超高压串补测量系统接触类故障深入性研究 *
In-depth Study on the Contact Fault of Ultra-high Voltage SC Measurement System
收稿日期: 2020-05-18 修回日期: 2020-07-24 网络出版日期: 2020-12-25
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Received: 2020-05-18 Revised: 2020-07-24 Online: 2020-12-25
作者简介 About authors
祁宝才,男,1984年生。主要研究方向为电力系统继电保护和设备检修技术。E-mail:
李永滨,男,1988年生。主要研究方向为电力设备检修技术。E-mail:
马顺绪,男,1982年生,工程师。主要研究方向为电力设备检修技术。E-mail:
李斌,男,1970年生,工程师。主要研究方向为电力设备检修技术。E-mail:
喻劲松,男,1972年生,硕士,高级工程师。主要研究方向为柔性交流输电设备。E-mail:
答科超,男,1987年生,工程师。主要研究方向为柔性交流电力设控保系统备硬件研发。E-mail:
在继电保护领域中,测量系统电气二次回路接触类问题是导致设备故障的一个主要因素,面对这类问题电力系统一线检修工作者大多通过表象和经验推断出结论,然后进行回路排查,直至问题解决。这种工作模式虽然也可以解决实际问题,但缺乏对回路接触不良问题具体的现象归纳、原因分析、试验验证以及故障排查效果的后继跟踪,只能做到一事一议。结合国内某超高压串补平台上测量系统一个接触类故障处理的全过程,深入分析和研究非典型接触性故障的根源。通过对非典型接触类故障处理全过程的分析和总结,有助于提高串补整体的运维检修技术。将该研究成果推广应用到电力系统继电保护领域运维检修工作中,可以直接提高运维检修工作效率,乃至区域电网的安全稳定运行水平。
关键词:
In the field of relay protection, the contact problem of the electrical secondary circuit of the measurement system is a major factor leading to equipment failure. In the face of such problems, most of the first-line maintenance workers of the power system infer this conclusion through appearance and experience, and then conduct circuit inspection until the problem is solved. Although this working mode can solve practical problems, it lacks specific phenomenon induction, cause analysis, test verification, and follow-up tracking of the process result of poor contact problems, which can only discuss one thing at a time. Combining the whole process of one contact fault repair of the measurement system on ultra-high voltage series compensation(SC) platform in China, deeply analyze and study the root cause of the atypical contact fault. Through the analysis and summary of the atypical contact fault, it helps to improve the operation and maintenance technology of SC. Moreover, the research results show that it can also be applied to the relay protection operation and maintenance work in the field of power system relay protection, which directly improve the operation and maintenance work efficiency and even the safe and stable operation level of the regional power grid.
Keywords:
本文引用格式
祁宝才, 李永滨, 马顺绪, 李斌, 喻劲松, 答科超.
QI Baocai, LI Yongbin, MA Shunxu, LI Bin, YU Jinsong, DA Kechao.
