±800 kV直流換流站單極閉鎖原因分析及改進(jìn)措施

魏 星

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 550003)

0 引言

某直流輸電工程為南方電網(wǎng)公司第2條800 kV電壓等級(jí)的直流輸電工程，其主要作用是把某大型水電站生產(chǎn)的清潔電能輸送到廣東負(fù)荷中心。該工程額定輸送容量5 000 MW，電壓為±800 kV，線(xiàn)路全長(zhǎng)1 413.96 km，工程兩端換流站采用每極2組12脈動(dòng)閥組串接結(jié)構(gòu)換流器，光直接觸發(fā)技術(shù)。該工程于2011-12-02開(kāi)工建設(shè)，2015-05-30全部建成并投入商業(yè)運(yùn)行。工程兩端換流站設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率均超過(guò)60 %。該工程的投產(chǎn)，對(duì)減少大氣污染、緩解云南水電棄水、優(yōu)化東西部電力資源配置起到了積極作用。

由于該工程設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率較高，運(yùn)行方式多樣，在運(yùn)行過(guò)程中容易受到天氣、過(guò)電壓、設(shè)備老化等多方面的影響，單極閉鎖因素較多。

下面對(duì)該工程送端某換流站在2016年4月發(fā)生的一起單極閉鎖事件進(jìn)行分析，通過(guò)錄波分析和試驗(yàn)測(cè)試等方式，查找單極閉鎖的根本原因，并開(kāi)展針對(duì)性的硬件批次更換和保護(hù)軟件升級(jí)。后續(xù)的生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐表明，實(shí)施的改進(jìn)措施切實(shí)有效。

1 直流換流站單極閉鎖過(guò)程

1.1 直流換流站單極閉鎖簡(jiǎn)要過(guò)程

2016-04-05，該直流換流站極I高端閥組組控系統(tǒng)1屏內(nèi)F312空開(kāi)跳閘，組控系統(tǒng)1控制主機(jī)產(chǎn)生ESOF(緊急停運(yùn))信號(hào)，并通過(guò)控制總線(xiàn)送出“合BPS開(kāi)關(guān)”命令信號(hào)至極I高端閥組保護(hù)。極I高端閥組保護(hù)82BPS保護(hù)Ⅱ段動(dòng)作。極Ⅰ雙閥組由運(yùn)行轉(zhuǎn)為閉鎖狀態(tài)。閉鎖前直流功率為1 840 MW，閉鎖后直流功率無(wú)損失，2套安穩(wěn)系統(tǒng)均正確啟動(dòng)。

1.2 控制保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作情況分析

在800 kV直流換流站控制保護(hù)中，直流保護(hù)系統(tǒng)分為極保護(hù)和閥組保護(hù)系統(tǒng)，均采用2套保護(hù)同時(shí)工作、并列運(yùn)行的方式，任意一套保護(hù)動(dòng)作均出口跳閘。保護(hù)裝置采用西門(mén)子公司的SIMATIC TDC數(shù)字多微機(jī)處理系統(tǒng)，其直流保護(hù)系統(tǒng)包括極級(jí)換流器保護(hù)、閥組級(jí)換流器保護(hù)、直流母線(xiàn)保護(hù)、直流線(xiàn)路保護(hù)、直流濾波器保護(hù)等。

旁路開(kāi)關(guān)保護(hù)屬于閥組級(jí)換流器保護(hù)，其保護(hù)定值和出口時(shí)間如表1所示。

表1 旁路開(kāi)關(guān)(82BPS)保護(hù)定值

由錄波分析可知，在極Ⅰ高端閥組控制系統(tǒng)發(fā)出BPS(By Pass Switch，合旁路開(kāi)關(guān))合閘命令后，500 ms內(nèi)IdBPS確實(shí)小于0.07 p.u.，IdCH大于0.09 p.u.，旁路開(kāi)關(guān)2段保護(hù)正確動(dòng)作閉鎖極I組。

