换流阀三角侧零序环流对阀短路保护的影响

换流阀三角侧零序环流对阀短路保护的影响

0药物和硬件在运行葛南直流的安全上出现严重问题葛洲水库至大桥500kv直接供电水系是我国第一个大型直接供电工程，拥有12000米的输送能力和1046公里的输电线。该工程分别于1989年和1990年投入运行。经过十多年的运行,取得了很多丰富、宝贵的经验,同时也暴露出很多问题,其中很大一部分问题是由于公司为了降低成本,硬件和软件都尽可能地降低了技术规范和性能,超过保证期后,承包商就完全不负责,给葛南直流的安全稳定运行带来了隐患。葛洲坝站双极的D桥差动IV段保护2006年曾2次误动作出口,导致双极停运,系统闭锁,其原因和三角形侧零序环流及硬件配置有关,下面根据现场实际数据分析D桥差误动的原因。1次有效液压板设备检查故障1:2006年3月9日22:30,葛洲坝换流站双极直流停电检修工作结束后在进行极I换流变充电的过程中,极I直流系统换流阀保护(D桥差动保护IV段)动作,跳开500kV交流场充电开关,极I换流变充电不成功。极I转至冷备用状态,在充电同时发现极I换流变B相油箱顶部出现瞬时弧光,但无剧烈声响。随后进行了如下检查和试验:极I换流变本体外观检查、三相油试验、三相D绕组套管绝缘试验、铁心及夹件绝缘检查、套管CT二次回路的绝缘及接线检查、极I阀本体外观检查、极I阀避雷器动作情况检查、保护装置检查及二次回路注流试验,但均未发现异常。经确认一次设备以及保护装置没有问题后,于2006年3月10日17:32,再次空充换流变,此次空充成功,保护没有动作。该次故障发生后,厂家修改了保护判据,但是仍然没有防止下面故障的发生。故障2:2006年6月21日,宜昌地区出现强对流天气,雷电、暴雨。22:21时,500kV交流场葛双II回线出现A相瞬时性接地故障,同时葛洲坝站双极的D桥差动IV段保护误动作出口,导致双极停运,系统闭锁。葛双II回线故障后单相重合闸成功,现场检查一次设备未发现异常,检查二次设备、交直流控制保护、阀厅一、二次设备均无异常。6月22日01:44,正常充电极I换流变;02:11,正常充电极II换流变;02:49,正常启动双极直流系统,满负荷运行。2错误分析2.1阀短路保护动作特性两套直流控制保护系统中,换流变阀角接侧的CT均为0.5FS5型(T32),这种互感器在系统发生过电流时其铁心能及时饱和,使二次电流不再随一次电流增大而增大,以保护接入互感器的设备的安全,然而这种CT并不具有良好的暂态特性,因此并不适合用来测量故障电流,这显然是设计上的疏忽。由于更换其CT套管实施难度大,计划在葛南直流搬移到四川德阳的过程中,再进行具体的改进措施研究。然而,在换流变阀角接侧用于换流变保护和录波的CT则是TPY型(T31),在磁化特性规定的限制范围内,二次回路能够准确地重现与一次电流成比例的交流分量与直流分量。因此可以对比这两种CT的测量结果以研究三角形侧零序环流对阀短路保护的影响。阀短路保护包含Y/D桥差动保护(主保护)和Y/D桥过电流保护(后备保护)。Y/D桥差动保护是保护换流变阀侧及换流阀桥臂的关键装置,其灵敏度和动作速度将直接影响被保护设备的故障损坏程度。图1为阀短路保护示意图,图1中是换流变阀星侧三相绕组电流是换流变阀角侧三相绕组电流,IdYC是极母线阀端电流。阀短路保护的范围即为这些CT所包含的区域。Y桥差动保护动作特性如下IacY-IdYC>max(600A,0.2×IacY),延时0ms动作;D桥差动保护动作特性如下(仅列出IV段)IV段:IacD-IdYC>max(600A,0.2×IacD),延时0ms动作,保护启动15ms后需满足Uac>367.5kV(0.7p.u.),Uac为500kV交流母线A、C线电压。IV段的思想是CT三相暂态特性不一致需要一定的时间,不会在交流接地故障一开始就出现三相暂态特性不一致,因此在这一段时间内出现差流,可以判断为故障,这样即使区内故障同时对电压有影响时IV段也可以动作。15ms的保护开放时间是厂家根据区外单相接地短路试验的结果来确定的。