摘要：本文针对±500kV富宁换流站直流极一由备用转闭锁过程中，出现换流变保护跳闸后进线中开关合闸导致换流变二次充电的情况，分析了本次跳闸的过程及保护动作情况，结合现场运行情况，指出了控制程序、选相合闸装置目前存在的问题，并提出了相关的改进措施及优化建议，对换流站的安全稳定运行提供参考。
关键词：直流控制系统；选相合闸；跳闸；闭锁
The Analysis and Optimizationof Secondary Charging after One Converter Transformer Tripping
Sichengzhi，Wanghaoming，Lizhangyong，Xingchao
1.Yunnan Power Grid Co of Wenshan Power Supply Bureau，Yunnan Wenshan 663000
2.Yunnan Electric Power Research Institute，Yunnan Kunming 650217
Abstract：This paper aims at the situation of the secondary charging of converter transformer caused by that after the converter transformer protection trip，converter transformers’s middle switch goes into closing from the standby status to the block status of the ±500kV Funing converter station’s dc pole 1.This article analyzes the process of this incident and the protection action situation，combined with the field operation situation and points out the existing problems of control program and the controlled switching device.And the relevant improvement measures and suggestions are proposed to provide reference for the safe and stable operation of the converter station.
Keywords：DCcontrol system；controlled switchingl；tripl；block
0 前言
换流站控制和保护系统是高压直流输电的核心，主要功能是对直流输电整体进行控制，根据当前的工作条件，稳定直流电压，并且改变电流，从而实现系统所需输送功率或输送电流的目的。在直流控制系统中的顺序控制是一种能按逻辑顺序完成一系列操作的自动控制功能[1]，是为换流站内相关电动开关、刀闸的分合操作及换流阀的解、闭锁操作提供的一种自动执行功能[2]。而在顺序控制中的开关分、合阶段，由于系统电压的相角通常都是随机和不确定的，采用选相合闸装置，通过相位控制技术尽量减小合闸时的涌流，然后采取逐相延迟合闸[3]，实现对操作过电压和涌流的有效抑制，减少保护的误动及对运行设备的损害。±500kV富宁换流站在一次顺序控制过程中，极一由备用状态转为闭锁状态，当合上换流变进线边开关对换流变充电时，极一换流变差动保护动作，换流变进线边开关跳闸后出现换流变进线中开关继续合闸导致换流变二次充电的情况。
1 故障情况及分析
1.1 故障前运行方式
直流极一处备用状态，直流极二处接地状态，第一大组交流滤波器、第二大组交流滤波器、第三大组交流滤波器、第四大组交流滤波器均在热备用状态；500kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ组母线运行；5112、5113极一换流变进线开关处热备用状态。
1.2 故障过程
基本过程为：按备用状态至闭锁状态的顺控操作顺序，5113边开关首先合闸，极一换流变带电，极一 Y/y换流变差动保护动作，5113边开关合闸约50ms后跳闸。
按顺控操作顺序，5113边开关跳闸后约850ms，控制系统继续合上5112中开关。5112中开关合闸导致极一换流变再次充电，持续537ms后5112中开关分闸。动作时序如图1所示。
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图1 动作时序图
1.3 故障分析
从换流变保护动作情况、极控动作情况、开关动作情况、选相合闸装置动作情况分别对故障进行分析。
