錦蘇特高壓直流工程閥控VBE-RDY置零故障分析

楊萬開，曾南超，劉飛

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192;2.西安西電電力系統(tǒng)有限公司，西安市 710075)

0 引言

高壓直流系統(tǒng)傳輸容量的快速增長使得換流閥技術(shù)和控制保護(hù)技術(shù)得到了飛速的改進(jìn)和提高，輸送距離的延長推進(jìn)了特高壓直流輸電技術(shù)［1-6］。6英寸大容量晶閘管換流閥的應(yīng)用，以及換流閥與控制保護(hù)接口技術(shù)的應(yīng)用，使得不同技術(shù)路線控制保護(hù)技術(shù)與不同技術(shù)路線的換流閥之間實(shí)現(xiàn)了連接，并在特/超高壓直流輸電工程中得到了應(yīng)用［7］。

在錦屏—蘇州±800kV特高壓直流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試［8-9］過程中，錦屏站發(fā)生了幾次換流器閉鎖后，直流控制(換流器控制)給VBE下達(dá)指令投旁通對，但在投旁通以后，VBE-RDY突然變成零電位，導(dǎo)致VBE退出運(yùn)行;在進(jìn)行VBE盤柜110 V電源丟失試驗(yàn)時(shí)，VBE-RDY變?yōu)榱汶娢?，?dǎo)致直流換流器跳閘閉鎖。本文對VBE-RDY信號變?yōu)榱銌栴}進(jìn)行詳盡分析，并提出改進(jìn)措施，為工程的順利投運(yùn)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為進(jìn)一步推進(jìn)特高壓直流輸電工程建設(shè)和系統(tǒng)調(diào)試工作積累基礎(chǔ)技術(shù)資料和經(jīng)驗(yàn)。

1 VBE工作原理

錦蘇特高壓直流工程錦屏換流站極I 2個(gè)換流閥和極II高端換流閥采用基于SIEMENS(西門子)公司技術(shù)的換流閥［10］。換流閥的控制和監(jiān)控系統(tǒng)是由閥基電子設(shè)備(valve base electronics，VBE)實(shí)現(xiàn)的，VBE不僅對換流閥晶閘管進(jìn)行觸發(fā)和監(jiān)測，同時(shí)也是換流閥和其他控制保護(hù)系統(tǒng)的接口。VBE的功能是:產(chǎn)生所有晶閘管換流閥的觸發(fā)脈沖，監(jiān)測晶閘管換流閥及其相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，在反向恢復(fù)期保護(hù)晶閘管免受損壞，產(chǎn)生換流閥電流過零關(guān)斷信號，執(zhí)行自檢等。

晶閘管觸發(fā)和監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。TC＆M的硬件由2個(gè)互為熱備用冗余的微處理器系統(tǒng)組成，也就是2個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)都在工作，但只有1個(gè)系統(tǒng)在控制換流閥。每個(gè)系統(tǒng)的故障檢測包括:信號檢測、看門狗邏輯、自檢和微處理器互檢。一旦有故障，“VBE 就緒”(VBE READY，VBE-RDY)信號立即啟動切換邏輯，自動切換到備用系統(tǒng)。如果2套TC＆M都發(fā)出VBE-RDY信號置零，立即產(chǎn)生1個(gè)跳閘信號并將閥閉鎖。

圖1 晶閘管觸發(fā)和監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of thyristor firing and monitoring system

2 換流器跳閘VBE-RDY信號置零分析

2.1 VBE-RDY信號置零分析

在錦蘇特高壓直流工程極II高端換流器系統(tǒng)調(diào)試過程中，錦屏站模擬極Ⅱ高端換流器極母線差動保護(hù)閉鎖試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)換流器保護(hù)閉鎖后，出現(xiàn) VBE-RDY變成零電位導(dǎo)致VBE退出運(yùn)行的故障，換流器隔離［11］。TFR錄波圖如圖2所示。

按照工程換流器保護(hù)設(shè)計(jì)原則，模擬極Ⅱ整流側(cè)直流極母線差動保護(hù)跳閘，換流器不應(yīng)隔離，但在模擬試驗(yàn)中極Ⅱ高端換流器報(bào)閥控故障并隔離。經(jīng)過分析，當(dāng)時(shí)的工況是模擬極II直流母線差動故障，保護(hù)將換流閥對應(yīng)斷路器跳閘，在發(fā)出跳閘指令的同時(shí)，極控給VBE下達(dá)指令投旁通對，但在投旁通以后，VBE-RDY突然變成零電位，導(dǎo)致VBE退出運(yùn)行。

圖2 極Ⅱ高端極母線差動保護(hù)跳閘，換流器隔離錄波圖Fig.2 Converter insulation record waves while DC pole bus differential protection tripping of pole 2 high voltage converter

