取故障录波的主要波形通道,进行比对分析,563断路器高、低侧的电流差值明显,见图 3。
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图 3 主要波形通道 |
为进一步验证CT暂态特性不一致导致了保护动作异常,还需要结合此次故障的保护动作情况开展研究分析。
2.2 保护动作的分析参照比率差动保护动作方程
$ \left\{ \begin{array}{l} {I_d}{\rm{ > }}{I_{cdqd}}, 0\mathit{ < }{I_r} \le {I_\alpha }\\ {I_d}{\rm{ > }}{k_{bl}}{I_r}, {I_\alpha } \le {I_r} \end{array} \right. $ | (1) |
$ \left\{ \begin{array}{l} {I_d} = \left| {{{\dot I}_1} + {{\dot I}_2}} \right|\\ {I_r} = \left| {{{\dot I}_2}} \right|\\ {I_\alpha } = \frac{{{I_{cdqd}}}}{{{k_{bl}}}} \end{array} \right. $ | (2) |
式中:I1为滤波器首端电流调整电流;I2为滤波器尾端电流调整电流;Icdqd为比率差动起动定值,该滤波器为0.33 Ie;Id为差动电流;Ir为制动电流;kbl为比率制动系数整定值,装置内部固化为0.5。
故障发生时,563交流滤波器500 kV 563交流滤波器A套保护检测到B相测量值存在0.340~0.406 Ie的差流,A、C相差流趋近于0,B相差流与零序差流波形一致,满足交流滤波器差动启动定值,但大于启动定值的差流持续时间仅为4.5 ms,不满足需保持10 ms滤波器保护动作定值,差动保护及零序差动保护正确不动作,录波情况见图 4。
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图 4 A套保护中B相差流及零序差流波形 |
B套保护检测到B相测量值存在0.336 Ie~0.551 Ie的差流,A、C相差流趋近于0,B相差流与零序差流波形一致。B相差流及零序差流大于交流滤波器差动启动定值0.33 Ie,差动保护及零序差动保护启动。
根据录波数据及计算可知Id=0.425、Iα=0.387、Icdqd=0.194、Ir=0.173,满足保护动作方程,且持续时间为22 ms左右,大于10 ms滤波器保护动作定值,比率差动保护正确动作,录波情况见图 5。
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图 5 B套保护中B相差流及零序差流波形 |
参照零序比率差动保护动作方程:
$ \left\{ \begin{array}{l} {I_{0d}}{\rm{ > }}{I_{0cdqd}}, 0\mathit{ < }{I_{0r}} \le {I_\alpha }\\ {I_{0d}}{\rm{ > }}{k_{bl}}{I_{0r}}, {I_\alpha } \le {I_{0r}} \end{array} \right. $ | (3) |
$ \left\{ \begin{array}{l} {I_{0d}} = \left| {{{\dot I}_{01}} + {{\dot I}_{02}}} \right|\\ {I_{0r}} = \max \left\{ {{{\dot I}_{01}}, {{\dot I}_{02}}} \right\}\\ {I_\alpha } = \frac{{{I_{0cdqd}}}}{{{k_{bl}}}} \end{array} \right. $ | (4) |
式中:I01为滤波器首端的自产零序调整电流;I02为滤波器尾端的自产零序调整电流;I0cdqd为零序比率差动起动定值,本滤波器为0.33 Ie;I0d为零序差动电流;I0r为零序差动制动电流;Kbl为比率制动系数整定值,装置内部固化为0.5。
图 4中,A套保护中563 B相差流与零序差流波形一致,保护启动但持续时间小于差动保护动作反应时间。图 5中,B套保护中563 B相差流与零序差流波形一致,根据录波数据及计算可知I0d=0.425、Iα=0.387、I0cdqd=0.194、I0r=0.520,满足保护动作方程,且持续时间为22 ms左右,大于差动保护启动定值,零序差动保护正确动作。
对进入563交流滤波器两套保护装置的波形分别进行分析,见图 6、7。
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图 6 A套保护比率差动波形分析 |
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图 7 B套保护比率差动波形分析 |
图 6、7中,纵坐标为工频基波有效值,单位为Ie;横坐标为采样点数,间隔为208 μs;线1为比率差动动作门槛,线2为差流,线3表示首端B相调整电流,线4为尾端B相调整电流。
在区间74~98,从563断路器跳开电流后约5 ms,首尾端B相调整电流近乎为0;接着,在区间98~290,滤波器脉冲性对外放电,电流峰值超过12 000 A,反应到两套保护装置上均是首尾端调整电流均快速上至约0.58 Ie,差流接近0。
