阻波器故障隱蔽性及其危害

1、阻波器故障對高頻保護(hù)系統(tǒng)的危害及其隱蔽性Line Trap failures Harm for H-F Telprotection and its Concealment郭香福陳宇輝(北京電力設(shè)備總廠,北京102401摘要:本文分析了阻波器調(diào)諧元件故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)的原因及其引起保護(hù)誤動(dòng)的危險(xiǎn),并就此提出了檢驗(yàn)阻波器阻塞效果的試驗(yàn)方法以及解決調(diào)諧元件故障應(yīng)注意的幾個(gè)問題。關(guān)鍵詞:高頻保護(hù);誤動(dòng);阻波器;調(diào)諧元件;分流損耗;測試Abstract: this paper analy ze the origin of that the line trap tuning devices failure

2、can not be discovered in time as well as the risk of high frequency telprotections misoperation caused by this failure. This paper propose a test method for blocking effect of line traps and some matters which should be taken care when eliminate the failure. Keywords: H-F telprotection, misoperation

3、, line trap, tuning device, taping loss, test0.引言根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn),嚴(yán)格按照IEC60353生產(chǎn)的阻波器調(diào)諧元件,耐受操作沖擊的次數(shù)最多10次到100次1。某些規(guī)格的產(chǎn)品(各規(guī)格安全裕度不同,甚至一次開關(guān)操作就會(huì)引起當(dāng)場損壞2,3?？梢钥隙ǖ卣f,掛網(wǎng)運(yùn)行5年以上的大中型阻波器,大多數(shù)調(diào)諧元件要出現(xiàn)絕緣故障。2000年5月,為了調(diào)查阻波器故障率,我們特意對華東某220kV 變電站10臺額定電感1.0mH、額定短路電流40kA的阻波器進(jìn)行了阻塞性能測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn),這些于1993年1997年不同時(shí)期掛網(wǎng)的阻波器已經(jīng)全部失去原有的阻塞性能,故障率為100%。

4、然而,在拆下這些阻波器之前,無論是通信還是高頻保護(hù)方面的工作人員,在日常的收信電平測試中都沒有發(fā)現(xiàn)阻波器已經(jīng)損壞。唐山電力公司220kV 賈(安子韓(城線高頻通道(投運(yùn)5年日常運(yùn)行良好,但阻波器后面接地刀閘閉合后,收信電平作者簡介:郭香福,男,北京人,任高級工程師兼華北電力集團(tuán)公司A級專家,從事阻波器設(shè)計(jì)與研究工作,曾執(zhí)筆起草阻波器國家標(biāo)準(zhǔn)。陳宇輝,男,杭州人,任高級工程師,為北京電力設(shè)備總廠工程技術(shù)專家,從事結(jié)合濾波器的設(shè)計(jì)與研究工作,曾執(zhí)筆起草結(jié)合濾波器國家標(biāo)準(zhǔn)。猛降10dB。南京220kV鐘(山東(善橋線(投運(yùn)9年也發(fā)現(xiàn)同樣的問題。華北一條500kV線路在90年代曾頻頻出現(xiàn)高頻保護(hù)誤動(dòng),

5、而高頻通道傳輸指標(biāo)正常無異,但后來停電檢查時(shí)發(fā)現(xiàn),阻波器調(diào)諧元件早已化為灰燼。一系列事實(shí)表明,阻波器調(diào)諧元件不僅故障率很高,而且極具隱蔽性,很可能是某些誤動(dòng)現(xiàn)象的主要原因。1.阻波器調(diào)諧元件故障的隱蔽性及其危害作為高頻通道總衰耗的構(gòu)成之一,變電站母線的分流損耗不僅取決于阻波器的阻塞阻抗,同時(shí)還與母線自身的高頻等效阻抗有關(guān)。根據(jù)理論分析和現(xiàn)場實(shí)測,除少數(shù)頻率點(diǎn)外,母線的高頻等效阻抗往往具有數(shù)百歐的數(shù)值,即使不加阻波器,在某些頻率下也不妨礙載波信號的傳送4。據(jù)測試,一條掛有兩臺90000kV A變壓器、五條出線(其中一條斷開的110kV母線,在40kHz 300kHz頻段內(nèi)的阻抗平均值為301.5

6、+j70.85。按此數(shù)值可以計(jì)算,如果阻波器調(diào)諧元件損壞后殘留有36.1+j33.4的阻塞阻抗(見表1第8行,并考慮結(jié)合濾波器回波損耗為13dB,則該母線引起的分流損耗僅僅為4.8dB。高頻通道在設(shè)計(jì)上通常取母線分流損耗為2dB。阻波器調(diào)諧元件損壞后,如果母線分流損耗僅僅比設(shè)計(jì)值偏高2.8dB甚至更小一個(gè)數(shù)值,顯然還難以引起人們對阻波器故障的警覺。阻波器出現(xiàn)故障后,盡管收發(fā)訊機(jī)收信電平足夠高,但缺乏堅(jiān)實(shí)可靠的支撐基礎(chǔ)。這不僅僅因?yàn)槟妇€高頻阻抗受運(yùn)行條件或接線方式的影響,分流損耗隨母線工況而改變(比如天津吳莊變電站接入旁母后,收信電平降低10dB,而且,阻波器后邊(保護(hù)區(qū)外發(fā)生短路故障的那一短暫

