500kV長清變電站測控裝置故障分析

趙書楠 呂天光

1.山東電力超高壓公司 山東 濟南 250021；2.山東大學電氣工程學院 山東 濟南 250002

1 故障概述

4月13日下午2時27分左右，山東500kV長清變5022、21F、22F開關跳閘，監(jiān)控系統(tǒng)后臺顯示5042、5022、5023、500kV母線、220kV1A2A母線、長文線、母聯(lián)I、石長Ⅲ線、長興Ⅱ線、長許I、長許Ⅱ線、22F、1號2號所變、35kV2母線共計14臺測控裝置信息異常，顯示為雙位置信號錯誤。我方人員現(xiàn)場通過檢查后臺事件記錄，發(fā)現(xiàn)伴隨5022、21F、22F開關跳閘，后臺報“直流總屏絕緣一故障”、“直流總屏控母Ⅰ段電壓異?！薄ⅰ爸绷骺偲量啬涪穸呜撃妇€絕緣降低”、“直流瞬間接地”信號。經(jīng)過現(xiàn)場測控屏檢查現(xiàn)把故障表象列出，如表1所示。

經(jīng)過現(xiàn)場檢查情況，發(fā)現(xiàn)D25測控裝置遙信模塊大面積出現(xiàn)故障，隨即調用庫存，在現(xiàn)場更換故障的D25裝置遙信模塊。監(jiān)控系統(tǒng)5042、5022、5023、220kV1A2A母線、長文線、母聯(lián)Ⅰ、石長Ⅲ線、長興Ⅱ線測控裝置恢復正常運行；現(xiàn)場發(fā)生第二次開關跳閘事故。

22時58分左右，現(xiàn)場5021、5022、21F、22F四個開關跳閘，監(jiān)控系統(tǒng)長文線、分段21F、分段22F、長許Ⅱ線測控裝置電源直流空開跳開；現(xiàn)場空開合上時，發(fā)現(xiàn)有直流接地的現(xiàn)象，具體情況見下表2：

表1 站內第一次故障跳閘時測控裝置故障情況表

表2 站內第二次故障跳閘時測控裝置故障情況表

2 現(xiàn)場檢查

在現(xiàn)場兩次開關跳閘后，發(fā)現(xiàn)長文線間隔在第一次更換了遙信模塊后，再次出現(xiàn)遙信模塊被損壞的現(xiàn)象，故重點對長文線間隔兩次出現(xiàn)異常情況進行檢查，通過電源測試和對裝置遙信外回路進行絕緣檢查，發(fā)現(xiàn)該間隔的遙信模塊存在故障，更換故障的遙信模塊后，長文線測控裝置恢復正常運行。之后對長許I線、長許Ⅱ線、分段22F、1號2號所用變、35kV母線、500kV母線間隔進行故障恢復，現(xiàn)場所有測控裝置恢復正常運行。

在現(xiàn)場的故障裝置恢復正常運行以后再次對剩余的間隔進行檢測，發(fā)現(xiàn)5021、5031、220kV1B2B母線測控裝置的遙信板發(fā)生故障，通過更換遙信回路保險后，故障恢復。

經(jīng)過現(xiàn)場檢查和初步分析：引起現(xiàn)場測控裝置遙信模塊大面積的被損壞，主要是由外部直流回路有強電串入所致；為了對現(xiàn)場故障原因有更加清楚的分析，故對現(xiàn)場長文線間隔的遙信模塊和500kV母線間隔的電源模塊進行嚴格檢查測試，以便準確的分析故障原因。

3 硬件檢測

1）硬件檢測目的

（1）為了更加清楚的分析監(jiān)控系統(tǒng)測控裝置遙信模塊大面積出現(xiàn)故障的原因，找出引起測控裝置故障的原因；

（2）通過對測控裝置故障硬件的故障原因分析，查找500kV長清變開關跳閘故障原因，制定防范措施，防止類似問題發(fā)生，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2）硬件檢測對象

（1）500KV母線間隔測控裝置電源模塊；

（2）220KV長文線間隔測控裝置遙信模塊。

3）檢測順序

（1）電源模塊檢測

電源模塊示意圖，如圖1所示。

圖1 D25電源板示意圖

根據(jù)上面測控裝置的電源模塊圖，經(jīng)過檢測，測控裝置D25電源模塊被損壞的故障原因是：RV3/14V275壓敏電阻出現(xiàn)損壞，用萬用表測量電阻值為1100歐姆（正常為無窮大），更換壓敏電阻后故障恢復。

（2）遙信模塊檢測

遙信模塊示意圖2所示。

根據(jù)下面測控裝置的遙信模塊圖，經(jīng)過檢測，測控裝置D25遙信模塊被損壞的故障原因是：RV34/14V275壓敏電阻出現(xiàn)損壞，用萬用表測量電阻值為51歐姆（正常為無窮大），更換壓敏電阻后故障恢復。

圖2 D25遙信板示意圖

4 故障原因定位及分析

1）遙信回路工作原理

遙信回路工作原理，如圖3所示。

圖3 D25遙信回路原理圖

根據(jù)上面的遙信回路原理圖，當遙信外部回路空接點閉合時，電流是從DC+出去，經(jīng)保險F1→光電耦合器U→電阻R1→遙信接點→返回到DC-；光電耦合器U會輸出一個信號給測控裝置，產(chǎn)生SOE事件。

