宜宾站换流变压器阀侧电压测量故障分析及处理

孙文，禹佳，陈伟

(国家电网公司运行分公司宜宾管理处，四川宜宾644000)

宜宾站换流变压器阀侧电压测量故障分析及处理

孙文，禹佳，陈伟

(国家电网公司运行分公司宜宾管理处，四川宜宾644000)

宜宾站自调试起，多次出现换流变压器末屏电压测量故障。基于2015年7月1日换流变压器阀侧电压测量故障，在回路原理和等效电路的基础上，分析了末屏电压异常的原因，提出了多种解决末屏电压畸变的办法和措施。消除末屏电压发生谐振和畸变将有利于直流系统和保护设备运行的可靠性，对现有的直流工程中末屏电压测量出现回路的改造，以及未来直流工程中末屏电压互感器的设计，提供参考依据。

直流输电;换流变压器;末屏电压;畸变;电压互感器;铁磁谐振

0 引言

在高压直流输电系统中，换流变压器是最重要的设备之一，这是由于其处在交流电和直流电互相变换的核心位置以及在设备制造技术方面的复杂性和设备费用的昂贵等所决定的。作为直流输电换流站的主要设备，换流变压器承担换能的重要作用。对换流变压器电压进行在线监测，实时获得换流变压器的电压波形特征，是保证直流输电工程安全运行的重要手段。

近几年投运的特高压直流输电工程，如锦苏直流、宾金直流、复奉直流等都采用电容式套管，从电容式套管的末屏处抽取电压信号用于在线监测和录波以及中性点偏移保护。

1 故障简述

2015年7月1 日01时11分，宜宾站极Ⅱ高端阀组由充电转连接过程中，阀组A、B、C 3套保护同时发“YD换流变阀侧电压互感器A相故障”告警，现场万用表检查3套保护装置UVD电压分别为141.27 V、141.19 V、141.12 V，运行人员申请将极Ⅱ高端换流变压器转至检修状态。故障后宜宾管理处立即组织检修人员、国网四川省电力公司电力科学研究院、设备厂家开展现场分析处理工作。23时19分，宜宾站极Ⅱ高端换流器在线投入正常，主要事件列表如表1所示。

表1 主要事件记录

现场检测Y/D－A相换流变阀侧套管电容值C1、C2合格，SF6分解产物及微水含量正常，换流变压器离线油色谱检测正常，末屏二次回路及板卡检测正常。通过对故障录波分析，判断该次测量异常是由于系统扰动导致许继电压采集变换器内铁心饱和，于特定的情况下形成动态稳定的谐振现象，现场更换了极Ⅱ高端Y/D－A相换流变压器a套管末屏分压板，和与该板卡对应的A、B、C 3套测量接口屏内的电压采集变换模块。

更换后进行低压加压试验，控制保护系统及故障录波采样正常。

2 故障检查

2.1 现场检查

1)一次设备试验情况

①SF6气体相关检测

对极2高Y/D－A相换流变压器a套管SF6进行了微水、分解产物检测，检查结果正常，如表2、表3所示。

表2 SF6分解产物记录表

表3 SF6微水记录表

检测结束后对套管压力进行实测，测量结果为为3.8 bar，与上次实测结果相同。恢复现场密度继电器后，对接头进行检测，未见异常。

②本体油色谱分析

对本体取底部油样并开展离线油色谱分析，结果未见异常，详见表4。

③电气测试

表4 本体底部油样离线油色谱分析记录表

对极2高Y/D－A相换流变压器a套管进行了末屏绝缘，套管介损、电容测试，测试结果与2015年年度预防性试验对比无异常。

末屏绝缘测试结果为31.8 GΩ，满足绝缘要求。2015年年度预防性试验结果见图1。

图1 2015年年度预防性试验末屏绝缘测试结果

套管介损、电容测试采用正接法测试，测试结果见表5及图2。

表5 套管介损及电容量测试结果记录表

图2 2015年年度预防性试验套管介损及电容量测试结果

根据以上试验结果可以判断现场一次设备无异常。

2.2 二次回路检查情况

换流变压器阀侧末屏分压器采用电容分压原理，套管自身的电容C1和末屏电容C2与末屏分压器电容值进行匹配，得到二次控制保护系统所需的57.7 V额定电压，具体如图3所示。