通過檢查系統(tǒng)調(diào)試記錄，對極II系統(tǒng)調(diào)試錦屏側(cè)5次模擬高端換流器保護(hù)跳閘試驗(yàn)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)3次模擬跳閘試驗(yàn)投入旁通對發(fā)生了VBE-RDY變成零電位的故障，第1次是錦屏站極II高端換流器手動緊急停運(yùn)，極隔離，換流器跳開，投入投旁通，直流換流器閉鎖;第2次錦屏站下令模擬極Ⅱ高端換流器過流保護(hù)跳閘，事件顯示“直流過流保護(hù)跳閘，直流閉鎖”，極隔離，換流變跳開，換流器閉鎖;第3次是錦屏站極Ⅱ高端極母線差動保護(hù)閉鎖試驗(yàn)投旁通。3次都發(fā)生了VBERDY變成零電位的故障。2次極II高端換流器投入旁通對VBE-RDY未變成零電位的試驗(yàn)是:第1次在蘇州站下令極Ⅱ雙換流器緊急停運(yùn)，先高端換流器緊急停運(yùn)，錦屏站極II高端換流器隔離，投入投旁通，極II高端換流器閉鎖;第2次是錦屏站進(jìn)行極Ⅱ高端換流器不帶線路開路試驗(yàn)，下令極Ⅱ直流電壓手動由0 V上升至400kV，再由400kV下降至0 V，然后錦屏站閉鎖極Ⅱ高端換流器。

通過以上5次試驗(yàn)投旁通對的操作，對VBE-RDY信號變化分析，得出結(jié)論:如果是在斷路器跳閘時(shí)投旁通就會出現(xiàn)VBE-RDY置零導(dǎo)致VBE退出運(yùn)行;而如果在斷路器合閘的情況下投旁通對就不會發(fā)生VBERDY變成零電位導(dǎo)致VBE退出運(yùn)行。也就是說斷路器跳閘與不跳閘與VBE-RDY置零有密切關(guān)系。

2.2 VBE投旁通對邏輯關(guān)系分析

2.2.1 VBE 信號簡介

VBE輸入信號:換流變進(jìn)線開關(guān)合閘信號(CB_ON)、觸發(fā)控制信號(FCS)、欠壓信號(UNDERVOLTAGE)、換流器解鎖信號(DEBLOCKED)、系統(tǒng)有效信號(ACTIVE)、系統(tǒng)備用信號(PASSIVE)、投旁通對有效信號(BYPASS ACTIVE)、閉鎖觸發(fā)脈沖信號(BLOCK)。

VBE輸出信號:電流過零信號(END OF CURRENT)、VBE就緒信號、換流閥跳閘信號(CONVERTER TRIP)、回報(bào)信號丟失(CHECK-BACK SIGNAL MISSING)、晶閘管無冗余(NO THYRISTOR REDUNDANCY)、回報(bào)信號太少產(chǎn)生跳閘(MIN.NO.OF CHECK-BACK SIGNAL NOT AVAILABLE)、觸發(fā)脈沖丟失(FIRING PULSE MISSING)、閥檢測正常(VALVE CHECK OK)、投旁通對(BYPASS)。

2.2.2 VBE投入旁通對的邏輯關(guān)系

(1)向上工程VBE投入旁通的條件。

在向家壩—上海特高壓直流輸電工程中復(fù)龍換流站4個(gè)換流閥均采用基于SIEMENS技術(shù)的換流閥，這些換流閥與極控接口VBE投旁通對的條件是:

DEBLOCK=1＆BLOCK=0 AND;ACTIVE=1＆PASSIVE=0 AND;旁通閥FCS觸發(fā)AND;BYPASS ACTIVE=1。邏輯圖如圖3所示。

圖3 向上直流復(fù)龍站換流閥VBE投入旁通對條件邏輯圖Fig.3 Logic diagram of VBE BAPASS ACTIVE signal at Fulong Converter Station of Xiangshang UHVDC project

(2)錦蘇工程VBE投入旁通的條件。

錦屏—蘇州特高壓直流輸電工程錦屏換流站VBE投旁通對的條件是在向上特高壓直流輸電工程復(fù)龍換流器站的VBE接口設(shè)計(jì)邏輯的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)CB_ON=1條件，邏輯圖如圖4所示。

圖4 錦屏站直流換流閥VBE投入旁通對條件邏輯圖Fig.4 Logic diagram of VBE BAPASS ACTIVE signal at Jinping Converter Station of Jingsu UHVDC project

在上述錦蘇工程5個(gè)邏輯條件中，如果:1)DEBLOCK=1＆BLOCK=0組合無效，VBE-RDY=0;2)ACTIVE=1＆PASSIVE=0組合無效，VBE-RDY=0;3)CB_ON=0＆DEBLOCK=1＆BLOCK=0組合無效，VBE-RDY=0。

