高壓直流輸電系統典型閉鎖事件分析

陳 堃，胡 偉，肖 繁，張侃君

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

±500 kV葛南直流于1989年正式投運，雙極額定輸送容量達到1 200 MW，直流輸電線路長1 046 km，是我國第一條投入商業運行的大容量遠距離直流輸電工程，由湖北葛洲壩換流站至上海南橋換流站[1-3]。

目前，葛洲壩換流站閥控系統采用的是許繼柔性輸電系統公司生產的VBE200閥控系統，2010年投運；極控系統采用的是南瑞繼保公司產品，閥控分A、B系統，與極控的A、B系統一一對應。閥控系統跟隨極控系統切換，閥控系統發出的跳閘命令發送到極控，極控視之為緊急故障，先切換控制系統，后發閉鎖直流命令。

基于葛洲壩換流站，本文介紹了一起由多維因素綜合導致的高壓直流輸電系統典型閉鎖事件，闡述了該事件的發展過程，分析了該事件處理過程中存在的疑難點，并提出了建議以避免類似故障的再次發生。

1 閉鎖事件概述

1.1 事件發生前后狀態

事件發生前，葛南直流為雙極大地回線運行方式，輸送功率為770 MW，極Ⅰ處于PCPA備用，PCPB值班狀態，極Ⅱ處于PCPA值班，PCPB備用狀態。

事件發生后，葛南直流運行方式為極Ⅱ單極大地回線運行方式，輸送功率為588 MW，極Ⅰ閉鎖，極Ⅱ正常運行。后按調度令將葛南直流轉至極Ⅱ單極金屬回線運行方式，輸送功率580 MW。

事件發生時，宜昌地區天氣為晴。

1.2 事件概述

某年某月某時，葛洲壩換流站極Ⅰ光TA合并單元發生故障，極Ⅰ極控系統P1PCPB退出值班狀態，P1PCPA由備用切換至值班狀態，切換后檢測到極Ⅰ換流器丟觸發脈沖信號，極Ⅰ閉鎖，極Ⅱ正常運行。

現場進行檢查發現，P1.DMI屏+1.H24位置合并單元間歇性重啟現象導致了雙極控保B套系統TDM通道故障，從而造成極Ⅰ極控系統P1PCPB退出值班狀態，P1PCPA由備用切換到值班狀態；極Ⅰ控制系統P1PCPB向P1PCPA進行切換后，由于此時閥控VBE的閥D4兩塊觸發板LE板均出現損壞，在這種狀況下晶閘管級控制板TE板不向VBE發送反饋信號，VBE不會產生EOC信號，因此兩套極控系統都檢測到了換流器丟脈沖信號，從而導致了極Ⅰ閉鎖。

故障發生后，葛南直流由極Ⅱ單極金屬回線運行方式轉至單極大地回線運行；葛南直流極Ⅰ由冷備用轉至熱備用，正常；葛南直流極Ⅰ進行不帶線路OLT試驗（300 kV），正常；葛南直流極Ⅰ啟動，葛南直流轉為雙極大地回線運行方式，輸送功率為580 MW。

2 保護動作分析

2.1 事件記錄

如表1所示，葛站P1.DMI（直流場測量接口）裝置故障告警，雙極控保系統P1PCPB、P2PCPB、BP1PPRB、P2PPRB都檢測到TDM（通信方式）通道故障信號，極Ⅰ保護出口被閉鎖。11:01:29，直流線路縱差保護啟動極Ⅰ極控系統P1PCPB的切換邏輯，切換至極Ⅰ極控系統P1PCPA，后P1PCPA檢測到閥觸發脈沖異常，極Ⅰ閉鎖。

表1 主要事件記錄Tab.1 Main event record

2.2 P1.DMI裝置檢查處理情況

由于P1.DMI裝置故障告警是該事件的起因，因此首先對葛站P1.DMI裝置進行了檢查。

現場檢查發現，P1.DMI屏+1.H24層機箱（南瑞繼保光TA合并單元）存在間歇性重啟現象，如圖1所示。檢查發現，重啟是由于該合并單元+1.H24.2位置DSP板NR1122A故障造成的。更換該板卡后合并單元恢復正常運行。