对于A套保护,在区间290~395,其首端B相电流和尾端B相电流出现了传变不一致。在区间290~372内,其产生的差流低于比率差动动作门槛值;在区间373~395内,其产生的差流超过比率差动动作门槛值;但持续时间低于5 ms,没有满足比率差动保护动作条件,零序差动保护的动作与之类似,因此A套保护启动但没有动作出口。
对于B套保护,在区间290~395,其首端B相电流和尾端B相电流也因CT的传变差异,产生了超过比率差动动作门槛的差流,且持续超过20 ms,满足比率差动保护动作条件,零序差动保护的动作与之类似,因此B套保护的比率差动保护与零序差动保护动作出口。
3 结论1) 基于故障录波的分析,在该次保护动作异常故障中,从563断路器开断电流后约5 ms,首、尾端B相调整电流近乎为0;随后滤波器脉冲性对外放电,电流峰值超过12 000 A,反应到两套保护装置上均是首尾端调整电流均快速上至约0.58 Ie,差流接近0。
2) 基于保护录波的分析,在B套保护中,B相首端电流和尾端电流产生了超过比率差动动作门槛的差流,持续超过20 ms,满足比率差动保护动作条件,比率差动保护动作出口正确。
3) 基于综合分析,563断路器B相出现故障后,定值为ms级比例差动迅速动作,是符合保护逻辑的。引发此次保护动作的原因为首、尾端CT暂态特性不一致。
4) 为防范类似故障的再次发生,一方面需要提高断路器设备的内绝缘能力,从根本上减少重击穿引起电流异常的概率;另一方面需要调整匹配首、尾端CT的二次回路及励磁特性,避免其二次输出电压发生严重的畸变,导致保护装置误动作而影响电力系统的安全稳定性。
[1] |
赵畹君. 高压直流输电工程技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004.
(![]() |
[2] |
黄莹, 黎小林, 饶宏, 等. 云广±800 kV直流输电工程交流滤波器设计关键问题研究[J]. 南方电网技术, 2010, 4(2): 67-71. (![]() |
[3] |
吴国沛, 任震, 唐卓尧. 高压直流输电系统双调谐滤波器特性研究[J]. 电网技术, 1999, 23(8): 32-34. (![]() |
[4] |
肖遥. 双调谐滤波器和三阶滤波器的参数计算[J]. 湖北电力, 2000, 24(2): 5-6. (![]() |
[5] |
吴庆范, 黄金海, 张爱玲, 等. 溪洛渡-浙江±800 kV特高压直流输电工程直流保护系统实施策略及其仿真试验研究[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(1): 115-121. DOI:10.7667/j.issn.1674-3415.2015.01.020 (![]() |
[6] |
李豹, 马业林, 熊双成, 等. ±800 kV特高压直流保护优化研究[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(16): 71-75. DOI:10.7667/j.issn.1674-3415.2014.16.012 (![]() |
[7] |
朱韬析, 王超. 广州换流站交流滤波器运行中存在的问题[J]. 电力设备, 2007, 8(10): 66-68. (![]() |
[8] |
文继锋, 陈松林, 李海英, 等. 交流滤波器保护配置和实现[J]. 电力系统自动化, 2006, 30(2): 109-112. (![]() |
[9] |
刘晓明, 曹云东, 王尔智. 高压SF6断路器电弧与气流相互作用研究[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(7): 151-155. (![]() |
[10] |
林福昌. 高电压工程[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007.
(![]() |
[11] |
林莘. 现代高压电器技术[M]. 2版. 北京: 机械工业出版社, 2011.
(![]() |
[12] |
黎斌. SF6高压电器设计[M]. 3版. 北京: 机械工业出版社, 2010.
(![]() |
[13] |
张丽娜, 隋少臣. 500kV SF6断路器故障分析[J]. 高压电器, 2002, 38(6): 59-60. (![]() |
[14] |
杨洋, 黄文龙, 郭锐, 等. 一起罕见的电容式电流互感器缺陷的发现和分析[J]. 电力电容器与无功补偿, 2012, 33(1): 84-87. (![]() |
[15] |
陈建玉, 孟宪民, 张振旗, 等. 电流互感器饱和对继电保护影响的分析及对策[J]. 电力系统自动化, 2000, 24(6): 54-56. (![]() |
[16] |
李艳鹏, 侯启方, 刘承志. 非周期分量对电流互感器暂态饱和的影响[J]. 电力自动化设备, 2006, 26(8): 15-18. (![]() |
[17] |
李旭, 黄继东, 倪传坤, 等. 不同电流互感器混用对线路差动保护的影响及对策的研究[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(3): 141-145. DOI:10.7667/j.issn.1674-3415.2014.03.023 (![]() |
[18] |
胡云, 于跃海, 任立平, 等. 电子式互感器暂态性能测试方法的研究[J]. 电气开关, 2012, 50(2): 54-56, 59. (![]() |