增加CB_ON信號在換流器保護(hù)閉鎖后，VBERDY變成零電位導(dǎo)致VBE退出運(yùn)行，換流器隔離的原因是本文要討論的核心技術(shù)問題。

在錦屏換流站進(jìn)行極Ⅱ高端極母線差動保護(hù)閉鎖試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)VBE-RDY置零導(dǎo)致對應(yīng)極控系統(tǒng)退出的故障是因?yàn)?CB_ON=0＆DEBLOCK=1＆BLOCK=0組合無效，所以造成VBE-RDY在其后2 ms變成了零電位。

2.3 換流器跳閘VBE-RDY信號置零剖析

在進(jìn)行極Ⅱ高端極母線差動保護(hù)Z閉鎖試驗(yàn)時(shí)，模擬極母線故障，差動保護(hù)發(fā)交流斷路器跳閘指令，在發(fā)跳閘指令的同時(shí)，極控就發(fā)出投入旁通對的指令給VBE，VBE設(shè)計(jì)的邏輯是DEBLOCK=1＆BLOCK=0 AND ACTIVE=1＆PASSIVE=0 AND旁通閥FCS觸發(fā)AND CB_ON=1 AND BYPASS ACTIVE=1才滿足投旁通的要求。VBE投旁通對邏輯條件中，ACTIVE=1＆PASSIVE=0，旁通閥 FCS觸發(fā)，BYPASS ACTIVE=1都是滿足的，而DEBLOCK=1＆BLOCK=0的條件是不滿足的。錦蘇特高壓直流工程極控核心技術(shù)采用基于ABB公司技術(shù)的直流控制保護(hù)，DEBLOCK和BLOCK是由極控發(fā)出的，如圖5所示。在BYPASS ACTIVE=1滿足時(shí)，極控是不滿足的，因?yàn)樵谶@個(gè)狀態(tài)下極控的解鎖信號已經(jīng)變?yōu)榱恪?/p>

圖5 極II高端換流器跳閘試驗(yàn)時(shí)，極控閉鎖時(shí)序圖Fig.5 Pole control record waves while DC pole bus differential protection tripping of pole 2 high voltage converter

從圖5可以看出，盡管直流極控已經(jīng)處于閉鎖狀態(tài)，而換流器閉鎖信號還沒發(fā)給VBE，DEBLOCK=1＆BLOCK=0的條件是不滿足投入旁通對條件的。

為了滿足換流閥接口VBE投旁通的條件，技術(shù)人員對換流器控制軟件邏輯做了一個(gè)更改，如圖6所示。從圖6所示的軟件可以看出，在直流極解鎖信號由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，直流極閉鎖，同時(shí)發(fā)出投入旁通對命令，而換流器控制發(fā)給VBE的仍然是解鎖信號。

圖6中線圈里的部分，換流器控制發(fā)給VBE的解鎖信號要延時(shí)500 ms才能變?yōu)榈碗娖剑钡酵杜酝ㄩ_關(guān)，才把極控閉鎖的指令給VBE，所以真正的換流器控制(converter control and protection，CCP)發(fā)給VBE閉鎖信號時(shí)序圖如圖7所示。

圖6 換流器閉鎖邏輯投旁通對與VBE接口邏輯圖Fig.6 Logic diagram between CCP block logic bypass and converter valve VBE interface

圖7 CCP發(fā)給VBE閉鎖信號時(shí)序圖Fig.7 Block sequence chart of CCP sending to VBE

在圖7中，VBE投旁通的DEBLOCK=1＆BLOCK=0滿足了條件，剩下只要CB_ON=1，VBE就可以正常執(zhí)行旁通指令了，但是在進(jìn)行極Ⅱ高端極母線差動保護(hù)Z閉鎖試驗(yàn)時(shí)，CB_ON沒有滿足CB_ON=1的條件，如圖7所示。

在圖7中，0.55 s時(shí)刻換流變進(jìn)線開關(guān)斷開信號ACCB-OPEN-IND為 1，進(jìn)線開關(guān)斷開，也就是說0.55 s時(shí)交流斷路器斷開指令執(zhí)行，根據(jù)圖7所示，在0.55 s時(shí)刻VBE正在投旁通，換流器控制發(fā)給VBE的信息是換流器正處于解鎖狀態(tài)，而在換流器解鎖狀態(tài)下ACCB-OPEN-IND動作變成高電位，也就是交流斷路器合閘信號處于零電位，即CB_ON=0，這就導(dǎo)致了VBE-RDY信號變成零電位，進(jìn)而VBE退出運(yùn)行。