1）换流变保护动作分析
保护中大差保护和大差增量差动保护动作波形如下图2所示。
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图2 换流变保护波形分析图
5113开关合闸后换流变压器C相差动电流基波稳态幅值迅速达到差动保护动作定值0.191A，最大幅值达到2.067A，满足差动保护动作条件。5113开关合闸对换流变充电后约35ms，换流变压器C相差动电流二次谐波含量衰减至9.8%，C相二次谐波闭锁失效；此时刻换流变压器A、B相差动电流二次谐波含量虽大于15%，但基波电流值均未达到二次谐波闭锁的起判值，所以换流变三相的二次谐波闭锁失效，换流变三相励磁涌流闭锁同时失效，满足换流变差动保护动作逻辑，导致换流变差动保护动作。
2）极控ESOF流程分析
极控ESOF的动作逻辑如图3所示：
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图3 极控ESOF逻辑图
极一换流变差动保护动作后通过硬接线方式将保护动作信号传至极一极控系统，极控收到“换流变保护跳闸”的开入后，按照极控程序逻辑，持续10s执行ESOF，ESOF出口后报送TFR、发送“本站ESOF”至对站、持续5S展宽启动返回备用的顺控命令等。
在持续5s展宽启动返回备用的顺控命令的过程中，极控系统将执行退出换流变冷却系统、分换流变进线开关等命令，并监视顺控流程是否已经返回备用状态，直至5s展宽脉冲结束，换流变分进线开关的指令在5s内都有效。
3）开关动作分析
边开关：5113开关保护在换流变保护动作后收到“三跳开入”命令，同时故障电流均达到了变化量启动电流定值和零序启动电流定值，保护装置满足“沟通三跳”和“三相跟跳动作”，跳开5113开关。
中开关：在最初执行备用至闭锁过程中，交流站控接收到极控发出的“合换流变进线开关”命令，由于交流站控合中开关200ms的延时及需要同期校验，导致存在延时情况，在5113开关跳闸后约880ms后才合上5112开关。此时刻极控ESOF后开出的返回备用命令在5S持续展宽有效范围内，极控检测到换流变进线开关闭合（5112开关合闸）后继续执行“闭锁至备用”命令，向交流站控下送“分换流变进线开关”的命令。交流站控经过测控装置下送5112开关分闸指令，选相合闸装置在收到测控装置分5112开关指令后执行分闸，最终出现5112先合后分的情况。
4）选相合闸装置分析
选相合闸装置的判据为：1、电源侧电压大于28.87V；2、系统频率允许偏差在定值范围内；3、受控侧无电压。
选相合闸装置仅在接受外部指令情况下才执行分合闸命令，经过分合闸校验成功后开关操作箱发分合闸命令。
5112开关选相合闸装置合闸数据如下表1。
表1 5112开关选相合闸装置数据表
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5113开关选相合闸装置合闸数据如下表2。
表2 5113开关选相合闸装置数据表
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经查现场选相合闸相角定值为A相90°、B相180°、C相180°，此值是经工程验证后的最优值，5113实际合闸时电压相角为A相79.5°、B相144.3°、C相153.3°；5112实际合闸时电压相角A相89.3°、B相155.9°、C相175.7°。为达到较好的合闸效果要求开关合闸精度为±9°的区间（此时开关合分闸时间偏差±0.5ms）。
5112和5113开关的合闸时间与原整定值有较大偏差，5112开关三相合闸时间偏差分别为：A相0.3ms、B相1.8ms、C相0.6ms，5113开关三相合闸时间偏差分别为：A相0.8ms、B相2.3ms、C相1.7ms。
从实测情况分析，实测合闸时间偏差在0.3-1.6ms之间，分闸时间在0-0.5ms之间，说明开关本身的合分闸时间存在一定的离散性。
因选相合闸装置的合分闸时间是以合分闸时录波相角进行推算，为带电状态的合分闸时间，所以选相装置的合分闸时间和停电状态实测值有偏差。
2 分析结果
开关实际合闸时电压相角与定值最大偏差36°，离散度过大。开关机械合闸时间的离散性将直接影响着选相合闸控制效果，离散度过大将使得选相合闸控制误差无法控制在合理范围内[4]。
换流变在进行充电后，差动电流的二次谐波含量存在衰减情况，三相的二次谐波闭锁、励磁涌流闭锁失效，换流变差动保护动作，输出跳闸信号。因为换流变是联系交直流系统的枢纽，除铁芯饱和[5-6]影响外，交、直流场滤波器的存在使得换流变合闸充电时涌流波形相对于常规变压器励磁涌流发生了一定的变化，二次谐波的特征可能存在衰减[7]，因而更容易出现差动保护动作的情况[8]。