1 引言
串联电容器补偿技术是将电容器组串联于交流输电线路中,用于补偿输电线路的感性阻抗,提高线路功率极限和电力系统稳定性。按照补偿阻抗的固定不变和可以调节,串联电容器补偿装置(以下简称“串补”)可分为固定串补和可控串补。早期在我国推广应用的国外串补投运距今已近20年,第一套拥有自主知识产权的国产串补投运至今也有16年,总结数十年来的串补检修经验可知其典型故障主要包括电容器单元漏油和烧毁、金属氧化物限压器(Mental-oxide varistor,MOV)压力释放和爆裂、控保系统尤其是平台上弱电设备硬件板卡故障等几个方面。近几年通过对这些典型故障的分析和总结,使得串补的检修技术得到了很大的提高。然而也有部分方面由于缺乏对问题具体的现象归纳、原因分析、试验验证以及故障排查效果的后继跟踪,加上串补的分设备组成相对复杂,在发生非典型类故障偶时,这类故障分析难度大,处理周期长,依然成为制约串补可用率的瓶颈。本文针对国内某超高压串补发生的一起绝缘平台上测量系统非典型类接触性故障进行了详细的研究和分析,并对此类接触性故障排查提出了普遍性处理建议。
2 串补原理和平台测量系统设计
2.1 串补基本原理
串补是将电容器组串联于交流输电线路中,用于补偿交流输电线路自身的线路感抗,从而缩短输电线路的等效电气距离。其等效电气原理如图1 所示。
图1
串补对超高压输电线路静态稳定输送功率的影响可用式(1)表示
式中,UA、UB为线路两端的电源电压;ϕA、ϕB为线路两端电源电压的相位;X为线路阻抗;XC为串补的容抗。故可知在相角差(ϕA-ϕB)相同的情况下加装串补后的稳定输送功率较原来增加了$\frac{1}{1-{{X}_{C}}/X}$[1]。
串补装置由电容器组、MOV、火花间隙(GAP)、阻尼装置、旁路开关等核心设备组成。其中MOV是电容器组过电压主保护;GAP是防止MOV过负荷的后备保护;旁路开关则用于旁路GAP帮助其 息弧[2]。
2.2 串补平台测量系统基本设计
平台测量系统用于采集串补运行时的线路电流、电容器组电流、MOV电流、GAP电流、平台闪络电流等电流模拟量信息,并将所测得的数据传送给地面的控制保护系统,实现对串补运行状态的监控和保护。它与串补一次设备一起紧凑地安装在超高压串补平台上,由于平台面积有限,因此它和一次设备距离较近。在系统故障的暂态过程中它周围出现的暂态电流可达数十千安,可见平台测量系统所处电磁环境极为恶劣。因此其可靠性设计中最核心的部分就是抗电磁干扰(Electromagnetic interference,EMI)设计。
2.2.1 平台测量系统滤波器设计
平台测量系统信号电源回路EMI滤波器可有效抑制电网噪声,特别是瞬态噪声干扰,提高系统的抗干扰能力。其最重要的技术参数就是插入损耗AdB,指功率方面的损失,用分贝dB表示,分贝值越大,说明抑制干扰的能力越强[3]。AdB是评价EMI滤波器性能优劣的主要指标,设滤波器插入前后传输到负载上的噪声功率分别为P1、P2插入损耗,假定负载阻抗Z在插入前后始终保持不变,则有公式如下
式(2)~(4)中V1是噪声源直接加到负载上的电压,V2是插入EMI滤波器后负载上的噪声电压,且V2V1,代入式(2)中得
串补平台测量系统信号电源回路EMI滤波器插入损耗如表1所示。
表1 电源回路EMI滤波器插入损耗值
| 序号 | 频率/MHz | 共模(CM)/差模(DM) |
|---|---|---|
| 1 | 0.01 | 6/8 |
| 2 | 0.05 | 13/15 |
| 3 | 0.10 | 18/29 |
| 4 | 0.15 | 30/41 |
| 5 | 0.50 | 57/68 |
| 6 | 1 | 70/74 |
| 7 | 5 | 70/72 |
| 8 | 10 | 65/65 |
| 9 | 20 | 63/66 |
| 10 | 30 | 60/66 |
