特高壓換流站直流隔離開關燒蝕分析及改進

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(1.國家電網公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000； 2.國家電網公司西藏電力公司檢修公司，西藏 拉薩 850000)

0 引 言

直流隔離開關是直流輸電開關電器中使用最多的一種電器，它本身的工作原理及結構比較簡單，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，對特高壓換流站的設計、建設和安全運行均影響較大[1]。復奉、錦蘇、賓金三大特高壓直流工程，其直流隔離開關分、合位信號全部由操作機構輔助開關接點給出，隔離開關分、合操作行程85%時，輔助接點轉換給出信號，其接點信號的正確性直接影響到直流輸電運行方式的判別，直流運行方式的正確與否直接導致控制模式及保護功能的改變[2-3]。

特高壓某換流站巡檢時發現某隔離開關觸頭有燒蝕痕跡，其主要是由于該隔離開關未完全合到位，控制系統卻收到了該隔離開關的合位信號，導致該路斷路器合閘時通流回路有大電流流過，從而使該隔離開關存在拉弧現象。在此背景下為了保證隔離開關一次狀態與二次返回信號一致，使直流隔離開關滿足“在額定電流及動、熱穩定電流的位置時發出合閘信號”的條件[4]，對換流站內相關直流隔離開關接點進行了相應的改進。

1 隔離開關燒蝕情況分析

1.1 故障情況

2016年3月23日，特高壓某換流站運行人員巡檢過程中發現直流場中性區域金屬回線轉換隔離開關03001觸頭有異常痕跡，檢修人員即進行了現場檢查，發現：該隔離開關拐臂無損傷，水平度良好；隔離開關下部支柱瓷瓶外觀無破損，垂直度在正常范圍內；隔離開關機構箱內部無異常；隔離開關兩側觸頭部位發現明顯燒蝕痕跡，如圖1所示。因隔離開關燒蝕嚴重，通流接觸面受損，已不具備合閘運行能力，需要對隔離開關觸頭進行更換。

圖1 隔離開關觸頭燒蝕情況

1.2 故障分析

一般情況下，觸頭燒蝕的主要原因是在隔離開關操作過程中發生拉弧放電，造成隔離開關觸頭燒蝕。而拉弧放電造成觸頭損傷的常見原因包括隔離開關合閘不到位，觸頭之間接觸不緊密，產生拉弧放電；帶負荷分、合隔離開關等[5]。金屬回線轉換隔離開關03001主要在單極大地回線運行工況下承載大電流，如圖2所示。而在此運行工況下巡檢中并未發現拉弧、發熱現象，可以排除觸頭之間接觸不緊密引起觸頭燒蝕的情況。因此主要考慮此隔離開關在進行操作過程中可能發生拉弧放電的情況。

隔離開關03001為西安西電高壓開關有限公司生產的ZGW1-150型直流隔離開關，其電動操作機構使用輔助開關提供分合位信號，其中分位信號使用常閉接點，合位信號使用常開接點。如圖3所示，操作機構由分閘位置到合閘位置運行時，輔助開關常開接點在0%～85%行程范圍內為常開，85%～100%為常閉；常閉接點在0%～15%行程范圍內為常閉，15%～100%為常開。

圖3 輔助開關行程

由上述可知，在隔離開關合閘過程中，其僅到達行程85%位置就已經送出合位信號，控制系統判定此隔離開關處于合閘位置。由金屬回線轉大地回線順控過程可知，控制系統判定隔離開關03001與隔離開關03002均處于合位，若在執行運行方式轉換前隔離開關01001或隔離開關02001已經處于合位、斷路器0600已經處于分位，將會執行下一步合上斷路器0300。軟件內與斷路器0300合閘相關的邏輯如圖4，在金屬回線轉大地回線過程中，軟件邏輯中斷路器0300在收到隔離開關03001、隔離開關03002合位信號后將無延時立即合上。

圖2 直流輸電接線

圖4 金屬回線轉大地回線順控邏輯

由于隔離開關03001合閘時間為8±1 s，而斷路器0300合閘時間僅為54 ms左右，由圖2可知在隔離開關03001實際未合閘到位時斷路器0300已經合閘。極中性母線此時已經與接地極連通，隔離開關03001的觸頭尚未完全接觸情況下流過大電流拉弧放電，最終造成觸頭燒蝕。

2 輔助開關取分合位信號隱患分析

高壓交流隔離開關和接地開關的國家標準中規定“除非動觸頭分別到達其合閘或分閘位置，并滿足位置可靠性，否則不應該發出合閘和分閘位置指示和位置信號”[6]，而高壓直流隔離開關和接地開關的國家標準中并沒有明確規定位置指示和位置信號的準確性。

目前隔離開關所用操動機構的輔助開關與其輸出軸通常都是直連的，如圖5所示，即輸出軸轉動的角度也是輔助開關轉動的角度，這樣可以為后臺提供準確可靠的分合閘位置信號。以輸出角度為90°的操動機構為例，理想狀態下，操動機構剛好轉動90°，隔離開關也剛好到達準確的分合閘位置，這種情況下，輔助開關可以做到100%的位置信號反饋。但在工程應用中，往往是操動機構轉動90°，隔離開關并未到達分合閘位置，這就需要對操動機構的輸出角度進行調整，以保證隔離開關準確到達分合閘位置，通常調整角度在90°±10°。如果輔助開關切換角度為90°，則很有可能在分合閘位置不能發出正確的位置信號，因此如圖6所示，其分合閘位置只能是一個范圍，通常為30°才能保證提供分合閘信號的準確性。

