換流站選相分合閘裝置誤動故障案例分析

徐晟

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510000）

0 引言

在換流站發展中引入了選相合閘裝置，希望通過裝置來降低合閘過程中的過電流以及過電壓，通過這種方式來提高斷路器的壽命，而且對于整個電力系統的穩定性而言也具有重要作用。但是在選相分閘裝置于換流站的應用中也存在一些問題，經常出現故障問題，誤動故障是典型代表。因此分析換流站選相分合閘裝置誤動故障并剖析其原因，提出應對改進策略十分必要，也具有重要意義。本文進行研究的過程中，以某換流站選相分合閘裝置的運行狀況為案例進行分析。

1 某換流站選相分合閘裝置運行狀況及誤動故障分析

某換流站5053開關跳閘（5051和5052開關根據方式安排在冷備用狀態），500 kV 1#站用變失電，10 kV備自投動作，由103 M帶101 M運行，交流負荷未受影響，直流系統運行在5000 MW。

圖1 SER信號Fig.1 SER signal

監控系統頻發5053開關選相合閘裝置故障信號，運行現場檢查上述時段內開關選相合閘裝置故障不停在進行重啟，重啟過程中有所有指示燈瞬時點亮的情況，5053開關跳閘，5053跳閘期間無保護跳閘信號[1]。檢修人員到現場后，選相合閘裝置運行指示燈常亮（正常應閃爍），對其面板菜單進行操作，發現其已死機。

圖2 裝置運行狀況圖Fig.2 device operation diagram

將現場故障裝置僅提供工作電源上電運行，發現裝置能夠正常啟動運行。但在經過連續數個小時的通電運行，裝置出現類似現場的異常自動復位現象，同時出現定值出錯及參數出錯等異常事件，并且裝置出現死機、液晶及按鍵無法正常工作的情況[2]。此檢測異常現象與裝置在現場的異常工況一致。

圖3 監視系統監控情況圖Fig.3 Monitoring system monitoring situation map

在裝置上電運行及復位期間，為檢測裝置分合閘出口情況，采用示波器分別接入A 相分閘及合閘出口監視，BC 相的分合閘出口分別接入測試盒監視，監視均具備出口捕獲自動保持功能。在接下來的監視過程中，未采集到裝置異常出口情況。

2 某換流站選相分合閘裝置誤動故障分析

2.1 自動復位原因分析

裝置出現頻繁自動復位故障的原因有兩個：一是裝置電源板故障；二是裝置系統板故障。裝置供電可靠性直接影響工作穩定性，對于裝置電源插件的故障，一般出現內部供電電壓不穩定時會導致裝置復位或無法上電，但不會出現定值、參數出錯等異常情況。此外，將返廠裝置的電源板件更換到另外一臺正常裝置拷機未出現復位情況，而返廠裝置在更換正常的電源板拷機后數小時即復現自動復位現象[3]。因此，故障點定位進一步明確為系統板。

裝置上電啟動后，首先會將存貯在系統板掉電不丟失存儲器件中的應用軟件拷貝至速度更快的SDRAM 存儲芯片中運行。應用軟件運行初始化時，將裝置參數、定值從掉電不丟失存儲器件中復制到SDRAM 中，理解為裝置軟件代碼及定值、參數在運行時均從SDRAM 中獲取。

當軟件運行代碼出現錯誤時，會使代碼執行指令出錯，CPU 會產生指令出錯中斷，程序進入死循環，導致硬件看門狗觸發裝置復位，復位時重新啟動后如果仍然出現異常，則再次觸發復位[4]。當存儲參數定值的存儲單元出錯時，裝置定值、參數數據載入SDRAM 芯片時的檢測工作無法完成，裝置會出現定值出錯或參數出錯記錄。

當軟件運行數據出現錯誤時，如果此時只有極少量的SDRAM 存儲單元出錯，CPU 軟件的大部分模塊還能夠正常運行。結合裝置的程序實現及事件記錄報定值、參數出錯等異常情況分析，可以確定裝置出現的頻繁自動復位現象是系統板的SDRAM 存儲芯片失效導致的[5]（圖4 中紅色框內芯片）。