在旁路開(kāi)關(guān)保護(hù)2段動(dòng)作后，旁路開(kāi)關(guān)的合閘狀態(tài)仍保持為0，旁路開(kāi)關(guān)在閥組控制發(fā)出合閘命令后并未真正合上，現(xiàn)場(chǎng)檢查旁路開(kāi)關(guān)確在分位。對(duì)保護(hù)回路檢查分析發(fā)現(xiàn)，在F312空開(kāi)跳開(kāi)后，LFM邏輯功能模塊失去工作電源，經(jīng)LFM邏輯模塊出口的旁路開(kāi)關(guān)合閘命令無(wú)法送至開(kāi)關(guān)本體。

綜上所述，閥組控制系統(tǒng)在發(fā)出BPS合閘命令后，激活BPS保護(hù)2段功能。旁路開(kāi)關(guān)因LFM模塊失電而無(wú)法合閘，所有保護(hù)動(dòng)作判據(jù)均滿(mǎn)足，2套閥組保護(hù)動(dòng)作閉鎖極I雙閥組，保護(hù)正確動(dòng)作。

2 直流單極閉鎖原因分析

根據(jù)極I高端閥組故障錄波信息分析，極I高端閥組控制系統(tǒng)1的COL電源故障，隨后極I高端閥組控制系統(tǒng)1發(fā)出ESOF信號(hào)。

由錄波可知，極Ⅰ高端組控系統(tǒng)1發(fā)出了ESOF信號(hào)(該信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間為2 ms)，而系統(tǒng)2并未發(fā)出ESOF信號(hào)。對(duì)照SER信息查找SIMATIC TDC程序，發(fā)現(xiàn)該信號(hào)來(lái)自于組控監(jiān)視功能。分析閥組ESOF邏輯，發(fā)現(xiàn)此組控監(jiān)視跳閘邏輯將啟動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)合閘命令。

進(jìn)一步分析控制保護(hù)程序可知，以下3種故障可能導(dǎo)致組控監(jiān)視跳閘邏輯發(fā)出ESOF：

(1) Tapchanger Monitoring Trip，即分接頭監(jiān)視功能跳閘；

(2) Firing Angle Monitoring，即觸發(fā)角監(jiān)視功能跳閘；

(3) Group DC Prot 1 and 2 not ok，即閥組保護(hù)系統(tǒng)1和2均故障。

根據(jù)SER事件和故障錄波信息分析得知：跳閘前后未發(fā)現(xiàn)與換流變分接開(kāi)關(guān)監(jiān)視故障相關(guān)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)核查換流變分接頭均在正常檔位，且極1雙閥組觸發(fā)角無(wú)明顯變化。因此，排除前2種故障情況引發(fā)ESOF的可能性。針對(duì)第3種故障情況。由直流24 V電源接線(xiàn)(見(jiàn)圖1)可知：閥組保護(hù)系統(tǒng)1，2的故障信號(hào)由組控系統(tǒng)對(duì)2套閥組保護(hù)故障狀態(tài)監(jiān)視所產(chǎn)生；閥組保護(hù)系統(tǒng)開(kāi)入到組控系統(tǒng)的接點(diǎn)，其24 V正電由組控系統(tǒng)中的-F311直流空開(kāi)供電。一旦2套閥組保護(hù)同時(shí)故障或K205，K206光耦接點(diǎn)因其他原因同時(shí)斷開(kāi)，組控系統(tǒng)將判斷為2套閥組保護(hù)系統(tǒng)均不可用，從而執(zhí)行閥組監(jiān)視跳閘邏輯，啟動(dòng)閥組ESOF順序。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)極I高端組控系統(tǒng)1屏柜內(nèi)的COL/LFM模塊電源空開(kāi)F312跳開(kāi)。F312空開(kāi)與F311空開(kāi)均接至同一直流24 V母線(xiàn)。運(yùn)行過(guò)程中，F(xiàn)312空開(kāi)所帶的COL，LFM模塊內(nèi)部有可能發(fā)生瞬時(shí)性短路故障，24 V母線(xiàn)電壓瞬時(shí)跌落，2套閥組保護(hù)Release信號(hào)接點(diǎn)斷開(kāi)，導(dǎo)致閥組控制系統(tǒng)1判斷無(wú)閥組保護(hù)運(yùn)行，發(fā)ESOF信號(hào)。