平台测量系统电流信号测量回路EMI滤波器为二阶低通滤波器。其差模干扰抑制特性为截止频率大约为1.7 MHz,10 MHz信号被衰减到1%,100 MHz信号被衰减到0.01%[4]。
2.2.2 平台测量系统电磁屏蔽效能
屏蔽是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传输的一种措施,可有效地抑制干扰并提高设备的电磁兼容性。屏蔽效能是无屏蔽体时空间某点的电场(磁场)强度与有屏蔽体时该点电场(磁场)强度的比值(一般用分贝表示),也反映了屏蔽体对外界电磁场强度衰减的程度。
为确保平台测量系统能够安全可靠地运行,对其采用了多层屏蔽体措施,即平台测量系统的电子电路位于多个屏蔽体内,下面就以平台测量系统金属箱体为例评估其电磁屏蔽效能。
平台测量系统箱体金属外壳的电磁屏蔽效能SEdB如式(6)所示
式中,AdB为吸收损耗;RdB为反射损耗;BdB为多次反射修正系数。箱体金属外壳的吸收损耗AdB如式(7)所示
式中,频率采用工频,即f=50 Hz,金属外壳厚度t=2 mm,相对磁导率ur=5 000,相对电导率σr=0.173,可计算得箱体金属外壳的吸收损耗为54.6 dB。
平台测量系统工作区域为近场区。近区主要为电场的反射损耗,相应的反射损耗可按式(8)计算
式中,r = 0.35 m,则${{R}_{dBE}}$=235.5 dB。
近区主要为磁场的反射损耗,相应的反射损耗可按式(9)计算
按工频f =50 Hz考虑,设定干扰源为低阻抗场,距离平台测量系统r = 0.35 m,则${{R}_{dBE}}$=67 dB。
当金属外壳较厚或频率较高时,导体吸收损耗大,多次反射极其微弱。根据实际应用经验,一般当${{A}_{dB}}$>10 dB时,多次反射修正系数可忽略。${{A}_{dB}}$<10 dB时,需要计算多次反射修正系数[5]。
综上,平台测量系统金属外壳的电磁屏蔽效能根据式(6)可得121 dB,显然金属外壳的总体屏蔽效能是满足平台上弱电设备高电压、大电流暂态工况下的电磁兼容(Electromagnetic compatibilty,EMC)要求。虽然基于上述设计的串补平台测量系统的可靠性和稳定性已经满足工程用用需求,但通过总结国内近百套串补20多年的运维检修经验可知,如果平台测量系统异常,相对而言依旧是板卡故障率较高。
3 故障处理
3.1 故障初次分析处理
3.1.1 初次故障状态分析
2019年国内某在运串补控制保护B系统(以下简称“B系统”)发出报警,并启动故障录波。具体报警信息为:数据汇总单元上报“C相采样数据校验异常”的SOE信息。现场故障录波系统所记录的暂态录波如图2所示。
图2
从图2中可看到B系统采集的三相线路电流和电容器电流数据均出现异常,正常情况下这一时刻的三相线路电流和电容器电流应为1 238 A左右的正弦波信号。图2中初始波形正常,随后却呈现出不规则矩形波。初步分析这是因为B系统保护装置的数据汇总单元检验到其所接收的C相平台测量系统采样数据校验异常,于是会将汇总了A、B、C三相采样数据的数据包校验码置错[6]。因此当保护装置内其他单元在数据总线上收到这包数据时就可以辨析出这包数据为异常状态,并依据各自的功能设定进行不同的处理如:故障录波单元会放弃这包数据而是采用上一包校验正确的数据替代这包数据,当其持续收到异常数据包,就会持续使用此前校验正常的数据包替代,于是出现的这类不规则矩形波。而保护单元发现采样数据校验异常后则会闭锁保护功能,并发出报警信号。
3.1.2 初次故障处理
更换该平台AD板后,在C相平台测量B系统所有采集通道上注入电流量约半小时,并从变电站后台监控系统检查了所有采集通道的电流情况,包括线路电流通道均正常,且不再上报“C相采样数据校验异常”。
故障处理结束后串补由检修状态转热备用,从变电站后台监控系统可看到保护A系统三相线路电流采样值为730 A左右,如图3所示。