图3 换流变压器阀侧套管末屏分压器原理图

换流变压器阀侧末屏分压器只有一路电压输出，在就地端子箱并接出三路电压分别到测量接口屏A、B、C，其中到B屏的电压回路又并接至故障录波屏，如图4所示。

图4 换流变压器阀侧套管末屏分压器接线图

现场对Y/D－A、Y/D－B相末屏分压器进行隔离检测，测量其自身的电容值和电阻值，并与备品进行比较，测量结果如表6所示。

表6 末屏分压器自身电容及电阻测量记录表安装位置

现场对电压采集变换模块进行了采样检测，模块采样未发现异常情况，试验记录如表7所示。

表7 电压采集变换模块采样检测记录表

现场在换流变压器阀侧进行低压加压试验，检查阀侧末屏电压值正确，波形正常无畸变(同时对Y/D换流变压器三相进行加压，三相波形一致)，如图5所示为阀侧加10 kV电压时手动触发的故障录波图。

图5 阀侧加10 kV电压时保护所录波形

综上所述，在单独对一次设备、二次设备进行检查性试验都没有发现任何异常情况。

3 故障原因分析

3.1 理论分析

换流变压器阀侧末屏电压测量环节基本原理如图6。

图6 末屏电压测量原理图

图中，Cth、Ctl为套管电容值，Cth=759 μF、Ctl= 4.6 nF。套管电容和C1、C2、C3共同构成末屏电压测量PT(电容分压器)，C1=0.681 μF(小)、C2= 47.5 nF(中)、C3=22.1 nF(大)，C1、C2、C3电容耐压250 V DC。

末屏电压PT的负载为XJ屏柜中的电压变送器。该电压变送器的原边是200 V，副边4 V，由于该电压变送器采用的是铁心变压器，存在饱和的可能性。当电压变送器运行于线性区时，电感稳定且较大，当电压变送器进入饱和后，从原边看，其等效电感值将减少。

末屏电压电容分压器带上负载后，由于负载为感性，ZL会增大。随着电压的升高，电压变送器逐渐进入饱和区，负载电感进一步减小，ZL会进一步增大。随着ZL的增大，电压变送器更加容易饱和。电感变化对ZL的影响见式(1)。

电压变送器工作于线性区时，电感较大且稳定;电压变送器一旦进入饱和区，电感减小，流过电压变送器的电流将大大增加，且电压变送器的恢复将十分困难。

3.2 现场原因分析

从原理电路图可以看出，末屏电压互感器采用电容分压。由于二次PT采用电磁式互感器，实际是一个电感，因此，等效电容和等效电感会在某个特定频率谐振，导致信号畸变，严重时测量电压会超出实际信号数倍，使二次PT铁心过流发热。

末屏电压互感器实际上就是一种特殊的电容式电压互感器(CVT)。一般国内厂家在设计和生产CVT时，都会考虑与次级电磁式PT配套使用时所产生的铁磁谐振问题。产品内部一般装设中压变压器，并装设有阻尼回路和补偿电抗器，阻尼回路用来抑制谐振，补偿电抗器用来补偿接入电感元件后的转换误差。即使CVT不接入二次PT，也不装设中压变压器，由于CVT自身电路存在的寄生电感、线路电感等感性元件，也存在谐振问题。

查看故障时刻录波，换流变压器网侧交流系统三相电压正常，Y/Y及Y/D换流变压器阀侧三相电压均出现短时畸变，持续时间约100 ms，之后除Y/ D A相故障持续外，其余五相均恢复正常，如图7、图8所示。在进行解锁阀组连接时，高端的阀组的星侧和角侧均出现超过200 V的电压，均超过了设计电压值，但由于产品个体的差异性，星侧变送器瞬间恢复，角侧变送器导致信号畸变。