根據(jù)閥組控制的ESOF順序邏輯，閥組ESOF過(guò)程將啟動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)合閘請(qǐng)求。在閥組控制系統(tǒng)1發(fā)出ESOF信號(hào)時(shí)，閥組控制系統(tǒng)1的旁路開(kāi)關(guān)合閘命令也同時(shí)發(fā)出。

圖1 直流24 V電源接線(xiàn)

因此得出初步結(jié)論：極I組控系統(tǒng)在運(yùn)行中，因F312空開(kāi)所帶的COL，LFM模塊發(fā)生瞬時(shí)性短路故障并跳開(kāi)，組控系統(tǒng)1判斷無(wú)閥組保護(hù)運(yùn)行，發(fā)ESOF信號(hào)，同時(shí)發(fā)出合旁路開(kāi)關(guān)命令。旁路開(kāi)關(guān)因LFM模塊失電而無(wú)法合閘，保護(hù)動(dòng)作閉鎖極I雙閥組。極I高端閥組保護(hù)旁路開(kāi)關(guān)保護(hù)2段正確動(dòng)作，現(xiàn)場(chǎng)安穩(wěn)系統(tǒng)正確啟動(dòng)。

3 單極閉鎖補(bǔ)充試驗(yàn)情況

3.1 F312空開(kāi)試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步確認(rèn)空開(kāi)跳閘原因，開(kāi)展了F312開(kāi)關(guān)試驗(yàn)和分析。F312空開(kāi)為菲尼克斯公司的產(chǎn)品，其異常跳閘原因可能是空開(kāi)本身或其所帶的COL/LFM模塊故障。因此，將該站極I組系統(tǒng)F312空開(kāi)及COL/LFM模塊在南方電網(wǎng)特高壓直流重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試F312空開(kāi)及COL/LFM的絕緣性能和工作特性。

3.1.1 空開(kāi)絕緣性能測(cè)試

(1) 測(cè)試方法：檢查F312空開(kāi)和正常空開(kāi)的絕緣電阻，用搖表測(cè)試輸入信號(hào)端對(duì)地、輸出信號(hào)端對(duì)地的絕緣性能。

(2) 測(cè)試過(guò)程：用搖表測(cè)試F312空開(kāi)和正常空開(kāi)的絕緣電阻，阻值均大于500 MΩ，絕緣性能良好。

3.1.2 空開(kāi)跳閘特性曲線(xiàn)測(cè)試

(1) 測(cè)試方法：測(cè)試回路如圖2所示，用可變電阻模擬負(fù)載電路，利用可變電阻改變流過(guò)空開(kāi)的電流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄不同電流對(duì)應(yīng)的跳閘時(shí)間，繪制空開(kāi)的跳閘特性曲線(xiàn)。

圖2 F312空開(kāi)測(cè)試接線(xiàn)

(2)測(cè)試過(guò)程:在2次不同溫度環(huán)境下測(cè)得的2個(gè)F312跳閘特性曲線(xiàn)，如圖3，4所示。

圖 3 F312空開(kāi)實(shí)驗(yàn)所得跳閘特性曲線(xiàn)(常溫26 ℃)

圖4 F312空開(kāi)實(shí)驗(yàn)所得跳閘特性曲線(xiàn)(恒溫55 ℃)

從圖3，4可知，“常溫”(26 ℃)和“環(huán)境溫度55 ℃”的實(shí)驗(yàn)所得曲線(xiàn)均落在出廠(chǎng)跳閘特性曲線(xiàn)內(nèi)，符合菲尼克斯公司TM系列空開(kāi)的正常工作特性。

3.2 COL/LFM模塊硬件試驗(yàn)分析論證

COL模塊的主要功能是監(jiān)視2套冗余組控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并實(shí)行系統(tǒng)切換。LFM模塊為“2取1”邏輯功能模塊，可使成為主系統(tǒng)的閥組控制系統(tǒng)信號(hào)有效，禁止備用系統(tǒng)的信號(hào)出口。