2.2虚假差流产生的原因是IacD-IdYC,IzdD是max(600A,0.2×IacD)。保护在81.7ms时充电,此时换流阀尚处于闭锁状态,IdYC一直为0,那么差流只有可能来自于IacD。图2为故障1时D桥差动保护动作特性图。从图2可以看出,差流大于制动电流满足D桥差动判据,保护动作。通过故障录波装置记录到的波形与保护装置记录到的波形相同,可以断定保护装置感受到电流就是CT二次侧的电流,保护装置不存在问题。因为没有负荷,换流阀三角形侧只有零序环流,是在该零序环流的影响下产生了虚假差流IcdD。图3(a)、(b)、(c)分别为的波形,换流变阀角接侧2种CT(T31和T32)所采样的同一个电量值均绘制在一个子图中。其中来自于T31(TPY型)的电量在变量名后加上后缀1,用实线表示;来自于T32(0.5FS5型)的电量在变量名后加上后缀2,用断线表示。从图3可以看出,角接绕组内有环流,并且该环流含有较大的直流分量,见图4。这是由空投换流变的励磁涌流所产生的。由T31测量的三角形内的环流三相完全相同且与交流侧的零序电流相对应(不同是由于CT极性、换流变变比、CT变比产生),因此推断T31测量反应的是实际一次设备的电流(部分直流分量不可能完全传变,但这个影响可以不考虑),而且一次设备也不存在故障。因此故障1时虚假差流产生的原因只能是T32特性以及二次回路的问题造成的。由T32测量的三角形内的环流,B、C相完全相同且和T31测量的环流相同,而A相发生了饱和,使D桥差动感受由A相电流与其它电流不相等引起的虚假差流。因此,故障1的误动原因是:零序环流中的直流分量会引起FS型CT传遍特性变差,致各相测量不一致,从而使保护检测到错误的差流,严重时使保护动作。极I换流变B相油箱顶部出现瞬时弧光原因在于:由于换流阀三角形侧有零序环流,使阀三角形侧B相套管对地电势叠加上由零序环流产生的电势,当其电场强度达到足够大时,会出现对空气介质的绝缘击穿,从而出现放电现象。故障1第2次空投换流变虽然保护没有再动作,但是录波数据再次验证了前面的论述。图5(a)是T31测量的零序环流,图5(b)为该零序环流的直流分量,可以看出,第2次空投时较小的零序环流和直流分量是这次空投得以成功的原因。2.3虚假差流的原因分析极1和极2D桥IV段误动的原因相同,在此以极1为例加以说明。根据现场的情况,判断D桥IV段桥差保护可能动作的原因有:①阀存在故障;②软件存在错误;③由于CT暂态特性的原因,在交流接地故障开始的15ms内就出现了三相暂态特性不一致,产生了超过定值的差流致使保护动作。经运行人员和厂家技术人员检查后确定为原因3。从图6可以看出,差流大于制动电流该虚假差流产生的原因依然在于角接绕组内的零序环流。图7(a)分析了D桥阀电流的变化情况,图7(b)是相应的D桥差动的动作特性图。可以看出,故障前,IacY、IacD和IdYC重合,差流为0;葛双II回线出现A相瞬时性接地故障后,IacY依然和IdYC重合,Y桥差动电流为很小的不平衡电流;而角接绕组内的直流分量使FS型CT传变特性变差,导致各相测量不一致,使IacD和IdYC有了较大偏差,出现虚假差流,故障后5.64ms后D桥IV段判据满足,保护误动作。厂家也考虑到了区外故障时D桥差动因CT饱和误动的可能性,因此增加了低电压闭锁判据,然而该低电压闭锁判据没能阻止故障2的发生。因为在低电压判据生效前,有15ms的保护开放时间,而故障后5.64ms因CT饱和产生的虚假差流就大于制动电流了,因此根据一次人工接地短路试验结果确定的CT饱和时间是没有意义的,CT饱和的时间和故障性质、故障时间、剩磁等多种因素有关,根据文,一般要求CT饱和时间最小在5ms左右,因此开放15ms的保护时间是缺乏根据的。3处理方法故障1后增加了下列整改措施:3.1ct串联保护系统增大二次电缆的截面,零序回路不共用,且减少零序回路不必要的负载;将T32(FS)与T33(FS)串联给控制保护系统使用。然而,这两个CT串联的效果并不理想,没有防止故障2时CT饱和引起的误动,毕竟串联后合成的性能也需要实际的校核。