图3
但保护B系统A相、B相线路电流采样值为734 A左右,C相线路电流采样值却为2 A左右,且上报“C相线路电流CT断线”的报警信息,但不再上报“C相采样数据校验异常”录波如图4所示。
图4
至此保护B系统C相线路电流异常现象初次处理仅解决了“C相采样数据校验异常”问题。同时又出现了B系统采集到的C相线路电流不准确问题,即采集到的数据校验没问题,但出现采集到的数据不准确,几乎为零的问题。
3.2 故障第二次分析处理
3.2.1 二次故障状态分析
初次故障处理失败后,串补再次由热备用状态转检修状态后,检修人员针对C相平台测量箱B系统线路电流采样值不准确问题进行了以下排查 工作。
热备用状态下:将保护B系统数据汇总单元中B相(正常相)和C相(异常相)的“数据”、“同步”光纤互换位置后,现象为A相、C相线路电流采样值为730 A左右,B相线路电流采样值为30 A,且不稳定,即异常现象由C相转移到B相。故将问题定位在C相平台线路电流CT至平台测量箱间的连线、平台测量箱内部元件及平台测量箱至串补保护装置中的数据汇总单元连接光纤三个环节上[9]。具体排查分析情况如下。
检修状态下:用光源和光功率计对保护B系统C相平台测量箱与保护装置数据汇总单元的连接光纤进行测试,三根光纤的插损分别为-1.6 dB、-0.8 dB、0.6 dB,均在合格范围内,排除了光纤异常的可能性。
检修状态下,对C相平台线路CT和取能CT进行一次通流试验,试验期间平台电源电压5.9 V左右,在正常工作范围以内(正常范围为5.6~6.5 V)。同时保护A系统和保护B系统后台显示C相线路电流值与所加电流值一致,约为500 A。排除了C相B系统线路电流测量回路存在异常的可 能性[10]。
检修状态下,对线路CT至平台测量箱连接电缆进行摇绝缘测试,测试结果合格,排除了平台线路CT至平台测量箱电缆绝缘受损的可能性。并对测量回路中所有电缆连接端子进行了接触紧固性 排查。
检修状态下,对C相B系统平台测量箱进行所有电流通道进行通流测试,后台显示所有测量通道电流值与所加电流值一致,排除了测量箱内部其他测量通道存在异常情况的可能性。
基于上述排查情况形成如下结论和工作计划。
(1) “C相采样数据校验异常”通过更换平台AD板已得到解决。
(2) C相B系统线路电流测量不准确问题尚未解决,也未找到问题的根本原因。
(3) C相B系统线路电流测量不准确问题可基本定位在该电流信号采集回路中存在元件异化或接触不良的问题。
(4) C相平台测量箱B系统线路电流测量回路所涉及的全部元件(可不考虑已更换的平台电源板和平台AD板)包括线路电流CT、滤波器、信号调理板、DB9数据线接口四部分均存在异常的可能性,只是这些元器件在近十多年的串补运维检修经验中从未出现过异常现象[11]。
(5) 使用工程同型号元器件模拟现场测试环境,制定电流调理板电阻虚焊或短接、DB9数据线接口虚接等异常现象的模拟测试方案,并开展相关测试工作,记录测试数据。
串补平台测量系统测量回路接线示意图,如图5所示。
图5
3.2.2 现场环境模拟试验
电流调理板元件虚焊或短接测试,电流调理板电路原理图如图6所示。
图6
图7
故现场具备工作条件时可测试电流调理板线路电流通道的R1和C1,检查是否存在受损、击穿的情况。
图8
图9
3.2.3 二次故障处理
再次停电处理过程中检修人员着重检查了C相平台测量箱B系统线路电流测量回路所涉及的全部元件,发现该回路DB9数据线接口的母头(孔型)的内部焊接头松动现象明显。故本次排查将故障点定位在DB9数据线接口的公头(针型)和母头(孔型)存在接触不良,考虑到该实际现象与模拟测试环境试验数据的分析情况存在一定出入,故整体更换了该回路所有元器件,包括相关的DB9数据线接口。完成相关投运前的测试和检查后,串补装置投运至今设备运行正常[15]。
3.3 故障最终定位与建议
将现场拆卸回来的元器件重新装配到测试用平台测量系统中,继续进行故障排查。