3 直流電源丟失VBE-RDY置零分析

在錦蘇特高壓直流工程極I低端換流器系統(tǒng)調(diào)試過程中，錦屏站進(jìn)行VBE盤柜直流電源丟失，控制系統(tǒng)切換試驗(yàn)，造成VBE跳閘，閉鎖極I低端換流器。經(jīng)檢查引起VBE跳閘的原因是傳給閥控表示VBE工作狀態(tài)正常的VBE-RDY信號為零電位。VBE接口屏柜有2路110 V直流電源供電，當(dāng)VBE有效系統(tǒng)失去一路110 V電源時(shí)，VBE系統(tǒng)和與之連接的閥控系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)切換，直流系統(tǒng)會繼續(xù)運(yùn)行。然而拉開一路110 V直流電源，就造成了VBE跳閘，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)VBE-RDY信號回路有問題。VBE-RDY信號有2路輸出分別連接2套閥控系統(tǒng)，當(dāng)一路VBE-RDY信號由于某種原因置零時(shí)，另一路VBERDY連接閥控系統(tǒng)正常，直流系統(tǒng)會繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)2路VBE-RDY信號都為零時(shí)，閥控收到VBE-RDY為零信息，就會發(fā)出VBE跳閘指令。而在進(jìn)行110 V直流電源丟失試驗(yàn)時(shí)，VBE-RDY信號為零電位原因是因?yàn)?路VBE-RDY信號回路串入了來自不同直流屏的兩路110 V直流電源的輔助觸點(diǎn)，當(dāng)斷開一路110 V直流電源后，VBE電源回路開關(guān)的輔助觸點(diǎn)就斷開，閥控首先要進(jìn)行控制系統(tǒng)切換，閥控系統(tǒng)切換后，由于另一路VBE接口屏的VBE-RDY信號回路也串入了電源開關(guān)的輔助觸點(diǎn)，因此當(dāng)斷開一路110 V直流電源后，分別造成2路VBE-RDY信號回路中斷，使得閥控接收到的VBE-RDY信號為零，即2路VBE-RDY信號都是零電位，造成了VBE保護(hù)跳閘。

4 處理措施

4.1 換流器跳閘VBE-RDY信號置零處理

由于錦蘇直流錦屏側(cè)在運(yùn)行期間一直處于整流側(cè)，直流系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，投入旁通對的機(jī)會也較少，經(jīng)過錦屏現(xiàn)場系統(tǒng)技術(shù)人員分析研究決定，只要整流側(cè)換流器投入旁通對閉鎖，VBE-RDY信號置為零電平，VBE退出運(yùn)行，運(yùn)行值班人員手動復(fù)位一次VBE就可以了。

后續(xù)在建的哈密南—鄭州特高壓直流輸電工程，對換流器閉鎖邏輯進(jìn)行了修改，在直流換流閥解鎖期間，CB_ON信號異常時(shí)閥控設(shè)備繼續(xù)進(jìn)行換流閥正常觸發(fā)和監(jiān)視功能，只發(fā)告警事件，不進(jìn)行控制系統(tǒng)切換，不撤銷VBE-RDY信號，也就是VBE-RDY信號與CB_ON信號狀態(tài)無關(guān)，這樣就保證了換流器跳閘閉鎖、并投入旁通對之后，VBE-RDY信號不會在很短時(shí)間內(nèi)變?yōu)榱悖钡綋Q流器解鎖信號變成低電平后，VBE-RDY信號變零。

4.2 直流電源丟失VBE-RDY置零處理

由于丟失一路110 V直流電源造成直流換流器跳閘停運(yùn)，嚴(yán)重危及直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須對110 V直流電源丟失造成VBE-RDY信號置零故障進(jìn)行處理，消除隱患。將串入VBE-RDY信號回路的來自不同直流屏的兩路110 V直流電源的輔助觸點(diǎn)拆除，然后短接，使得110 V直流電源丟失不會影響VBE-RDY信號回路。處理完畢后，重新進(jìn)行試驗(yàn)，閥控系統(tǒng)切換，直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文對錦屏—蘇州特高壓直流工程錦屏換流站基于SIEMENS技術(shù)的換流閥的VBE-RDY置零故障進(jìn)行了分析，指出了錦屏站VBE-RDY信號不僅與投入旁通對指令信號有關(guān)，而且與換流變進(jìn)線開關(guān)的狀態(tài)信號CB_ON信號有關(guān)。解決與投入旁通對有關(guān)的方法是在換流器閉鎖信號延時(shí)500 ms發(fā)給VBE，解鎖信號延時(shí)500 ms變?yōu)榱?解決與CB_ON信號有關(guān)方法是CB_ON信號異常時(shí)閥控設(shè)備繼續(xù)進(jìn)行換流閥正常觸發(fā)和監(jiān)視功能，只發(fā)告警事件，不進(jìn)行控制系統(tǒng)切換，不撤銷VBE-RDY信號，也就是說VBE-RDY的狀態(tài)與CB_ON信號狀態(tài)無關(guān)。

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