T32与T33串联后的特性存在未知数,存在不能彻底从根源上解决问题的可能性,而且两个系统的特性不一致,需要更改二次回路。3.2空投换流变的ct饱和判据在换流桥解锁前,闭锁桥差保护,而靠换流变保护来保护此时的故障的方法是不可取的。因为即使在换流桥解锁前,也不能排除发生阀的短路故障的可能性,这时仅靠换流变保护是无法保证动作的可靠性,更不能保证其快速性。那么增加空投换流变时CT饱和的判据是否可行呢?即当空投换流变时,只在空投的前一段时间开放桥差保护IV段,过了这段时间后闭锁桥差保护,直至空投结束。其根据是CT发生饱和是需要时间的,在初始时间CT都可以正确传变,是否有故障就利用这一段时间来判断。过了这一段时间CT有可能发生饱和,为了避免发生保护误动,将其闭锁。闭锁期间的故障由其它段来保护。然而,该判据没能防止故障2的发生,原因在于不仅仅是空投换流变时阀角侧有零序环流,而且在区外故障等其他情况下也会产生零序环流,从而没有在根本上解决问题。3.3tpod型ctTPY型CT是带气隙的保护用CT。气隙可以减少剩磁,使其有良好的暂态特性。在磁化特性规定的限制范围内,二次回路能够准确地重现与一次电流成比例的交流分量与直流分量。因此,若将直流控制保护系统与换流变保护系统共用一个TPY型CT,则可以解决饱和问题。然而,该TPY型CT同时接入直流控制保护系统与换流变保护系统,万一该CT有问题,将导致直流控制保护与换流变保护均误动;另外,以后年度检修该CT或临时检修该CT时,需要将换流变和阀厅都停电,给现场检修和保护消缺工作带来了一定程度的困难,因此,该方案没有采纳。3.4线性区与ct传变的关系对比图6、7可以看出,当D桥阀电流瞬时值位于最大值附近时,D桥差流也接近最大值,对应的二次电流幅值很小;当D桥阀电流从最大值点回归到过零点附近时,CT传变也逐渐回归线性区,对应二次电流增加,励磁电流降低;当D桥阀电流瞬时值完全位于线性区时,励磁电流接近0,此时一、二次电流重新达到基本吻合的状态;当D桥阀电流瞬时值重新增加到饱和点之上后,励磁电流重新增加,而对应的二次电流又开始背离一次电流,呈现递减的趋势,因此虚假差流呈现出脉动的趋势。从图4可看出,虚假差流大于制动电流的连续时段达到了7.2ms。为进一步增强桥差I段抗饱和的能力,厂家将D桥差I段延时从10ms改为20ms。3.5零序电压封闭D桥差动IV段满足下列条件则闭锁差动IV段:500kV交流母线零序电压U0>26.25kV(0.05p.u.),并且保持1ms,以躲开可能存在的零序电压扰动。因为增加了零压闭锁判据,所以将D桥差动IV段延时改为4ms动作。零序电压闭锁判据可以非常灵敏地反应交流母线侧的接地故障,从而有效地防止D桥差动误动,见图8,在故障发生0.4ms后就有U0>26.25kV,1ms后即闭锁D桥差动IV段。一旦零压闭锁信号置位,则零压闭锁信号可保持30ms才返回,以可靠防止IV段误动。3.6比率制动理论从图2、6可以看出,D桥差动的制动电流并没有随着IacD的增大而增大,那么将比率制动的系数从0.2变为较大的数是否能够防止D桥差动误动呢?比率制动原理的特点是动作电流随外部短路电流的变化而同时变化,外部短路电流越大,制动量也越大,因此对区外故障引起的CT饱和有一定的制动作用。然而,在CT极度饱和的情况下,仅依靠比率制动往往不能避免保护的误动作。将比率制动的系数改为0.5,相应的D桥差动的动作特性见图9,故障后6.08ms后D桥IV段判据满足,保护仍然会误动作。3.7ct饱和时二次电流动电流的变化当发生转换性故障时,无论是低电压闭锁判据还是零序电压闭锁判据都有可能闭锁D桥差IV段,D桥差其他段保护则需躲开脉动虚假差流来切除故障(延时20ms),那么这并不符合保护速动性的要求,因而需要寻求差动保护闭锁快速解除的新判据。文提出:当零序环流中非周期分量等原因造成CT饱和时,饱和CT的二次电流变化趋势始终和虚假的差动电流变化趋势相反,即did/diR=[|icd_d(n)|-|icd_d(n-1)|]/[|iacd(n)|-|iacd(n-1)|]<0