圖4 異常板件Fig.4 Abnormal board

2.2 芯片故障原因分析

結合上述異常現象及裝置檢測結果分析，可以確定裝置異常復位的原因是SDRAM芯片損壞引起。經咨詢裝置選用的SDRAM芯片是SAMSUNG公司推出的成熟產品，在電力及工業領域廣泛應用。但即便是工業級或軍工級的電子元器件，也不可避免存在老化失效問題，而且即便是同一批次的芯片，也因為制造過程、運行環境及日常維護等因素表現出不同的失效周期。

此過程是無法通過常規的檢測手段提前獲知的。而且這種品質變化一般是由良好到失效的累積過程。考慮到裝置已經出廠并運行有近9 年時間，且在此期間基本是持續帶電運行狀態，導致系統板的SDRAM 芯片進入工作可靠性下降的失效周期。

2.3 硬件出口與5053 開關異常動作分析

3YL裝置控制回路出口采用繼電器串接MOSFET的方式完成分合閘控制。控制芯片由可編程邏輯器件選通，CPU系統進行控制，選相不動作時為內部閉鎖狀態。MOSFET采用專用的隔離驅動芯片進行隔離，繼電器采用光耦隔離。三相操作通過三個獨立的模塊進行控制[6]。裝置合閘回路示意圖如圖5所示。

系統在上電CPU初始化階段，CPLD將關閉控制芯片的選通信號。控制芯片處于閉鎖狀態，不會響應CPU指令。

圖5 裝置合閘回路示意圖Fig.5 Schematic diagram of the device closing circuit

2.4 軟件控制與5053 開關異常動作分析

2.4.1 開入板件異常

排除計劃內操作情況，如外部啟動信號異常或裝置硬件開入板件異常，均能夠使裝置采集到有效的合閘啟動信號，出現計劃外合閘的可能，但由此方式動作時裝置會產生相應的動作事件記錄。但現場返廠裝置進行開入信號采集測試結果正常，且無動作事件記錄。

2.4.2 數據采集異常

如果是由于SDRAM異常，導致采集信息出現從0到1的變化，裝置能夠進行合閘控制。但此現象只適用于單個開入信號上升沿啟動的情況，且保留有動作事件記錄。現場裝置采用雙開入可靠同步啟動方式，分別檢測合閘啟動、合閘啟動校驗等4個啟動信號。需要合閘啟動及校驗信號從0到1變化，再從1變化為0的過程后才認為啟動命令有效。因此，由芯片異常而導致采集信號變化誤啟動的可能性極小。

2.4.3 軟件執行異常

芯片異常后導致合閘命令數據變化或指令正好跳轉至合閘出口執行的分析如下：假設SDRAM異常，使得CPU極低概率下跳至出口指令，由出口控制過程可知，硬件出口設計是由繼電器和MOSFET串聯，必需二者均有效接通的情況下，控制出口才有效，并且這只是一相出口接通的可能。程序是基于實時嵌入式操作系統和高級語言開發的，只要CPU和存儲器有輕微的數據錯誤，馬上會導致軟件系統崩潰，從而進入異常處理中斷觸發裝置復位或死機[7]。

根據以上推論，3YL裝置在SDRAM出現異常時，CPU很快就會進入異常中斷函數，呈現死循環狀態。在這種情況下，能夠誤發合閘命令的概率是極低的，但從客觀上講也不能夠完全排除。另外的情況是SDRAM失效的初始階段，此時只有極少量的存儲單元出錯，CPU軟件的大部分模塊還能夠正常運行[8]。如個別關鍵存儲單元出現錯誤，包括硬件出口設計中自動復位時電壓波動、參數變化影響因素，盡管概率不高，但會有一定概率導致裝置誤出口，此時設計的對策主要是參考保護裝置控制雙重化方式，進行軟硬件系統的冗余設計。

2.5 小結

2.5.1 裝置異常自動復位原因

經檢測分析確定，現場3YL 裝置頻繁自動復位原因，是由于系統板的SDRAM 存儲芯片損壞所致。裝置所采用的SDRAM 設計和芯片選型方案早已被電力行業和工控行業廣泛采用，現場出現的損壞為工程個例。

