基于保護(hù)分區(qū)特性的換流站故障診斷

龔凌云，王 旋，秦 皇，蔡韓奇，田 雷

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

直流輸電具有輸送容量大、送電距離遠(yuǎn)、電網(wǎng)互聯(lián)方便、功率調(diào)節(jié)容易和線路走廊窄等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，在遠(yuǎn)距離電能傳輸、非同步電網(wǎng)互聯(lián)、分布式能源接入電網(wǎng)、海島供電以及大城市中心區(qū)域電纜供電等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)[1-3]。

特高壓換流站設(shè)備類型多，發(fā)生故障的概率高，保護(hù)配置也要比常規(guī)變電站復(fù)雜得多。目前，鮮有文獻(xiàn)對(duì)換流站的故障診斷進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[4]重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了提高直流輸電線路繼電保護(hù)的研究和運(yùn)行水平。文獻(xiàn)[5]針對(duì)直流單極接地故障，設(shè)計(jì)了一種附加控制器以加速電容電壓再平衡，實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)。文獻(xiàn)[6-7]針對(duì)直流輸電線路故障，未提及換流站內(nèi)設(shè)備故障診斷問題。目前，對(duì)變電站故障診斷技術(shù)相對(duì)成熟。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于粗糙集理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的變電站故障診斷方法，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障診斷知識(shí)進(jìn)行模式識(shí)別。文獻(xiàn)[9-10]針對(duì)智能變電站，分別設(shè)計(jì)了一種網(wǎng)絡(luò)分析與故障錄波一體化系統(tǒng)，提出了一種繼電保護(hù)故障可視化分析方案。

繼電保護(hù)裝置作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，在換流站發(fā)生故障時(shí)能夠快速切除故障設(shè)備。不同保護(hù)類型的保護(hù)范圍不同[11-15]，故障錄波裝置會(huì)動(dòng)態(tài)記錄故障電流、電壓和保護(hù)動(dòng)作信息。特高壓直流保護(hù)也是繼電保護(hù)的一種，其按照分層、分區(qū)和獨(dú)立配置的原則設(shè)計(jì)[16-18]，本文提出了一種基于保護(hù)分區(qū)特性的故障診斷方法，結(jié)合保護(hù)動(dòng)作情況和動(dòng)作保護(hù)的分區(qū)特性實(shí)現(xiàn)故障診斷。以金華換流站換流變本體閥側(cè)首端套管內(nèi)部故障為例，通過本文提出的診斷策略，有效實(shí)現(xiàn)了故障定位。

1 換流站保護(hù)分區(qū)特性

根據(jù)現(xiàn)有配置的換流站保護(hù)原則，主要?jiǎng)澐譃? 個(gè)區(qū)域：換流閥保護(hù)區(qū)域、極保護(hù)區(qū)域、雙極保護(hù)區(qū)域、直流濾波器保護(hù)區(qū)域、換流變保護(hù)區(qū)域、交流濾波器保護(hù)區(qū)域和交流場(chǎng)保護(hù)區(qū)域。以交流直流為界，將換流閥保護(hù)、極保護(hù)、雙極保護(hù)和直流濾波器保護(hù)歸為直流保護(hù)，換流變保護(hù)、交流濾波器保護(hù)和交流場(chǎng)保護(hù)歸為交流保護(hù)。

1.1 直流保護(hù)

保護(hù)區(qū)域是以CT（電流互感器）位置作為各保護(hù)范圍的界限的，CT 測(cè)點(diǎn)分布如圖1 所示。分別對(duì)金華換流站配置的保護(hù)及保護(hù)分區(qū)情況作了一個(gè)統(tǒng)計(jì)，如表1 所示。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，參照表1，根據(jù)保護(hù)動(dòng)作情況確定故障范圍。表1 中，被保護(hù)區(qū)域以黑線框出。

表1 直流保護(hù)的分區(qū)特性

1.2 交流保護(hù)

交流保護(hù)包括交流濾波器保護(hù)、換流變保護(hù)和交流場(chǎng)保護(hù)。交流場(chǎng)保護(hù)范圍包括母線、500 kV GIS 開關(guān)以及交流線路，對(duì)常規(guī)變電站故障診斷，文獻(xiàn)[5-6]中已經(jīng)研究得比較透徹，在此不做贅述。交流濾波器是換流站的無功設(shè)備，由電容器、電阻器以及電抗器組成，每個(gè)設(shè)備設(shè)立了單獨(dú)的保護(hù)，包括差動(dòng)保護(hù)、不平衡保護(hù)等，本文不作詳細(xì)介紹。

換流變是換流站的主設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率也比較高。換流變網(wǎng)側(cè)套管、閥側(cè)套管的故障概率較高，換流變保護(hù)的分區(qū)特性如表2 所示，表2 中保護(hù)范圍以虛線框出。

2 基于保護(hù)分區(qū)特性的故障診斷方法

換流站直流場(chǎng)區(qū)域采用敞開式的設(shè)備，所配保護(hù)也基本可定位到單個(gè)設(shè)備，因此直流場(chǎng)的設(shè)備故障定位可通過保護(hù)動(dòng)作情況確定故障范圍，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)故障現(xiàn)象來進(jìn)一步確定故障設(shè)備。

換流變配置了電氣量保護(hù)和非電氣量保護(hù)，當(dāng)換流變內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，僅僅依靠保護(hù)動(dòng)作情況可能無法進(jìn)行正確地診斷，需要結(jié)合一體化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的歷史油色譜數(shù)據(jù)來確定。

