云廣特高壓直流一起雙極三閥組相繼閉鎖分析

邵震,袁鵬,林睿

(中國南方電網超高壓輸電公司,廣州市,510405)

0 引言

2010年 8月 19日 12:56:10,楚穗直流雙極功率由3 500 MW調整至3 750 MW過程中,穗東站極2的 2套直流測量系統因外部干擾而出現異常,時分復用(time division multiplexing,TDM)總線切換不成功,2套直流保護不可用造成極 2閉鎖。穗東站極 2發出緊急停運(emergency shut off,ESOF)命令后47ms,楚雄站雙極直流線路行波保護動作,極 2發出ESOF閉鎖命令后64 ms,穗東站極1直流線路行波保護動作。從極 2閉鎖與極 1線路保護動作的時間分析,滿足“極控判斷某極任 1閥組閉鎖后 900 s內,不允許另1極直流線路重啟”的條件,造成雙極閉鎖。本次事故造成云南、廣東 500 kV交流斷面大幅越限,楚雄換流站穩控裝置動作,切除小灣電廠 3臺機組和天二電廠 2臺機組。

1 事故過程分析

故障時逆變側電壓電流波形參見圖1和圖 2故障錄波圖。

第1階段,12:56:10.244～254,穗東站極2直流測量系統因極1的直流線路遭受雷擊(已找到線路雷擊故障點)而出現異常,由于測量數據通過交叉冗余配置的 2套 TDM總線送至直流保護、極控等系統,穗東站極 2直流保護系統、極控系統隨即多次判斷TDM總線異常,并啟動TDM總線切換。

第2階段,12:56:10.258,因 2套極測量系統均故障,穗東站極 2直流保護系統1、2判斷TDM總線1、2均故障,穗東站極 2極控啟動 ESOF,投入旁通對;12:56:10.307,楚雄站極 2極控收到來自穗東站的ESOF請求,并啟動極2高、低端閥組閉鎖順序。

第 3階段,穗東站極 2投入旁通對期間,兩側線路保護動作。12:56:10.315,楚雄站極2直流保護系統1、2行波保護動作。12:56:10.334,穗東站極1直流保護系統1、2行波保護動作;12:56:10.409,穗東站極2投入旁通對后,電壓突變量保護動作。12:56: 10.343,楚雄站、穗東站極 1極控監視功能啟動閉鎖(根據穩定控制措施,極控判斷某極任 1閥組閉鎖后900 s內,不允許另 1極直流線重啟)[1]。

本次楚穗直流雙極相繼閉鎖事故為極1線路遭受雷擊后,因 2極導線同塔架設,線路間存在較強感應電壓,導致極 2線路電壓出現短暫波動,并導致測量屏內的 2套測量裝置受到干擾,極 2的 2套保護判斷測量系統均不可用,從而造成極 2閉鎖。極 1線路遭受雷擊后,行波保護啟動并開始檢測保護動作的 3個判據是否同時滿足,在故障開始后的幾十 ms內,因電流電壓頻繁波動,保護動作判據尚無法完全滿足;在極 2閉鎖移相過程中,保護判據滿足,極 1線路行波保護動作,閉鎖極 1。同時滿足“極控判斷某極任 1閥組閉鎖后 900 s內,不允許另 1極直流線重啟”的條件,最終造成雙極三閥組相繼閉鎖。

2 云廣特高壓直流測量系統簡介

云廣特高壓直流測量系統[2]每側包括公用測量、極測量、高端閥組測量、低端閥組測量四個部分。

每部分測量系統的模擬量輸入包括:光纖信號輸入、100 V(或1 A)電信號輸入;100 V(或1 A)電信號端口為換流變電流互感器(current transformer,CT)電流量和電壓互感器(phase voltage transformers,PT)電壓量輸入,直流濾波器CT電流量輸入。100 V(或1 A)電信號通過電流電壓變換模塊變成 ±10 V的弱信號送入測量板卡IM 5。光纖信號輸入端口為直流場線路電流、中性線電流、直流電壓等通過OPTO5傳感器及光纖通道至光測量板卡LO5。

每部分測量系統的模擬量輸出包括:TDM總線輸出(光纖)、±10 V的LO5模擬量輸出(電纜)。±10 V模擬量輸出端口由測量數據輸出到安穩系統(暫未使用)。

TDM總線輸出為測量數據通過光纖將測量數據送到直流保護系統、極控系統、故障錄波系統及其他測量系統。光纖端口不受電磁干擾的影響,換流變CT和PT等交流量輸入端口受直流線路擾動影響較少。針對本次穗東站在線路電壓擾動時測量系統故障,重點分析與直流系統聯系密切的直流濾波器的交流量輸入端口對測量系統的影響。

