向家壩向上特高壓直流輸電工程換流變壓器充電失敗分析

向家壩向上特高壓直流輸電工程換流變壓器充電失敗分析

0極高端換流變壓器充電試驗在交換流量壓試中測試的設(shè)備主要包括交換流量壓敏器、相關(guān)極控制系統(tǒng)、交換裝置晶門管元監(jiān)控系統(tǒng)、裝置觸發(fā)系統(tǒng)和運營人員控制系統(tǒng)。因此,它是直流輸電系統(tǒng)帶電的一項重要的換流站調(diào)試試驗,圓滿完成該項試驗亦將為直流輸電工程端對端系統(tǒng)調(diào)試奠定重要基礎(chǔ)。2010年6月13日,向家壩—上海(簡稱向—上)特高壓直流輸電工程復(fù)龍換流站(簡稱復(fù)龍站)進(jìn)行了極Ⅰ高端換流變壓器充電試驗。在14:35和15:06進(jìn)行的前2次充電均告失敗,直流控制系統(tǒng)事件均報出多個晶閘管觸發(fā)監(jiān)測板(TFM)無回報信號,閥基電子設(shè)備(VBE)跳閘;在對TFM排查后,復(fù)龍站于15:21進(jìn)行極Ⅰ高端換流變壓器第3次充電,充電失敗,直流控制系統(tǒng)事件報出極Ⅰ和極Ⅱ閥內(nèi)水冷的主冷卻回路流量低,保護(hù)跳閘,安全穩(wěn)定裝置的A,B系統(tǒng)均動作,跳開瀘州—復(fù)龍(簡稱瀘—復(fù))三回500kV交流線路。本文針對復(fù)龍站極Ⅰ高端換流變壓器充電過程中的異常情況,基于晶閘管監(jiān)控系統(tǒng)、閥內(nèi)水冷主回路的水泵切換邏輯及換流變壓器充電過程中的勵磁涌流情況,詳細(xì)分析了換流變壓器3次充電失敗原因,并給出相應(yīng)建議,為直流工程運行和其他直流系統(tǒng)換流變壓器充電等站系統(tǒng)調(diào)試提供技術(shù)參考。1高端換流器前兩次充電失敗分析1.1tfm及相關(guān)設(shè)備檢查結(jié)果14:35時,極Ⅰ高端換流變壓器第1次充電失敗,直流控制系統(tǒng)事件報出“多個TFM沒有回報信號”,據(jù)此立即對相應(yīng)換流閥TFM及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)檢查,但未發(fā)現(xiàn)異常。15:06時,極Ⅰ高端換流變壓器第2次充電失敗,直流控制系統(tǒng)事件再次報出“多個TFM沒有回報信號”。經(jīng)過進(jìn)一步分析,認(rèn)為充電失敗很可能與換流閥在換流變壓器充電后,VBE立即啟動的閥預(yù)檢運行模式有關(guān)。1.2流量交換閥的主要工作原理1.2.1晶閘管監(jiān)測e和vbeVBE是一個基于微處理器的、冗余的免維護(hù)晶閘管閥觸發(fā)和監(jiān)控系統(tǒng),也是閥與其他控制和保護(hù)系統(tǒng)的一個接口。VBE的基本功能為:產(chǎn)生所有晶閘管的觸發(fā)脈沖;監(jiān)測晶閘管及其相關(guān)設(shè)備的狀態(tài);在反向恢復(fù)期保護(hù)晶閘管;產(chǎn)生閥電流過零關(guān)斷信號(EOC);執(zhí)行自檢等。VBE接收由極控制系統(tǒng)發(fā)來的觸發(fā)控制信號和由TFM發(fā)來的回報信號,并由VBE中的晶閘管控制和監(jiān)控單元(TCM)處理。TFM負(fù)責(zé)監(jiān)控晶閘管兩端的電壓并向VBE發(fā)出各自的回報信號。1.2.2晶閘斷裂器tfmVBE在預(yù)檢模式下可以檢驗閥阻斷能力和閥控制功能。當(dāng)VBE中的TCM接收到極控制系統(tǒng)發(fā)來的換流變壓器進(jìn)線斷路器閉合信號(即換流變壓器帶電),且無欠壓信號出現(xiàn)時,在一定延時后啟動預(yù)檢模式。在晶閘管不觸發(fā)的情況下,測試晶閘管的阻斷能力和TFM的性能。如果晶閘管、對應(yīng)的TFM和光纜正常,當(dāng)VBE發(fā)出查詢脈沖且晶閘管電壓達(dá)到TFM的正向或負(fù)向電壓門檻值時(向—上工程復(fù)龍側(cè)TFM電壓門檻值的廠家數(shù)據(jù)為120V±20V),則周期性地產(chǎn)生從TFM到VBE的回報脈沖,相關(guān)的光接收板接收TFM的回報信號,供TCM讀取。1.3閥控制系統(tǒng)預(yù)檢功能啟動延遲極Ⅰ高端換流變壓器前2次充電失敗,直流控制系統(tǒng)均報出有多個TFM沒有回報信號。經(jīng)過排查,確定TFM本身沒有故障,原因可能是在換流變壓器充電后最初一段時間內(nèi)晶閘管正向電壓沒有達(dá)到門檻值,即120V±20V。試驗錄波圖見圖1和圖2(整個過程完整錄波圖見附錄A圖A1和圖A2)。