7、時(shí)刻,母線分流損耗會(huì)劇烈上升。以圖1中d1點(diǎn)短路為例,接地故障發(fā)生在阻波器后面其他線路的近母線點(diǎn),無異于將母線自身的高頻等效阻抗徹底短路。于是母線對高頻通道產(chǎn)生的分流損耗將完全由阻波器(圖1中Ltn損壞后的殘余阻抗確定,因而必將隨著阻抗的突然降低而上升。比如阻波器殘余阻抗為上例給出的36.1+j33.4時(shí),分流損耗將驟然增加到15.2dB,比短路前增加10.4dB。這就是說,在阻波器后面出現(xiàn)區(qū)外短路故障的關(guān)鍵時(shí)刻,也正是對端需要收到本端發(fā)送的閉鎖信號之時(shí),本端發(fā)出的閉鎖信號卻經(jīng)由損壞的阻波器流向母線,流向短路點(diǎn),這便形成了一種區(qū)外短路區(qū)內(nèi)誤動(dòng)的可能。由于高頻通道總衰耗的的劇烈上升以其他線路近母

8、線點(diǎn)的短路和阻波器調(diào)諧元件故障為先決條件,所以隨著區(qū)外短路故障的排除,高頻通道總衰耗又恢復(fù)到到一個(gè)相對較低的正常水平,線路兩端交換高頻信號時(shí),收信電平完好如初,不能如實(shí)反映區(qū)外短路一瞬間的實(shí)際收信狀況,這便掩蓋了來自阻波器故障的誤動(dòng)原因,使人不明不白。圖1 阻波器(Ltn調(diào)諧元件存在故障時(shí)高頻閉鎖信號的流失方向一些同志認(rèn)為,阻波器調(diào)諧元件因過電壓發(fā)生故障后,會(huì)自然形成無調(diào)諧阻波器,仍然具有很高的感性電抗。實(shí)際上,只是少數(shù)單頻諧振型阻波器的調(diào)諧電容或調(diào)諧電阻炸開時(shí)才具有這樣的特點(diǎn)。阻波器調(diào)諧元件損壞后的阻塞特性,取決于調(diào)諧電路的形式(單頻調(diào)諧或雙頻調(diào)諧或帶阻式調(diào)諧或高阻式調(diào)諧,也取決于究竟是調(diào)諧

9、電路中的哪一個(gè)元件被損壞,還與被損壞的元件是短路還是開路有關(guān)。比如,采用定K型帶通濾波器電路的帶阻式阻波器,如果調(diào)諧電感或調(diào)諧電阻開斷,阻波器將變成單頻諧振型阻波器,中心頻率(邊界頻率的幾何平均值阻抗極端升高,而兩側(cè)阻抗大幅度下降;如果是調(diào)諧電阻因過熱而短路,則變成雙頻諧振型阻波器,中心頻率大幅度下降,原有的位于阻塞頻帶以內(nèi)的兩個(gè)阻抗峰被拉開到阻塞頻帶以外6。對于采用型電路的高阻式阻波器, 在調(diào)諧電感擊穿后,則形成單頻電路,只在下限頻率附近有較高阻抗值,其余頻段阻抗則大大降低。表1給出了一臺2mH阻波器在調(diào)諧電感被過操作過電壓破壞后的典型特性。表1 2mH高阻式寬頻帶阻波器電感 短路后的阻塞性

10、能 濾波器回波損耗13dB確定。2.不拆卸檢測阻波器的方法根據(jù)以上分析,由于母線自身高頻等效阻抗對分流損耗的影響,線路帶電條件下的高頻通道性能測試很難發(fā)現(xiàn)阻波器的故障。因此,為了及時(shí)排除隱患,應(yīng)盡可能停電測試,并強(qiáng)調(diào)必須在阻波器后面通過接地刀閘人為接地,以模擬區(qū)外短路的運(yùn)行條件。據(jù)計(jì)算和現(xiàn)場驗(yàn)證,對于單頻阻波器,正常的分流損耗為0.72.3dB,對于寬頻帶阻波器,則為1.63.1dB(詳見北京電力設(shè)備總廠XZF型阻波器2001/08版安裝使用說明書,考慮到線路阻抗的波動(dòng),個(gè)別情況下分流損耗也可能達(dá)到3.8dB。因此,在阻波器后面隔離開關(guān)開斷的條件下,如果接地刀閘接地時(shí)的收信電平比接地刀閘打開時(shí)