通过检查设备接线、外观、换流变档位无异常，对换流变进行油色谱分析，在线油色谱、现场取样分析均未见异常，对5112、5113开关开展合闸电阻测试，也未见异常。受换流变剩磁和选相合闸相角偏离定值的影响，导致换流变空载充电时励磁涌流偏大，引起换流变差动动作跳闸。目前工程上实现准确确定变压器铁心中剩磁还具有困难，一般采样先做直流电阻测试，延长变压器剩磁能量释放时间的方式减小剩磁影响。但投换流变时有合闸相角的影响，通过控制合闸角的方法，即使确定了剩磁，也不一定能够精确地捕捉最佳合闸时间[9]，这仍然会诱发较大的励磁涌流。
控制系统自身存在采集周期，控制系统之间传输数据也存在延时，多重延时加上装置校验时间的叠加导致信息与指令存在滞后情况。
综合以上分析，换流变进线边开关合闸时选相合闸装置没有按照定值设定角度进行合闸，实际合闸时间与合闸定值存在较大偏移，换流变出现励磁涌流，同时二次谐波含量存在衰减情况，导致换流变差动保护动作；由于极控系统与交流站控间、交流站控与选相合闸装置、测控装置之间存在指令有效期的时间差异性与延时性，出现换流变跳闸后中开关合闸命令仍处于有效期，导致了换流变二次充电的发生。
3 优化措施
根据故障分析的结果，从顺序控制逻辑、选相合闸装置、换流变差动保护的角度提出优化建议。
1）以单母线的方式对换流变充电或将极控发交流站控的“合换流变进线开关”的命令只关联单一进线开关，如需连接双母线，则在冲击正常后再手动合上中开关。控制逻辑更改后不会出现换流变二次充电的情况。
2）在交流站控与极控之间增加硬接线，交流站控与极控通过硬接线交换数据，发生系统ESOF时将“极控ESOF”信号送交流站控，在延时200ms合换流变进线中开关的逻辑后增加“无极控ESOF”限制条件才执行合闸命令。具体逻辑如图4所示，从极控送至交流站控的ESOF信号可以是硬接点信号或报文信号。
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图4 控制程序优化逻辑图
交流站控收到任一极控系统发出的ESOF信号时，将会终止顺控合中开关。只有当两套极控系统都没有发出ESOF时，交流站控才能开出合中开关命令。
3）采取新方法对换流变压器涌流和故障情况进行判别，采用基于相电压和差动电流突变量时间差的差动保护新判据，为换流变空载合闸及区内故障提供差动保护制动判据[10]，逻辑判断流程如下图5所示。
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图5 逻辑判断流程
4）采用开关机械特性测试仪多次测试，得到确切的合闸时间及离散型情况，根据不同的负载特性，做相应的延时和调整[11]，作为选相合闸装置整定的依据，为选相合闸装置改进性能提供数据，在投运时进行调校；每次开关带电操作后，分析选相合闸装置录波数据，总结开关合分闸变化情况及参考相位的选取情况，必要时修改定值，保证断路器在过零点附近进行合闸。
5）在选相分合闸装置选相时，采用外部参量进行补偿。开关机构动作时间随着环境温度、操作电压、机构油压、SF6气压等参量的改变而略有变化，装置可以通过增配外部参量传感器监视外部参量实时值，并通过预置补偿曲线插值计算，得出开关动作时间在当前实时条件下因诸多参量变化所产生的偏差，减小离散特性的影响[12]，以实现对固有动作时间的预期修正。
4 结束语
本文针对换流变跳闸后出现二次充电情况，对直流控制系统、保护装置、选相合闸装置的动作情况进行了分析，在换流站顺序控制中，普遍存在控制系统与选相合闸装置共同对开关分合闸进行配合控制的情况，在控制回路及装置上存在优化、升级的空间，本文提出了顺序控制逻辑的优化方案、选相合闸装置的改进措施及换流变差动保护的优化建议，对换流站的安全稳定运行起到一定的借鉴作用。
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作者简介：
司成志（1990-），男，工程师，主要从事±500kV富宁换流站控制保护系统运维及研究工作。
汪昊铭（1987-），男，工程师，主要从事直流输电设备管理工作。
李章勇（1991-），男，助理工程师，主要从事±500kV富宁换流站控制保护设备运维工作。
邢超（1986-），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事直流输电方面研究工作（e-mail）。
论文作者:司成志1,汪昊铭1,李章勇1,邢超2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第21期
论文发表时间:2020/3/16
标签：装置论文; 动作论文; 情况论文; 时间论文; 相角论文; 差动论文; 谐波论文; 《电力设备》2019年第21期论文;