圖中,Uac為換流變壓器網(wǎng)側(cè)電壓,Iac,Y和Iac,D分別為二次側(cè)星形側(cè)和三角形側(cè)對應(yīng)的電流。1經(jīng)核實,向—上特高壓直流輸電工程復(fù)龍側(cè)換流變壓器進(jìn)線斷路器均裝設(shè)了合閘電阻而并未裝設(shè)選相合閘裝置。由圖1和圖2可見,2次充電的勵磁涌流峰值分別達(dá)到了3378.7A和3231.2A;換流母線交流電壓畸變較嚴(yán)重,正負(fù)半軸不對稱,電壓下降較為嚴(yán)重,最低時約下降到額定電壓的0.88。經(jīng)現(xiàn)場分析,在換流變壓器充電過程中,由于進(jìn)線斷路器合閘電阻沒有正常投入或投入時間不夠,導(dǎo)致?lián)Q流變壓器充電過程中產(chǎn)生較大的勵磁涌流[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20],且因送端系統(tǒng)較弱,導(dǎo)致?lián)Q流母線交流電壓畸變、下降嚴(yán)重,當(dāng)VBE接收到極控制系統(tǒng)發(fā)來的換流變壓器進(jìn)線斷路器閉合信號(即換流變壓器帶電),延時200ms后啟動預(yù)檢功能。此時,由于交流電壓畸變、下降嚴(yán)重,致使晶閘管兩端電壓降低且波動較大,未達(dá)到TFM的正向電壓門檻值,故當(dāng)VBE發(fā)出查詢脈沖后,因無法收到TFM的回報信號,VBE誤判晶閘管故障而發(fā)出換流變壓器進(jìn)線斷路器跳閘信號,導(dǎo)致?lián)Q流變壓器充電失敗。針對這一情況,將閥控系統(tǒng)預(yù)檢功能啟動延時由200ms改為1s,待晶閘管兩端電壓穩(wěn)定后再啟動此項功能。修改延時后,上述問題得到解決。2高端換流器第三次充電失敗分析2.1主冷卻回路失敗15:21時,復(fù)龍站極Ⅰ高端換流變壓器第3次充電失敗,直流控制系統(tǒng)事件顯示“閥冷卻的主冷卻回路流量低”。同時,極Ⅰ高端閥組跳閘,極Ⅱ低端閥組跳閘,安全穩(wěn)定裝置的A,B系統(tǒng)均動作,瀘—復(fù)三回線均跳閘。2.2閥冷卻回路主水泵切換原理經(jīng)深入分析,此次換流變壓器充電失敗起因仍然是換流變壓器充電過程中勵磁涌流過大。由錄波圖3(整個過程的完整錄波圖見附錄A圖A3)可知,Y,y和Y,d換流變壓器組中各有一相勵磁涌流較高且衰減很慢,引起換流母線交流電壓畸變,導(dǎo)致站用電源長時間畸變且幅值下降(最低約為額定電壓的0.89),在此過程中,電源電壓下降致使水冷系統(tǒng)的水泵電機(jī)過流(根據(jù)現(xiàn)場儀器記錄,此電流由正常的130A增大到了250A),從而導(dǎo)致水冷系統(tǒng)主水泵切換;當(dāng)主水泵切除后,備用水泵才投入運行。由于水泵切換時間較長,且備用泵啟動速度較慢,致使切換過程中閥冷卻主回路中的水流量下降,超出設(shè)定值(目前,流量低保護(hù)定值為35L/s,0.5s時跳閘),流量低保護(hù)跳閘閉鎖極Ⅱ低端系統(tǒng)。安全穩(wěn)定裝置檢測到換流器閉鎖,動作跳開瀘—復(fù)三回500kV交流線路(3回進(jìn)線均跳閘),致使極Ⅰ高端換流變壓器跳閘,導(dǎo)致復(fù)龍站全站失去站用電,引起站用電自動切換到站外110kV電源。另外,在系統(tǒng)調(diào)試前單獨做過的閥冷卻回路主水泵失電切換試驗中,在極Ⅰ低端、極Ⅱ低端投運的情況下,主水泵失電自動切換均不成功,會造成直流系統(tǒng)停運。由此表明,復(fù)龍站閥冷卻主回路的主水泵本身及切換邏輯存在隱患。一方面,主水泵電機(jī)及變頻器本身抗干擾能力差,當(dāng)交流電壓幅值波動下降時,會造成電機(jī)工作異常而切換,即使能夠切換成功,投入的備用水泵同樣會因為交流電壓異常而跳閘;另一方面,主水泵和備用水泵切換時間過長,配合不當(dāng),也會造成冷卻水流量降低而導(dǎo)致?lián)Q流器冷卻水的流量低保護(hù)動作而閉鎖換流器。針對這一問題,提出如下修改建議:首先增加閥冷卻主水泵及變頻器在電壓短時異常情況下的抗干擾措施,使得在電壓畸變或降低的情況下水泵不會異常切換,且能夠滿足冷卻要求;另外,減少主、備用水泵切換的時間間隔,縮短備用水泵啟動時間,確保在冷卻水流量下降到設(shè)定值之前使備用水泵能夠正常運行。3極停機(jī)效果17:33時,復(fù)龍站進(jìn)行極Ⅰ高端換流變壓器第4次充電,試驗成功。錄波圖如圖4所示(整個過程的完整錄波圖見附錄A圖A4),此時勵磁涌流峰值為360.5A,交流電壓畸變情況也大大改善。由此說明,極Ⅱ停運對于極Ⅰ高端換