3 干擾原因分析

3.1 干擾路徑分析

在本次故障中,直流濾波器電流發生畸變,如圖 3所示。直流濾波器高壓側差電流(DC filter current high voltage side DIFF,IFHD)[3]通過OPTO5光接口模塊分別接入測量系統1和測量系統2,OPTO5安裝在直流場電流互感器接口箱,該信號不會引入電磁干擾。

圖3 故障時刻直流濾波器相關電流錄波Fig.3 Current recording of DC filter at fault occurring time

直流濾波器高壓側和電流[3](DC filter current high voltage side SUM,IFHS)及低壓側電流[3](DC filter current low voltage side,IFL)通過1 A的模擬電流信號分別接入測量系統 1和測量系統 2,在測量屏內通過電流電壓變換模塊接入測量機箱,該信號回路是引入電磁干擾的可能回路。

測量系統1和測量系統2通過交叉冗余的TDM總線與 2套直流保護系統連接,如圖 4所示。

當直流濾波器主回路出現大的穿越性電流時,在CT二次回路感應出成比例的電流(圖 5中橫向箭頭),該電流經長電纜到達測量系統屏柜的T11電流電壓變換模塊,這個突變的電流在 T11模塊上感應出 1個很強的電磁場,通過傳變、耦合及空間電磁場對測量系統產生干擾,通過極 2測量系統 1和系統 2的測量板卡IM 5(在測量機箱的-D01插槽)的模擬量輸入端口感應進來,導致 TDM總線信號出現短時的干擾,受到短暫干擾的 TDM總線信號又引起了多個光纖測量通道的永久性中斷,測量系統1(=22Q00+ Q1)的3個通道,測量系統2(=22Q00+Q2)的5個通道報故障,2套極測量系統均不可用,導致極 2的ESOF。

圖4 直流濾波器電流輸入回路圖Fig.4 Diagram of current input circuit of DC filter

圖5 直流濾波器電流回路干擾途徑圖Fig.5 Current circuit EM I path chart of DC filter

3.2 仿真驗證

常規500 kV直流線路故障時的實時數字仿真裝置(real time digital simulator,RTDS)仿真試驗波形如圖6所示。在直流線路故障時,直流濾波器回路存在很大的穿越電流,與本次故障時直流電壓電流波形相似。

圖6 仿真錄波Fig.6 Transient recording of simulation

4 電流電壓變換模塊抗干擾性能測試

電磁干擾通常分為傳導干擾和輻射干擾[4-5]。從上述分析可以看出,穗東換流站極 2測量系統的電流電壓變換模塊對測量系統的干擾存在多個干擾途徑,其中傳導干擾和輻射干擾最終導致電流電壓變換模塊性能改變,因此有必要對電流電壓變換模塊的抗傳導干擾和抗輻射干擾性能進行測試。

4.1 傳導干擾測試

(1)直流濾波器上流過較大的浪涌電流,通過與CT相連的電纜通過電流電壓變換模塊變換后進入測量機箱,電流電壓變換模塊原理圖如圖 7所示。通過測試,在電流電壓變換模塊 1—3端口、4—6端口、7—9端口分別加入 15 A電流時,均可以產生最大為11 V的瞬時電壓,超過最大工作電壓。

圖7 電壓電流變換模塊原理圖Fig.7 Princip le diagram sof current and voltage converter module

(2)閥廳避雷器可能存在入地電流,造成與地網連接的電纜屏蔽層出現電位差,進而在電纜纜芯和屏蔽層間感應出較大電位差,也會導致較大傳導干擾進入測量機箱。基于計算,在閥廳避雷器存在500 A入地電流時,在電纜纜芯和屏蔽層間可以產生 80 V的電壓。通過測試,在電流電壓變換模塊1-S端口、4-S端口、7-S端口分別施加這一電壓時,均可以產生超過 10 V的瞬時電壓,超過最大工作電壓,如圖 8所示。

圖8 二次屏柜側電纜纜芯與屏蔽層間電位差Fig.8 Potential differences between secondary cable core and shielding layer on the side of cubicle

傳導干擾產生的接入測量機箱的瞬時電壓雖然遠低于一般電子設備信號端口可以耐受的電磁兼容水平,但有可能造成測量軟件邏輯混亂,該類故障可通過將裝置斷電重啟即可消除。

4.2 輻射干擾測試

(1)電流電壓變換模塊通過電流時會產生空間輻射場。通過測試,在電流電壓變換模塊 1—3端口、4—6端口、7—9端口分別施加 15 A電流時,可以產生超過13 V/m的瞬時電場強度,超過IEC 61000-4-6標準允許的電子設備允許耐受射頻干擾水平(10 V/m)。