圖1 P1.DMI屏+1.H24層機箱重啟現象Fig.1 The restart of P1.DMI+1.H24

如圖2所示，合并單元+1.H24機箱的作用主要是：通過光纖接口板NR1125A采集極Ⅰ線路電壓Vd、中性母線電壓Vee、閥側中性母線電流 IdYC、線路電流IdYL、閥側極母線電流IdDC、中性母線出線電流IdDL，并通過DSP板NR1122A采用TDM總線通信方式分別送雙極控保系統P1PCPB、P1PPRB、P2PCPB、P2PPRB。

在該事件中，由于P1.DMI屏+1.H24位置合并單元間歇性重啟現象導致雙極控保B套系統TDM通道故障，從而造成極Ⅰ極控系統P1PCPB退出值班狀態，P1PCPA由備用切換到值班狀態。

圖2 P1.DMI屏+1.H24層機箱功能示意圖Fig.2 The functional diagram of P1.DMI+1.H24

2.3 換流器丟脈沖信號檢查情況

由于極Ⅰ控制系統P1PCPA由備用切換到值班狀態后，極Ⅰ兩套控制系統都檢測到了換流器丟脈沖信號，從而導致了極Ⅰ閉鎖，因此接著對該信號進行檢查。

2.3.1 丟脈沖信號導致極閉鎖原理

控制系統解鎖運行期間，值班、備用系統實時監視閥控每個閥臂脈沖反饋的EOC（電流過零點）信號，連續4個觸發周期未監視到反饋EOC信號，則產生“閥丟脈沖”信號，并申請系統切換，如果再連續2個周期未監視到反饋EOC信號，將發出“觸發脈沖異常跳閘”指令。其中為了防止出現極控系統的頻繁切換，極控系統退出運行狀態60 s內

圖3 極控系統退出運行60 s內無法恢復運行邏輯Fig.3 The diagram of logic schematic

無法恢復正常運行，如圖3所示。 由于此次極Ⅰ控制系統P1PCPB退出值班狀態不到60 s，極Ⅰ控制系統P1PCPA檢測到脈沖丟失后無法進行切換，因此直接發出了“觸發脈沖異常跳閘”指令。

2.3.2 故障錄波解讀

故障錄波如圖4所示。

圖4 故障錄波Fig.4 Fault recording

由圖4可以發現以下現象：

極Ⅰ控制系統切換后，直流電壓、電流UDL、IDL保持穩定；

極Ⅰ控制系統切換后，中性母線電壓Udn出現周期性波動，波動周期為一個周波20 ms；

極Ⅰ控制系統切換后，閥4發生了提前觸發的情況。

基于上述現象，對A相D4閥觸發情況進行了重點檢查，通過閥觸發試驗發現D4閥120個晶閘管均無法導通，進一步檢查發現閥控VBE屏負責D4閥觸發的兩塊觸發板LE板，發現其功能芯片表面均出現了不同程度的損壞現象，經廠家確認為接口芯片，功能為向晶閘管級控制板TE板發出觸發脈沖，如圖5所示。

圖5 觸發芯片表面損傷情況Fig.5 The damage of trigger chip

對上述兩塊LE板進行更換后再次進行觸發試驗，試驗結果正常。

因此可得結論：極Ⅰ控制系統P1PCPB向P1PC-PA進行切換后，由于此時閥控VBE的閥D4兩塊觸發板LE板均出現損壞，在這種狀況下晶閘管級控制板TE板不向VBE發送反饋信號，VBE不會產生EOC信號，因此兩套極控系統都檢測到了換流器丟脈沖信號，從而導致極Ⅰ閉鎖。

3 疑難點分析

通過現場檢查發現并處理問題后，該事件依然有一些對事件分析會產生誤導的疑難點需要解答。

3.1 極Ⅰ控制系統切換后，直流電壓、電流UDL、IDL保持穩定

根據現場檢查結果，極Ⅰ控制系統P1PCPA的閥控VBE負責閥D4觸發的兩塊觸發板LE板均處于損壞狀態，極Ⅰ的閥D4確實出現了丟觸發脈沖現象，理論上直流電壓、電流應該出現擾動，整流側換流站諧波保護應該動作，但根據故障錄播顯示，極Ⅰ控制系統切換后，直流電壓、電流UDL、IDL保持穩定。

