李光耀，闫殳裔，王晓禹，吕静毅，刘致顺
(中国航发北京航空材料研究院，北京 100095)
随着经济的增长，用电量持续加大，特高压直流输电技术在电力输送中的应用越来越广泛。在电网系统中，为了平衡电压，特高压换流站通常配备直流分压器[1-2]。直流分压器用于测量直流电压，保持输电线路稳定，作用和交流电压互感器相同。在当前电网系统中，直流分压器测量对象是极母线和中性母线的直流电压，采样数据传入换流站极保护系统，精准测量，能够对特高压直流输电进行控制及保护[3-4]。相较于交流电压互感器，直流分压器的故障率更高，电路发生故障需要及时排除，以免造成更大的损失。因此，对直流分压器的故障进行诊断和分析，对于保持电网系统稳定具有重要意义。
为了对特高压换流站直流分压器的故障进行分析，解决分压器出现的故障问题，针对直流分压器结构和原理进行分析，分析直流分压器电容负载波形。通过输出波形与谐波分析，更好的明确发生故障的原理，为故障的诊断奠定理论基础。对实际案例出现的故障，开展直流分压器的现场勘察，对发生的故障类型进行诊断，对于分压器电容元件故障等隐患进行排查，经过分析和诊断，直流分压器故障得到消除，分析和案例具有一定的工程应用价值。
1.1 直流分压器结构
在电力系统中，高压直流输电具有输送功率大、稳定性高的特点，广泛应用于远距离、大容量输电和电力系统联网[5-8]。直流分压器是输电系统中重要的装置，在发生故障时电压变化速度快。直流分压器由一次分压回路、二次分压板组成，二次分压板连接电子隔离装置和控制保护系统。共同组成特高压直流分压器结构，直流分压器的结构决定了其在工作过程中可能出现故障。特高压直流换流站直流分压器结构如图1所示。
图1 特高压直流分压器结构
由图1可知，在直流分压器中，一次分压回路由两部分组成，实现电压变换的方式是采用阻容分压的方式进行电压变换，一部分是高压单位，另一部分是二次分压和控制装置。控制装置能够在电压系统异常时进行电路保护，避免更大的故障出现。
1.2 直流分压器原理
为满足高压直流电压互感器频率响应试验的测试需求，本文搭建了由信号发生器、功率放大器、可调电感装置组成的高压宽频电源。高压宽频电源结构能够通过信号的收集和功率的放大，对线路做出调整，结构如图2所示。
图2 高压宽频电源结构
输入信号通过低压运算放大级驱动后，推动功率放大级，得到快速跟随输入信号的高电压输出。根据这种原理可以得出整个系统的波形图。直流分压器对电路具有保护作用，能够提高电路的稳定性。
1.3 直流分压器电容负载波形
为了保证系统能够正常工作，整个系统通过220 V交流输入供能，在输电过程中电流不发生变化。高压输出信号通过负反馈通道构成闭环控制，有利于维持线路稳定，作用在运算放大器上以提高功率放大器的输出稳定性。正常工作时，不会出现跳闸，当负载电流过大，超出负载能力，功率放大器会自动跳闸以保护其内部电路，波形图如图3所示。
图3 输出波形与谐波分析
输出波形和谐波能够反映出直流分压器的状态，谐波与电流大小有关。线路电流和频率会影响直流分压器带宽，直观表现在外部就是波形的变化。当输出电流大于40 mA时，直流分压器输出的电压波形开始畸变。出现变化容易导致系统正常工作，正弦波波峰因数变小，变得不稳定。当波形出现变化时，即可通过变化的特点进行直流分压器存在故障的判断。电路系统为保障内部电路，会出现跳闸以避免更大损害。因此，当电网系统出现故障需要进行诊断时，可以通过输出波形对直流分压器故障进行诊断。
2022年3月16日，在正常巡检过程中，发现某特高压换流站出现故障，对故障进行分析时，发现后台极1极保护系统出现直流极母线直流分压器SF6压力低闭锁。该直流分压器的运行方式为双极四换流器，采用大地回线640 kV降压方式，线路输送功率1000 MW，对于当地电网系统起着重要的作用。在故障诊断时双极未出现闭锁，功率没有出现损失现象。
2.1 故障初步分析
为了排除故障，对故障进行初步分析和检查，发现继电器无明显异常，检查极1极保护A屏、B屏、C屏，发现A套保护内开入极1直流分压器SF6气体压力低信号，与其他不同，B套、C套保护则未出现输入信号。
在故障诊断时，为了保护整个系统，设置了一定的跳闸模式，极母线SF6压力低设置了2级告警和1级跳闸，设置警告有利于及时发现故障。线路中的告警信号接入极控，当信号传输完成后，触发跳闸保护。OWS后台报警信号减少，仅报“极1极保护系统A”，出现该故障的原因可能是电压失衡导致外部节点连通。
根据检查当天的天气情况，出现的故障容易混淆，可能会影响检查和判断结果，采取了一定的处理措施。挑开1级SF6压力保护跳闸后，再次观察，发现电力系统OWS信号恢复正常。直流分压器低压保护处于正常状态，故障得到初步分析。
2.2 故障处理
对故障进行处理，首先需要确定最终的换流站故障存在位置，检查保护系统发现极B、C屏柜内继电器工作正常，B、C套非电量保护系统，无故障信号开入。查看直流故障录波器对故障进行处理，电路系统的电压大小影响对故障的诊断。发现单元B套(PMUB)、单元C套(PMUC)直流电压测量值异常升高，电压达到535 kV，不符合最高电压的限制要求，试验前直流电压为500 kV。设t1、t2分别代表故障发生的时间、换流器闭锁的时间。对端子电压进行测量，所得结果如图4所示，图中(a)和(b)分别为故障前后PMUA和PMUB的直流电压测量值Udc。
(a)PMUA测量电压
(b)PMUB测量电压图4 端子电压测量
由图4可知，进行故障处理时，断开测量电缆，PMUB直流电压测量异常，电压升高达到535 kV。经过一段时间后，发现仍然存在故障。对故障进行分析后，确认为继电器端子故障影响线路电压波动，根据故障情况决定更换新的继电器，进行继电器更换后，排除了故障，直流分压器重新恢复正常。
本文根据直流分压器的结构和原理，对正常状态下分压器电容波形和谐波进行研究，根据换流站直流分压器特点对常见的故障开展分析。根据实际现场的故障情况，分析可能存在的故障原因。经初步分析，发现直流分压器SF6气体压力低信号，经实际故障检查，判断继电器端子故障。对故障进行诊断和分析后排除了故障，恢复直流分压器的正常状态。
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