西開公司、阿海琺公司、平高公司生產的直流場隔離開關均采用輔助開關取分合位信號方案，而輔助開關為保證可靠性，均留有部分裕度，在隔離開關行程的85%～90%就會送出分合位信號。

輔助開關取分合位信號方案，在一次設備未到位時就送出分合位信號，對設備安全穩定運行有重大隱患，對一次設備本身及直流保護系統的安全穩定運行有嚴重影響。

圖5 隔離開關及輔助開關結構

圖6 輔助開關時序

2.1 對一次設備的影響

在合閘過程中，若未合閘到位，送出合位信號，控制系統判定隔離開關已經合閘，而一次設備還未擁有安全通過額定電流及動、熱穩定電流的能力，可能造成隔離開關觸頭的燒蝕，引起隔離開關發熱、操作壽命減少甚至觸頭燒毀。

2.2 對保護系統的影響

1)誤判運行方式導致保護誤退出

單極金屬回線方式下誤判運行方式將使整流站雙極保護系統內3套金屬回線縱差保護(MRLDP)、逆變站雙極保護系統內3套金屬回線接地保護(MRCGFP)、金屬回線橫差保護(MRTDP)退出運行，導致金屬回線無主保護運行。站內接地極運行時，誤判運行方式將導致雙極保護系統內3套站接地過流保護(SGOCP)與后備站接地過流保護(BUSGOCP)退出運行，導致站內接地極無保護運行。

雙極控制系統中金屬回線指示的判定涉及多個直流場斷路器與隔離開關的分合位指示。如圖7所示，金屬回線指示需同時滿足斷路器0400合位(整流站)、隔離開關04001合位、隔離開關81202與隔離開關01002合位(極Ⅰ金屬回線運行)、隔離開關81201與隔離開關02002合位(極Ⅱ金屬回線運行)。

以金屬回線縱差保護(MRLDP)為例，金屬回線縱差保護投入，即“金屬回線縱差保護使能(MRLDP_ENABLED)”信號為1，這需要“金屬回線指示(MR_IND)”為1，因此，任一隔離開關的分合位信號不準確，都可能導致保護系統誤判運行方式，相應保護退出運行。

2)保護定值選擇錯誤

隔離開關分合位信號不準確可能導致極保護系統內3套接地極開路保護(ELOCP)定值選擇錯誤，有誤動閉鎖直流風險。

如圖8所示，極保護內接地極開路保護(ELOCP)，

需要利用“金屬回線指示(MR_IND)”信號和是否為整流站選擇保護定值。相同的，任一“金屬回線指示(METALLIC_RETURN_IND)”判據隔離開關的分合位信號不準確，都可能引起動作定值、輸入量選擇錯誤造成保護誤動。

3 隔離開關輔助接點改進

接點改進主要為棄用原輔助開關的分合位信號，在隔離開關操作機構箱內增加限位開關，在隔離開關完全運行到位時送出分合位信號，保證分合位信號的準確性，消除隱患。

以西安西電高壓開關有限公司隔離開關改進為例，改造前隔離開關分、合位信號均由輔助開關給出，輔助開關在分、合閘行程85%即給出分合位信號，如圖9所示，其中SP1為分閘限位開關，SP2為合閘限位開關。限位開關采用LX19K型行程開關，行程開關有一對常開接點和一對常閉接點。當分合閘未到位時，相應限位開關在受壓狀態，常開接點閉合，常閉接點斷開。

改造后不再使用輔助開關提供分閘、合閘信號，改為使用限位開關提供分合位信號，如圖10所示。每臺隔離開關機構箱新增兩個行程開關。其中送入A套系統的分位、合位信號使用原有行程開關未使用的常開接點，與分合閘限位信號互異；送入B套系統的分位、合位信號使用新增行程開關的常開接點。相應地，將壓住行程開關的擋板加長。

圖7 金屬回線指示判定邏輯

圖8 金屬回線指示判定邏輯

圖10 改造后限位開關

圖11 三重化改造前后

改造完成后，對所有隔離開關多次進行操作試驗。首先進行就地操作，確保改造完成的隔離開關可完全分閘到位、合閘到位，分合閘狀態下送出的分合位信號正確可靠；再進行遠方分合閘試驗，確保改造后的隔離開關遠控功能正常，同時利用Hidraw檢查直流控保軟件內隔離開關分合位指示與現場一次設備狀態一致。最后，在金屬回線轉大地回線過程中，使用攝像機攝錄金屬回線轉換隔離開關03001分合閘過程，多次回看錄像，未發現明顯的拉弧放電現象，改造效果良好。

另外，由于現有直流保護用隔離開關分合閘指示通過控制主機送入保護系統，因此，主機控制系統內隔離開關分合閘指示錯誤，將同時導致3套保護系統內保護誤動作、誤退出或誤選定值，不滿足三重化冗余配置的要求。因此，可對接入保護系統的隔離開關分合位信號進行三重化改造。如圖11所示，3套保護系統獨立采集隔離開關分合位信號，保證

每套保護系統信號回路的獨立，以滿足三重化冗余配置要求。

4 結 語

通過對換流站金屬回線轉換隔離開關03001在操作過程中發生拉弧放電，導致觸頭燒蝕的缺陷分析，查找到隔離開關觸頭燒蝕的原因為使用85%行程的輔助開關，在隔離開關未完全合閘到位情況下即送出合位信號，造成隔離開關觸頭拉弧燒蝕。并分析了此類隱患可能對一次設備以及直流控制保護系統的影響；同時簡述了可行的解決方案，并且用于實際改造，改造效果良好，為國內其他換流站提供了借鑒。