表2 換流變保護(hù)的分區(qū)特性

圖1 換流站CT 測(cè)點(diǎn)分布

以上2 類設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，故障現(xiàn)象較為明顯，故障診斷和定位也比較容易。換流站存在一類設(shè)備，其故障現(xiàn)象不明顯，不太容易進(jìn)行故障診斷，即套管類的故障，如換流變網(wǎng)側(cè)套管、換流變閥側(cè)套管以及直流穿墻套管。本文旨在對(duì)這3 類套管的故障實(shí)現(xiàn)快速診斷，通過對(duì)套管故障時(shí)保護(hù)的動(dòng)作情況進(jìn)行分析，將所有的保護(hù)動(dòng)作結(jié)果羅列，換流站工作人員就可直接根據(jù)保護(hù)動(dòng)作結(jié)果進(jìn)行匹配，從而直接實(shí)現(xiàn)故障定位。換流變網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)套管內(nèi)部均含有CT，以CT 為界，將其一分為二，套管故障分類及相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作情況如表3 所示，可直接根據(jù)表3 的保護(hù)動(dòng)作情況實(shí)現(xiàn)故障診斷。

表3 套管故障分類及保護(hù)動(dòng)作情況

3 故障診斷

以某換流站某日發(fā)生的換流變故障跳閘作為分析案例，采用本文提出的基于直流保護(hù)分區(qū)特性的故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)了故障診斷。

3.1 故障情況

3.1.1 主要事件記錄

發(fā)生故障跳閘后，保護(hù)動(dòng)作情況如表4 所示。

表4 主要事件記錄

3.1.2 保護(hù)動(dòng)作錄波分析

結(jié)合后臺(tái)事件，調(diào)取極保護(hù)和閥組保護(hù)的故障錄波，進(jìn)一步分析極保護(hù)和閥組保護(hù)的保護(hù)動(dòng)作信息，如圖2、圖3 所示。

圖2 故障閥組保護(hù)動(dòng)作故障錄波圖

圖3 極2 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作故障錄波圖

圖2 為故障錄波記錄的閥組保護(hù)動(dòng)作信息，DDD_II_diff 為閥組差流，DDC_I_ref 為閥組I 段保護(hù)定值。t1時(shí)刻09：32：35：902，閥組差流產(chǎn)生；4.3 ms 后，t2時(shí)刻差流大于I 段定值3 084 A；經(jīng)5 ms 延時(shí)，t3時(shí)刻閥組差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，執(zhí)行S 閉鎖；t4時(shí)刻跳交流進(jìn)線開關(guān)；t5時(shí)刻投旁通對(duì)；t6時(shí)刻閥點(diǎn)火停止。

圖3 為從故障錄波調(diào)取的極保護(hù)動(dòng)作信息，由圖3 可知，t1時(shí)刻，極母線電流IDL_I 和中性母線電流IDNE_I 發(fā)生變化，極差流PDP_A_I 產(chǎn)生；t2時(shí)刻極差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，執(zhí)行S 閉鎖。

因此，由故障錄波調(diào)取的極保護(hù)動(dòng)作信息和閥組保護(hù)動(dòng)作信息可知，故障發(fā)生后，閥組差動(dòng)保護(hù)和極差動(dòng)保護(hù)均動(dòng)作。

3.2 故障診斷

根據(jù)后臺(tái)事件記錄表和錄波分析的結(jié)果可知，當(dāng)故障發(fā)生后，換流變重瓦斯保護(hù)、極差動(dòng)保護(hù)和閥組差動(dòng)保護(hù)這3 個(gè)保護(hù)動(dòng)作，結(jié)合表1，可直接實(shí)現(xiàn)故障定位，即將故障定位至閥側(cè)套管CT 外側(cè)（靠近閥側(cè)），如圖4、圖5 所示。

3.3 解體驗(yàn)證

從解體后的接地法蘭內(nèi)部圖上可以看出，法蘭表面碳化燒蝕痕跡明顯，電容芯子環(huán)氧樹脂絕緣層燒蝕嚴(yán)重，如圖6 所示，該位置為閥側(cè)首端套管CT 靠近末屏側(cè)（閥側(cè)），由此可判斷法蘭處為接地故障位置，與本文結(jié)合分區(qū)特性實(shí)現(xiàn)的保護(hù)故障診斷結(jié)果一致。

4 結(jié)語(yǔ)

圖4 極2 低端換流變故障點(diǎn)及故障電流示意

圖5 換流變接地故障位置示意圖

圖6 故障換流變閥側(cè)首端套管法蘭處解體結(jié)果

換流站配置的保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)站內(nèi)的全部設(shè)備，各類保護(hù)具有明顯的分區(qū)特性。本文基于保護(hù)的分區(qū)特性實(shí)現(xiàn)了對(duì)某換流站某日發(fā)生的閉鎖故障進(jìn)行診斷，準(zhǔn)確地診斷出了極2 低端換流變A 相閥側(cè)套管CT 外側(cè)發(fā)生接地故障點(diǎn)，換流變的解體結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了本文診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)合保護(hù)分區(qū)特性實(shí)現(xiàn)的故障診斷也為解體分析和故障成因提供參考價(jià)值。因此，掌握換流站保護(hù)的分區(qū)特性，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的故障定位和故障診斷有著至關(guān)重要的作用。