(2)在測量系統內的導線會產生空間輻射場,導線距離近時互感產生的感應電壓也可能較大,這也是輻射干擾的原因之一。

5 穗東換流站二次接地網存在問題

采用帶有屏蔽層的控制電纜且將屏蔽層接地是抑制電磁干擾有效手段[6-9],文獻[10]對穗東換流站二次接地網存在問題進行了分析,存在最主要的問題是各繼保室和主控室接地銅網均直接與一次地網多點連接,并未將繼保室和主控室接地銅網連接后通過1點與一次地網連接。而在《電力系統繼電保護及安全自動裝置反事故措施要點》中對保護屏抗干擾作了明確規定:保護屏柜下部應設有截面不小于100mm2接地銅排,屏上設有接地端子,并用截面不小于4mm2的多股銅線連接到該接地銅排上,接地銅排應用截面不小于50 mm2的銅纜與保護室內的二次接地網相連。裝設靜態保護的保護屏間應用專用接地銅排直接連通,各行專用接地銅排首末端同時連接,然后在該接地網的 1點經銅排與控制室接地網連通。

在與施工單位、設計院溝通后得知,原先國內廠家保護屏柜到場后,屏柜內接地銅排通過絕緣子與保護屏柜隔離,這樣的設計是符合反措要求的。但許繼、西門子相關的保護屏柜內的接地銅排沒有與保護屏柜通過絕緣子隔離,造成屏柜二次接地銅排與一次接地網多點連接。設計院為讓站內所有保護屏柜二次保護屏柜接地統一,取消了國內廠家保護柜內絕緣子,讓二次接地銅排與保護屏柜直接相連。這樣的結果直接導致二次接地與一次接地混用,不符合反措要求,增加了保護動作的不確定性。

6 結論

輻射干擾、傳導干擾超過了 IEC標準規定的電子設備允許值,均是造成本次故障的可能原因,建議目前的解決方案如下:

(1)針對電流電壓變換模塊引起的輻射干擾,為2套測量系統的電流電壓變換模塊加金屬殼的方案,防止輻射干擾對測量機箱的影響。從長遠考慮,電流電壓變換模塊采用鐵殼,鐵殼上使用網狀散熱孔,模塊內各繞組間加網狀金屬隔板,實現避免對外輻射和內部繞組相互干擾的目的。

(2)針對電流電壓變換模塊引起的傳導干擾,為2套測量系統的電流電壓變換模塊輸入端口加入低通濾波器,使得傳導干擾不會進入測量機箱。

(3)最終解決方案建議將電流電壓變換模塊放在就地,變換之后增加OPTO5測量模塊,將測量量通過光纖送至LO5,但該方案需要在測量機箱內增加LO5板卡、在就地增加OPTO5和光纖通道,但工作量較大。

(4)對測量系統屏柜內部電纜走線進行整改,屏柜內電流電壓變換模塊的輸入與輸出電纜放在不同的線槽內,使輸入回路遠離輸出回路。

(5)穗東換流站二次接地銅網按反措要求進行改造,提高二次設備抗干擾能力。

[1]CSG Technology Research Center.Pole control C/P design specification of Yunnan-Guangdong line±800 kV DC transm ission project[R].Guangzhou:CSG Technology Research Center,2007.

[2]CSG Technology Research Center.DC measuring C/P design specification of Yunnan-Guangdong line±800 kV DC transm ission project[R].Guangzhou:CSG Technology Research Center,2007.

[3]CSG Technology Research Center.DC protecion and DC filter protection C/Pdesign specification of Yunnan-Guangdong line±800kV DC ttransmission project[R].Guangzhou:CSG Technology Research Center,2007.

[4]卞先彬,楊文英,徐樂,等.延時繼電器電磁輻射干擾分析[J].通用低壓電器,2009(11):14-16.

[5]朱宏濤,楊文英,王淑娟,等.傳導干擾對電磁繼電器工作特性的影響分析[J].江蘇電器,2008(6):5-10.

[6]劉帆,陳柏超,卞利鋼.變電站二次電纜屏蔽層接地方式探討[J].電網技術,2003,27(2):63-67.

[7]吳國沛,劉育權,張志文.繼電保護裝置的電磁干擾實例分析[J].繼電器,2006,34(5):76-80.

[8]張智銳.繼電保護裝置干擾防護若干措施[J].廣東電力,2002,15 (3):66-68.

[9]吳茂林,崔翔.變電站地電位差對屏蔽電纜的電磁干擾分析[J].高電壓技術,2005,31(3):53-60.

[10]鄧光武,汪洋,周翔勝,等.穗東換流站二次設備接地方式的改進研究[J].南方電網技術,2010,4(2):75-78.