2.5.2 裝置故障與5053 開關計劃外動作關聯度分析

由于硬件故障后裝置持續運行的時間較長，且裝置的控制出口沒有做到完全旁路處理，時間及故障的積累效應對裝置保持其運行可靠性是不利的。因目前暫未捕捉到故障裝置的出口信號，后續將繼續跟蹤，因裝置出口回路當前設計方式可能在故障時頻繁復位期間，因內部電壓波動、元件參數特性變化等因素，目前不排除異常出口的可能。

3 換流站選相分合閘裝置誤動故障整改措施及建議

3.1 故障應對措施措施

要求選相合閘裝置廠家對更換下的選相合閘裝置進行測試，明確故障原因。

經過測試之后，明確了裝置異常復位原因。但尚未重現裝置誤出口原因，后續將繼續開展相關檢查工作。

在廠家未明確裝置故障原因前，為防止再次出現選相分合閘裝置故障導致開關跳開的異常情況，開關復電后將采取將選相合閘裝置打至旁路且拆除分合閘出口接線的臨時措施，該措施不影響保護跳閘功能。

3.2 整改措施

3.2.1 增加壓板整改

智能選相合閘裝置旁路功能僅隔離開入功能回路，未對出口回路進行旁路或隔離。后續將結合現場實際情況，考慮對換流站智能選相分合閘裝置的分合閘出口回路增加壓板的整改方案[9]。

3.2.2 改進獨立雙系統控制方式

為避免裝置在出現硬件故障或運行異常時可能引起誤出口，參考保護裝置控制雙重化方式，進行軟硬件系統的冗余設計，對國立智能裝置進行下述優化：增加選通板插件，使裝置由單系統控制方式變化為獨立雙系統控制方式[10]。

圖7 裝置優化方案圖Fig.7 Device optimization plan

3.3 換流站選相分合閘裝置誤動故障整改與運維建議

圖6 增加壓板整改圖Fig.6 Increase the platen rectification chart

（1）在新改擴建工程中要求選相分合閘裝置在投旁路功能時，必須同時有隔離分合閘出口接線的措施（增設壓板或通過把手隔離）。

（2）充分研究各類型設備選相分合閘裝置功能投入需求，并在新改擴建工程中應用。

針對選相合閘裝置開展各站點運行規程的修編，明確運規中必須包含選相分合閘裝置的故障處置流程如下：①電源故障，則檢查電源的空開是否合上；若沒有合上，則應隔離分閘出口回路后再試合開關；試合不成功或空開在合上位置，則聯系檢修人員處理。②當進行斷路器合閘操作時，若因負荷對側無電壓、電流互感器T3無電流等原因導致運行燈不亮或選相分合閘裝置自身有問題，導致無法操作時。應立即停止操作，排除裝置以外一、二次設備無異常，通過選相分合閘裝置“投入/退出切換把手”將裝置退出，即實現旁路功能，對應斷路器的操作可根據現場實際要求和上級指示確定是否不通過選相分合閘裝置直接出口命令。故障排除后根據規定或者上級指示再確定是否將裝置投入。③若要對選相分合閘裝置裝置所控設備及其相關設備進行加壓注流試驗，尤其是對小組交流濾波器做注流試驗，必須先將該小組濾波器對應斷路器的選相分合閘裝置裝置退出，將其旁路。目的是為了防止選相分合閘裝置裝置誤判該斷路器的位置狀態，待加壓注流試驗結束后再投入選相分合閘裝置裝置。④當選相分合閘裝置發生頻繁重啟、復位以及死機情況，應第一時間通過選相分合閘裝置“投入/退出切換把手”將裝置退出，然后將裝置電源斷開。⑤為避免誤出口，裝置上電前，應斷開裝置分合閘出口壓板（若有）或臨時解除分合閘接線，在進行裝置上電。上電后裝置運行正常后，經萬用表測量分合閘出口壓板（若有）或臨時解除分合閘接線無正電位才允許將接線恢復。

4 結論

對于換流站而言，選相分合閘裝置誤動故障的分析和應對必須受到充分關注，深入分析原因，進行整改和優化，提高換流站以及整個電力系統運行的穩定性。