图7 故障时刻换流变压器网侧交流侧电压

故障时刻网侧交流系统未发生明显扰动，初步排除交流系统干扰原因。阀侧星接、角接线换流变压器均出现短时扰动，结合当时事件记录判断在极Ⅱ高端阀组转连接时，阀侧一次设备有短时冲击。冲击过后Y/D A相换流变压器持续出现异常故障电压，Y/D B相、Y/D C相电压恢复正常，但角接绕组中阀侧无故障电流，判断故障原因为二次测量元件问题。

图8 故障时刻换流变压器阀侧交流侧电压、电流

在双极高端调试期间，YD换流变压器末屏分压器连接的许继电压采集变换模块就多次出现过饱和谐振现象，后在2015年3月年度检修期间在极Ⅰ、极Ⅱ高端阀组测量接口屏更换了Y/D换流变压器对应的电压采集变换模块，增加了模块的抗饱和能力，最大采样值由140 V改为200 V。

基于宜宾站调试期间发生过二次铁磁谐振的情况，在换流变压器充电或其他系统扰动情况导致阀侧电压异常偏高，超出控制保护测量模块的正常工作范围，造成测量元件铁磁饱和，饱和后的测量元件在特定的情况下与末屏分压回路形成动态稳定的谐振现象。分析认为许继电压采集变换模块上电压取量元件采用铁磁式结构是导致产生谐振现象的主要原因。

4 故障处理

为确保安全，更换了末屏分压器、电压采集变换模块，更换后再次进行低压加压实验。

1)更换末屏分压器、电压采集变换模块

现场更换了极Ⅱ高端Y/D－A相换流变压器a套管末屏分压器，同时更换了极Ⅱ高端测量接口屏A、B、C内的A相电压采集变换模块，见图9，更换后测量回路的绝缘电阻合格。

2)低压加压试验记录及波形

更换电压采集模块完成后，现场对阀侧进行低压加压试验，检查阀侧末屏电压值正确，波形正常无畸变，阀侧加10 kV电压时保护所录波形如图10所示。

图9 更换电压采集模块现场照片

图10 更换电压采集模块后阀侧加10 kV电压保护所录波形

5 总结

分析了许继电压采集变换模块上电压取量元件谐振，导致换流变压器阀侧电压测量异常事件，认为许继末屏电压互感器缺少必要的阻尼回路和补偿回路;当一次电压发生突变时，二次PT过励饱和、阻抗下降，等效电容和等效电感在某个特定频率发生谐振，导致信号畸变，严重时测量电压会超出正常电压数倍，使二次PT铁心过载发热，甚至烧毁，因此建议改进末屏分压回路设计，增加阻尼和补偿回路，并通过仿真以避免谐振现象的产生，保障直流系统的稳定运行。

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［7］齐旭，曾德文，史大军，等.特高压直流输电对系统安全稳定影响研究［J］.电网技术，2006，30(2):1－6.

Since the commissioning for Yibin converter station begins，several voltage measurement faults at bushing tap occur frequently.Based on the valve－side voltage measurement fault of converter transformer in 1st July，2015，the abnormal reasons for voltage at bushing tap are analyzed on the basis of circuit principle and equivalent circuit，and some methods and measures to solve the voltage distortion at bushing tap are put forward.Eliminating the voltage resonance and distortion at bushing tap will be conducive to the operation reliability of DC system and protection device，and it provides a reference for the transformation that the circuit occurs during voltage measurement at bushing tap in the existing HVDC project，as well as the design of voltage transformer at bushing tap for the future HVDC project.

HVDC transmission system;converter transformer;end shield voltage;distortion;voltage transformer;ferromagnetic resonance

TM721.1

A

1003－6954(2015)06－0051－05

孙文(1980)，工程师，研究方向为特高压直流输电技

2015－08－04)

禹佳(1983)，工程师，研究方向为特高压直流输电技术;

陈伟(1991)，助理工程师，研究方向为特高压直流输电技术。