(1) 測(cè)試方法：拆開(kāi)COL模塊和LFM模塊外殼，檢查背板總線(xiàn)、模塊電路板是否存在明顯故障點(diǎn)；搭建COL模塊和LFM模塊功能測(cè)試電路，分別對(duì)開(kāi)入信號(hào)加24 V電壓置1，觀(guān)察狀態(tài)顯示燈，在開(kāi)出信號(hào)接開(kāi)出繼電器(有顯示燈顯示分合狀態(tài))，逐一檢驗(yàn)?zāi)K輸入通道是否正常。

(2) 測(cè)試過(guò)程：

① 檢查COL，LFM模塊的背部總線(xiàn)、電路板正反面，肉眼觀(guān)察未發(fā)現(xiàn)明顯的故障點(diǎn)，亦未聞到燒焦味，初步推斷該模塊沒(méi)發(fā)生永久性短路故障。

② 測(cè)試COL開(kāi)入開(kāi)出通道是否正常，開(kāi)入信號(hào)端有：PS OK，HW OK，SW OK，VBE OK；在COL面板上的狀態(tài)顯示燈有：PS OK燈、HW OK燈、SW OK燈、VBE OK燈、MOD燈、MAN燈、SYS STAT、ACTIVE燈；開(kāi)出信號(hào)端有：NO ESOF，SYS OK，System Active，System Passive。

按COL，LFM模塊的電源回路連接圖連接模塊、開(kāi)出繼電器、電源等。

對(duì)開(kāi)入信號(hào)進(jìn)行外部置位，觀(guān)察COL模塊指示燈狀態(tài)和開(kāi)出繼電器狀態(tài)。由測(cè)試整體評(píng)價(jià)可知，COL模塊開(kāi)入開(kāi)出通道均正常。

③ 測(cè)試COL切換主用/備用雙向切換功能是否正常，切換結(jié)果是否正確。由測(cè)試整體切換結(jié)果可知，COL主從系統(tǒng)切換結(jié)果均正確。

④ LFM模塊邏輯較為簡(jiǎn)單，且沒(méi)有指示燈，因此只需進(jìn)行功能校驗(yàn)。由測(cè)試可知，LFM通道選擇結(jié)果均正確，“2取1”功能正常。

⑤ 空開(kāi)帶模塊長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試。

測(cè)試方法：接線(xiàn)如圖5所示，圖中2個(gè)COL共用1個(gè)模塊供電的輸入端，信號(hào)輸入端分開(kāi)，設(shè)置2個(gè)電壓測(cè)點(diǎn)u1，u2以及4個(gè)電流測(cè)點(diǎn)，，，。

圖5 回路設(shè)置的電壓電流測(cè)點(diǎn)

以L(fǎng)FM，COL和光耦繼電器模擬現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載情況(0.5 A)，回路長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，通過(guò)示波器監(jiān)視各電壓電流測(cè)點(diǎn)的變化。當(dāng)該站F312空開(kāi)跳開(kāi)時(shí)，由u2下降沿觸發(fā)錄波，同時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)的波形。

測(cè)試過(guò)程：經(jīng)過(guò)62 h的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，F(xiàn)312空開(kāi)出現(xiàn)跳閘，F(xiàn)312備品空開(kāi)沒(méi)有跳閘。查看故障時(shí)刻觸發(fā)的錄波，從T0到T2時(shí)刻變化如表2所示。

表2 該站F312空開(kāi)跳開(kāi)時(shí)刻的電流電壓變化

以上測(cè)試結(jié)果表明，由于該站F312空開(kāi)流入流出電流，有突變(0.56 A→37.5 A)，而沒(méi)有突變，可以定位故障點(diǎn)在與之間的支路1、支路2或支路3中。因支路3的F312備品空開(kāi)沒(méi)有跳開(kāi)，可以排除支路3(正常COL的信號(hào)輸入支路)出現(xiàn)故障點(diǎn)。因沒(méi)有出現(xiàn)突變，判定為非接地故障。因此，可判定為支路1或支路2內(nèi)部某一時(shí)刻出現(xiàn)故障點(diǎn)，導(dǎo)致24 V直流電壓跌落。