如圖6所示，兩套極控系統PCP分別有一一對應的閥控系統VBE，兩塊觸發板LE為兩套系統共用，但具備分別對應兩套系統的接口芯片，接口芯片則向晶閘管級控制板TE板發出閥觸發脈沖。

圖6 閥觸發邏輯示意圖Fig.6 The diagram of logic schematic

根據廠家說明，TE板在接收到觸發命令時產生閥觸發脈沖，在接收到觸發復歸命令時停止產生閥觸發脈沖，如果沒有接收到觸發復歸命令，則根據閥的正向電壓建立情況持續發出閥觸發脈沖。由于在該事件中，極Ⅰ兩套控制系統切換時，極Ⅰ閥D4處于換相過程，尚未收到觸發復歸命令，極Ⅰ兩套控制系統切換后，極Ⅰ控制系統P1PCPA的閥D4觸發板LE均處于損壞狀態，未能向極Ⅰ閥D4的TE板發出觸發復歸命令，導致TE板持根據閥的正向電壓建立情況續發出閥觸發脈沖，從而直流電壓、電流保持穩定。

3.2 中性母線電壓Udn出現周期性波動，閥D4發生了提前觸發

由3.1可知，極Ⅰ閥D4的TE板未收到觸發復歸命令，導致TE板根據閥的正向電壓建立情況持續發出閥觸發脈沖，即一旦閥正向電壓建立則發出閥觸發脈沖，因此，閥D4上一旦建立正向電壓，則接收到觸發信號提前導通，由于與極Ⅱ換流閥導通時刻不一致，從而產生了中性母線電壓Udn出現周期性波動現象。

3.3 事件記錄與實際丟脈沖的換流器閥組件不對應

根據表1所示，故障報文顯示為D6（閥VB.V1）閥脈沖窗口期發出觸發脈沖丟失告警。但根據現場檢查結果，為A相的閥D4出現閥觸發脈沖丟失情況。

根據廠家說明，丟脈沖的判斷原理是按照在一個閥的CP脈沖窗口時間內檢測與之換相閥的EOC信號來判斷，若在CP脈沖窗口時間內檢測不到EOC則報丟脈沖，若在CP窗口時間外檢測到EOC則報誤觸發。例如，D6閥CP脈沖窗口時間內檢測不到D4閥的EOC信號則報D6閥丟脈沖；D6閥CP脈沖窗口時間外收到D4閥EOC則報D6閥誤觸發。

4 結論

由于P1.DMI屏+1.H24位置合并單元間歇性重啟現象導致雙極控保B套系統TDM通道故障，從而造成極Ⅰ極控系統P1PCPB退出值班狀態，P1PCPA由備用切換到值班狀態。

極Ⅰ控制系統P1PCPB向P1PCPA進行切換后，由于此時閥控VBE的閥D4兩塊觸發板LE板均出現損壞，在這種狀況下晶閘管級控制板TE板不向VBE發送反饋信號，VBE不會產生EOC信號，因此兩套極控系統都檢測到了換流器丟脈沖信號，從而導致極Ⅰ閉鎖。

5 結語

由于從2015年發生的TE板過熱損壞事件到該事件的發生，其直接原因都是閥控系統內部功能板卡出現問題，但無有效告警措施，只能依靠人力進行排查，嚴重影響系統故障后的重新投運效率。因此，閥控系統的監控系統亟待完善。

建議極控、閥控系統采用同一廠家產品，不同廠家產品對于故障定位、處理等工作會造成不必要的困擾。

由于葛洲壩換流站投運年限長，易發生故障，建議多配置備品備件。

（References）

[1]舒印彪.中國直流輸電的現狀及展望[J].高電壓技術，2004，30(11)：1-2．SHU Yinbiao.Present status and prospect of HVDC transmission in China[J].High Voltage Engineering，2004，30(11)：1-2．

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M]．北京：中國電力出版社，2010．ZHAO Wanjun.HVDC transmission engineering technology[M].Beijing:China Power Press,2010.

[3]CHEN Kun,ZHOU Youbin,ZHANG Kanjun,et al.Research on the user-defined modeling of HVDC converter firing control based on ETSDAC[C]∥the 5th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies(DRPT2015),Changsha,2015.