2）故障定位

根據(jù)壓敏電阻的工作原理，結合壓敏電阻的應用電子電路，引起壓敏電阻燒壞的原因是電源模塊和遙信模塊信號回路的電壓值超過了壓敏電阻技術參數(shù)要求，并且持續(xù)時間較長。

3）壓敏電阻（14V275）的工作原理及特性

壓敏電阻器是利用半導體材料的非線性伏安特性而制成的一種電壓敏感元件。圖4給出了壓敏電阻器的伏安特性曲線，可以看出，它是一條對稱的非線性曲線當外加電壓較低時，流過電阻的電流很小，壓敏電阻器呈高阻狀態(tài)；當外加電壓達到或超過壓敏電壓Uc時，壓敏電阻器的阻值急劇下降并迅速導通，其工作電流會增加幾個數(shù)量級，從而有效地保護了電路中的其他元件不會因過壓而損壞。

圖4 壓敏電阻器的伏安特性曲線

壓敏電阻的等效電路，如圖5所示。

圖5 壓敏電阻組成的等效電路

從圖中可以看出，壓敏電阻器的限制電壓可由下式確定:Vc=VsZv/（Zs+Zv）， 式中：Vc限制電壓；Vs-浪涌電壓；Zv-壓敏電阻器的阻抗，它可以從正常值的幾兆歐降到幾歐，甚至小于1Ω；Zs-電路總阻抗。從上式可見，Zv在瞬間流過很大電流時，瞬間過電壓大部分降落在Zs上，而用電被保護電器得到的電壓在其耐壓之下，因而能起到保護作用。

壓敏電阻器的工作特性曲線如圖6所示，通過它可以更明確看出壓敏電阻器對過電壓的保護作用。直線段為電路總阻抗Zs所確定的負載線，曲線是壓敏電阻器伏安特性曲線，兩者的交點Q即為保護工作點，它對應的限制電壓為Vc，它是使用了壓敏電阻后加在用電器具上的工作電壓。Vs為浪涌電壓，它已超過了用電器具的耐壓值Vl。加入壓敏電阻后，工作電壓V小于Vl，有效地保護了用電器具。

圖6 壓敏電阻器的工作特性曲線

4）電壓疊加分析

根據(jù)上面圖3，正常情況下DC-對大地的電壓是直流-110VDC，DC+對大地之間的電壓是+110V，DC+和DC-之間的電壓保持在220VDC。如有交流220VAC從遙信回路串到DC-上時，會強行把DC-端的電平改變，這樣DC-和大地之間的電壓就變成了220VAC，如下圖7所示：

圖7 交流串入DC－時的控制系統(tǒng)電壓波形圖

因220VAC是交流電壓有效值，所以DC-端對大地之間的電壓最大為+310VDC，最小為-310VDC，是一個50Hz交變波形。由于這個電壓的幅度沒有超過壓敏電阻14V275的承受電壓，所以接在DC-和地線之間的壓敏電阻（電源板上的RV2和遙信板上的RV37）不會損壞；由于DC+和DC-之間的電壓是直流電源電壓220VDC，所以DC+和大地之間的電壓就變成兩個電壓的疊加，從波形上看就是把220VAC的波形往上抬高了220VDC，如下圖8所示：

圖8 交流串入DC＋時的控制系統(tǒng)電壓波形圖

從圖8可以看出來，DC+對大地之間的負向最大電壓為-90V，DC+對大地之間的正向最大電壓為+530V，也是一個50Hz交變的波形，由于530V的電壓已經(jīng)大大的超過了壓敏電阻14V275的承受電壓，所以接在DC+和地線之間的壓敏電阻（電源板上的RV3和遙信板上的RV34）會損壞，最后導致直流系統(tǒng)出現(xiàn)的正端接地。

同樣的分析道理，如果220V交流電壓是從遙信回路或電源模塊的DC+串入，那么電源板上會直接將壓敏電阻RV2燒壞，在遙信模塊會直接將壓敏電阻RV37燒壞，最后導致直流系統(tǒng)的負端接地。

5 檢測結論

通過在現(xiàn)場排查和工廠檢測的實際情況，對現(xiàn)場故障現(xiàn)象的分析總結，最終定位山東長清變D25電源模塊和遙信模塊故障均由遙信外回路串入高電壓引起。

其預防措施如下：

1）加強對現(xiàn)場信號外回路監(jiān)管，避免外部線路出現(xiàn)破損；

2）現(xiàn)場定期對直流回路進行檢測和維護；

3）對220kV測控裝置的遙信電源和裝置電源進行隔離。

［1］張伯虎.電子元器件:性能檢測應用［M］.北京：金盾出版社，2009.

［2］余榮勝.一起交流串入直流回路故障原因的分析與處理［J］.江西電力，2001，（ 02）.

［3］莫蘭蘭，李躍華.淺述交流串入直流的前因后果及應對措施［J］.科技資訊，2010，（04）.