綜上所述，判定故障原因?yàn)槠凉駜?nèi)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，支路1或支路2內(nèi)部出現(xiàn)短路故障點(diǎn)，回路出現(xiàn)大電流而拉低電源電壓，然后大電流導(dǎo)致該站F312空開(kāi)跳閘。這與現(xiàn)場(chǎng)情況一致。因此，路故障點(diǎn)位置在支路1或支路2內(nèi)部。

4 直流閉鎖改進(jìn)措施及工程實(shí)踐

4.1 單極閉鎖最終原因確定

(1) 空開(kāi)絕緣測(cè)試、跳閘特性曲線(xiàn)測(cè)試、長(zhǎng)時(shí)熱特性測(cè)試等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該站F312空開(kāi)正常。

(2) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該站COL/LFM模塊的外觀(guān)、通道、功能均正常。

(3) 空開(kāi)帶模塊長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試出現(xiàn)電壓瞬時(shí)跌落和F312空開(kāi)跳開(kāi)現(xiàn)象，與現(xiàn)場(chǎng)情況一致，可鎖定支路1或支路2內(nèi)部出現(xiàn)短路故障點(diǎn)(非接地故障)，初步懷疑COL模塊或光耦存在故障。

(4) 通過(guò)聯(lián)系設(shè)備廠(chǎng)家并根據(jù)COL模塊詳細(xì)電路圖，并借助外部專(zhuān)業(yè)檢測(cè)力量，對(duì)故障COL模塊開(kāi)展了元件級(jí)專(zhuān)業(yè)測(cè)試。最終查明了故障為COL模塊板卡制造工藝問(wèn)題，在長(zhǎng)期運(yùn)行中特別是環(huán)境濕度較高時(shí)，該模塊板卡內(nèi)部分虛焊點(diǎn)出現(xiàn)短路所致。

(5) 出現(xiàn)短路故障后，回路出現(xiàn)大電流而拉低電源電壓，然后大電流導(dǎo)致F312空開(kāi)跳閘。在F312開(kāi)關(guān)跳閘過(guò)程中，DC 24 V電源電壓出現(xiàn)短時(shí)波動(dòng)(約2 ms)，此時(shí)2套閥組保護(hù)Release信號(hào)接點(diǎn)斷開(kāi)，導(dǎo)致組控系統(tǒng)判斷無(wú)閥組保護(hù)運(yùn)行，發(fā)ESOF信號(hào)跳閘。

4.2 硬件改進(jìn)和軟件升級(jí)措施

4.2.1 硬件方面

由于最終確定為該直流雙端換流站的COL模塊制造工藝批次性問(wèn)題，以此提出了針對(duì)性反措。廠(chǎng)家根據(jù)最新工藝生產(chǎn)了新批次的COL模塊，并在2017年1月該直流綜合停電期間對(duì)兩端換流站COL模塊進(jìn)行了全部更換。模塊更換至今運(yùn)行狀況良好。

4.2.2 軟件方面

為增加保護(hù)可靠性，將控制系統(tǒng)收到的2套保護(hù)不OK信號(hào)增加軟件抗干擾措施(軟件增加6 ms防抖邏輯)，躲過(guò)信號(hào)電源短時(shí)擾動(dòng)過(guò)程，消除直流閉鎖風(fēng)險(xiǎn)。軟件升級(jí)工作已經(jīng)在2017年1月該直流綜合停電期間完成。軟件修改示意如圖6所示。

5 結(jié)論

介紹了某直流換流站極Ⅰ單極閉鎖事件的過(guò)程，分析了相關(guān)保護(hù)正確動(dòng)作的情況。針對(duì)故障的COL/LFM模塊進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)補(bǔ)充試驗(yàn)論證等方式查找了閉鎖的根本原因。針對(duì)故障原因從硬件和軟件2方面提出了改進(jìn)措施，并在現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施。實(shí)施后的設(shè)備運(yùn)行狀況表明，所提出的解決方案極大提升了該直流換流站的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖6 控制保護(hù)系統(tǒng)軟件修改示意

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