11、低3.8dB以上,可確信阻波器調(diào)諧元件損壞無疑。3.阻波器調(diào)諧元件故障的克服3.1更換新型調(diào)諧元件根據(jù)研究1,2,阻波器調(diào)諧元件的故障大多起因于操作過電壓。這是因?yàn)楝F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)根本沒有規(guī)定調(diào)諧元件耐受操作過電壓的技術(shù)要求。同時(shí),我國阻波器制造廠大多數(shù)規(guī)模較小,不具備操作過電壓的試驗(yàn)?zāi)芰ΑＲ虼?在發(fā)現(xiàn)阻波器調(diào)諧元件故障后,應(yīng)當(dāng)吸取教訓(xùn),更換具有操作過電壓耐受能力的調(diào)諧元件。為此,我廠根據(jù)最新的IEC60353標(biāo)準(zhǔn)絕緣配合修改單(草案7,專門開發(fā)了新一代專利產(chǎn)品XZFB1A系列調(diào)諧元件。這種調(diào)諧元件除了調(diào)諧電容器絕緣水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)外,還另外采取了以下三個(gè)措施:(1每

12、臺產(chǎn)品出廠前進(jìn)行高頻振蕩式操作過電壓試驗(yàn),一分鐘內(nèi)連續(xù)施加6000次高頻衰減振蕩電壓,每次振蕩約10個(gè)波,振蕩持續(xù)時(shí)間約數(shù)百微秒,每次振蕩的第一個(gè)幅值高達(dá)主避雷器殘壓的1.3倍。我廠的生產(chǎn)實(shí)踐表明,增加此項(xiàng)出廠試驗(yàn)是十分必要的。我廠的調(diào)諧元件盡管通過了現(xiàn)行IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)絕緣試驗(yàn),并且大大提高了試驗(yàn)電壓倍數(shù),但在高頻振蕩操作過電壓試驗(yàn)過程中,仍有個(gè)別調(diào)諧電容器擊穿。顯然,如果沒有這項(xiàng)試驗(yàn),這些產(chǎn)品就只能在運(yùn)行后造成隱患。(2為調(diào)諧電感和電阻器加裝了輔助保護(hù)元件工頻放電電壓約6kV的非線性過電壓吸收器,用來限制電感、電阻上的暫態(tài)過電壓。(3提高了調(diào)諧電感和電阻器的絕緣水平,使他們遠(yuǎn)

13、遠(yuǎn)高于輔助保護(hù)元件的保護(hù)水平,具有足夠的安全裕度。根據(jù)IEC60353最近提出的絕緣配合要求7,我們對改進(jìn)前后的調(diào)諧元件進(jìn)行了連續(xù)10萬次(16分40秒高頻振蕩過電壓耐久性試驗(yàn),結(jié)果改進(jìn)前的產(chǎn)品在試驗(yàn)后面目全非2,而改進(jìn)后的產(chǎn)品安然無恙地經(jīng)受了考驗(yàn)。3.2改用寬頻帶調(diào)諧元件我國阻波器制造廠家比較多,結(jié)構(gòu)差異較大,即使同一家產(chǎn)品,生產(chǎn)年代不同,型號不同,主線圈電感偏差、雜散電容也會(huì)存在差異。因此,如果在技術(shù)改造時(shí)更換單頻諧振型調(diào)諧元件,很容易由于對主線圈雜散電容和電感量偏差估計(jì)不準(zhǔn)而引起諧振頻率偏移的問題,即使阻抗設(shè)計(jì)指標(biāo)很高,也未必能在指定的頻率獲得理想的阻塞阻抗。為此,在更換調(diào)諧元件時(shí),建議

14、一律改為寬頻帶產(chǎn)品。比如主線圈電感較小或阻塞頻率較低時(shí),可選用帶通濾波電路調(diào)諧的帶阻式產(chǎn)品,對于1mH及以上的主線圈或阻塞頻率較高時(shí),則可選用高通濾波器電路調(diào)諧的高阻式產(chǎn)品。這種寬頻帶調(diào)諧元件雖然阻抗略低,但對于雜散電容以及電感的偏差不象單頻諧振型那樣敏感,即使出現(xiàn)阻抗偏差,在一較小的程度上低于期望值,但并不影響使用效果。4.結(jié)束語(1阻波器調(diào)諧元件出現(xiàn)故障后,區(qū)外短路故障可能會(huì)引起閉鎖信號丟失,造成保護(hù)誤動(dòng)。由于母線高頻等效阻抗對阻波器故障的掩護(hù)作用,日常的信號交換不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。(2建議對繼電保護(hù)高頻通道的阻波器進(jìn)行性能普查,對比接地刀閘分、合兩種條件下的收信電平。(3建議積極采納IEC

15、60353標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于絕緣配合的最新修改單,在訂購阻波器時(shí)增加操作過電壓耐受能力的要求。建議用XZF-B1A型寬頻帶調(diào)諧元件,更換現(xiàn)有阻波器的調(diào)諧元件,消除高頻保護(hù)系統(tǒng)的一大隱患。參考文獻(xiàn):1K. Morf, B.Doser, New insulation coordinationfor line traps enhances reliability of PLC transmission J. Brown Boveri Review 1988,(9;4862郭香福,孟季權(quán)等,改進(jìn)阻波器絕緣配合,提高高頻保護(hù)系統(tǒng)電磁兼容性J.中國電力, 2001,(10,35.3沈其工,阻波器操作過電壓事故分析J.電