首先对平台测量系统所有测量通道(包括线路电流通道)串接一个电流信号,并进行长时间带电模拟测试,测试结果发现确实会出现线路电流幅值略小于其他电流幅值的现象,但未能复现现场线路电流时大时小、时有时无的异常现象。随后测试人员轻微触碰测量回路中各连接点的连接电缆,结果发现当触碰到测量回路中的DB9转接头时线路电流确实出现了与现场类似的异常现象。
考虑到测试过程中测试人员在每个通道都加载了同样的电流,触碰电缆时也是随机触碰所有的电缆,线路电流通道不但存在电流幅值小于其他通道电流幅值的现象,而且出现了电流时大时小、时有时无的现象,且该现象与现场曾出现的故障现象相符,故可将故障点定位为DB9数据线接口处存在接触不良问题。测试波形如图10所示。
图10
最终本次异常现象的故障点可定位于C相平台测量B系统线路电流回路中,从信号调理板至平台AD板的DB9数据线接口的公头(针型)和母头(孔型)存在接触不良,最终导致了线路电流测量不准确。纵观整个故障排查过程,最初故障现象表明初始故障点并非此处,推断是在第一次检修工作中更换平台AD板时可能有碰撞或拉扯到DB9数据线接口的不规范操作行为,加上该接口本身也存在接触不良的隐患,进而形成这一故障现象。我国近百套在运串补,十几年检修经验中不乏电气二次回路接触不良问题,但DB9数据线接触问题尚属首次出现。现在看来故障原因并不高深复杂,但却因此导致了相关500 kV线路两次退出运行,引起了电网调度和运行管理的极大不便。建议如下。
(1) 串补平台测量系统在回路设计上采用DB9数据线接口,虽然易于安装也可以节约空间,但接触可靠性上存在隐患,建议采用通过了世界主要质量认证机构如UL、CSA、Lloyd、ATEX等认证的模拟量测量端子确保接触的可靠性,并易于检 查[16]。
(2) 检修过程中的操作应严谨、规范,避免因操作不当形成隐患,甚至引起问题扩大化。
(3) 对于采用了非常规类型测量接口的回路,如串补平台测量系统中采用了DB9数据线接口,此类接口的接触状态不易直观检查,检修过程中建议采用在测量回路加信号量的同时,触摸接口部分并启动录波,通过观察波形是否正常可有效地检查出其接触状态是否良好。
4 结论
由于超高压串补测量系统是在借鉴传统继电保护用测量系统设计原理和实现方案的基础上,进一步针对其自身所处的高电压、大电流、强干扰等工况特征加强了EMI设计而研发成功的。因此二者在电气特性上存在一定的相似性,当发生接触类故障时,其故障波形是有一定规律可循的,比如信号调理回路存在短路故障时,其特点是波形畸变、幅值变小、波形连续;测量回路存在时通时断故障时,其特点是波形基本正常、幅值基本正常、波形有中断现象;测量回路存在接触电阻增大故障时,其特点是波形畸变类似馒头波、幅值变小、波形连续。另外,需要特别强调的是,检修排查继电保护测量系统接触类故障点时,不应仅仅依据经验排查曾经出现问题的连接点,而是应该排查测量回路每一个连接环节。设备的电气设计和检修工作均应依据电力行业相关标准规范开展,特殊性定制设计和不规范操作都可能对电力设备的安全稳定运行埋下隐患。
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电力系统转型是能源革命的必然需要;电力系统转型是保证能源转型核心指标能够实现的关键;电力系统的灵活柔性是新一代电力系统的显著特征,并且获得了国内外学者的广泛认同。针对电力系统在“源-网-荷”三个环节的灵活柔性进行了技术层面的需求分析,凝练识别出新一代电力系统灵活柔性特征关键技术,并对这些关键技术的发展进行了简要阐述和发展展望研究。研究结果表明,通过大量灵活柔性技术的研究和相关工程的建设,将极大推动电力系统自身的创新、协调、绿色、开放、共享发展,进而助力能源革命。
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