±500kV天廣直流極1換流閥誤導通事件分析

李其書 梁云龍 林志明 朱星釗 羅鴻 葉吉春

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局）

±500kV天廣直流極1換流閥誤導通事件分析

李其書 梁云龍 林志明 朱星釗 羅鴻 葉吉春

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局）

通過對天廣直流極1換流閥的誤導通情況對極控系統(tǒng)、VBE系統(tǒng)、TE板、換流閥及其運行環(huán)境等各方面進行分析，找出將極1操作至閉鎖時導致出現(xiàn)換流閥出現(xiàn)誤導通的原因，為今后高壓直流輸電系統(tǒng)運行維護提供經(jīng)驗。

高壓直流；誤導通；換流閥；極控；VBE系統(tǒng)

0 引言

換流閥是直流輸電工程的核心設(shè)備，通過依次將三相交流電壓連接到直流端得到期望的直流電壓并實現(xiàn)對功率的控制。換流閥主要由晶閘管、阻尼電容、均壓電容、阻尼電阻、均壓電阻、飽和電抗器、晶閘管控制單元等零部件組成。其中，晶閘管是換流閥的核心部件，它決定了換流閥的通流能力，通過將多個晶閘管元件串聯(lián)可得到希望的系統(tǒng)電壓，晶閘管的觸發(fā)方式分為電觸發(fā)和光觸發(fā)兩種。

1 事故經(jīng)過

2014年7月14日以及2015年5月18日、21日、27日，天廣直流系統(tǒng)發(fā)生了4次換流閥誤導通事件，4次事件換流閥異常導通均是發(fā)生在直流極1由備用狀態(tài)操作至閉鎖狀態(tài)過程中。事件發(fā)生后，針對換流閥出現(xiàn)異常誤導通的可能性，分別從極控系統(tǒng)、VBE系統(tǒng)、換流閥TE板、閥廳溫濕度等方面開展研究，最終找出導致?lián)Q流閥出現(xiàn)異常誤導通的根本原因，故障信息見表1～表2。

表1 故障時天生橋站SER信息

表2 故障時對端廣州站SER信息

2 故障真實存在的判斷及異常導通回路

異常導通時兩站所有直流電流測量點電流基本一致，且與天生橋站閥側(cè)交流線電流包絡(luò)線一致，故判斷測量系統(tǒng)無故障，異常導通的故障狀態(tài)真實存在，兩站異常導通時錄波如圖1～圖4所示。

圖1 異常導通時天生橋站星型換流變交流側(cè)電流

圖2 異常導通時天生橋站角型換流變交流側(cè)電流

圖3 異常導通時天生橋站直流高壓側(cè)IdH電流

圖4 異常導通時天生橋站α角采樣

天生橋站三相IacD和IacY均有正負電流，并且電流與正常運行時基本一致，可以明確：在備用至閉鎖過程中，晶閘管按照正?？刂祈樞?qū)?，整個過程維持了10個周波。

由備用轉(zhuǎn)為閉鎖命令發(fā)出后，進線開關(guān)2033合上，天生橋站極1換流閥隨即導通。從波形上看，廣州站IDH、IDL、IDN與天生橋站采樣值一樣，說明兩站極1導通形成回路，如圖5所示。

圖5 異常導通時極1電流回路

因此可以確定，天廣直流在天生橋站極1由備用至閉鎖操作過程中，天生橋站換流閥按照正常順序?qū)?，導通后在廣州站極1形成了電流通路。故障最大電流達到4500A，持續(xù)約200ms后由兩站交直流過流保護動作跳閘。

3 極控系統(tǒng)解鎖流程及邏輯分析

3.1 備用到閉鎖流程

如圖6所示，將極1操作至閉鎖狀態(tài)前，首先應(yīng)該滿足閉鎖準備就緒條件：①極1處于連接狀態(tài)（05105、0010、00102合位，051057、001027分位）；②極1直流場狀態(tài)對應(yīng)正常（大地、金屬回線或OLT大地回線方式接線）；③極1閥冷卻系統(tǒng)正常；④極1換流變分接頭處于初始位置；⑤極1已在備用狀態(tài)或極1備用順控未執(zhí)行或極1閉鎖順控未執(zhí)行；⑥順控自動模式。

圖6 極1閉鎖準備就緒條件

1）在極1滿足上述閉鎖準備就緒條件后，運行人員才能發(fā)出極1閉鎖狀態(tài)指令。閉鎖指令發(fā)出后，換流變冷卻器啟動，交流進線開關(guān)2033合上，換流變充電。本次事件中，極1閉鎖命令發(fā)出前，閉鎖準備就緒條件已滿足。

2）極控檢測到換流變交流側(cè)三相電壓任一相電壓＞150.144kV，發(fā)UNDERVOTTAGE MODE OFF給VBE系統(tǒng)，VBE開放對閥的監(jiān)視功能，反之禁止對閥任何監(jiān)視功能。

3）極控PCP檢測到換流變閥側(cè)星型三相電壓、角型三相電壓中的最大值大于0.8pu，即184kV，極控通過硬接線發(fā)CB-ON信號給VBE系統(tǒng)，VBE收到極控系統(tǒng)發(fā)來的這兩個信號后，報“UNDERVOLTAGE MODE OFF”及“HV BREAKER CLOSED”信號，啟動閥自檢模式。

4）閥自檢時，VBE發(fā)送閥檢測信號至TE板，TE板檢測到閥無故障后會向VBE發(fā)送回報信號，當VBE收到所有TE板返回的信號均正常，則產(chǎn)生VALVE_ CHECK_OK（閥自檢正常）信號給極控系統(tǒng)。

本次事件中，VBE系統(tǒng)未報出“HV BREAKER CLOSED”信號，但不排除其啟動了自檢模式，可能的條件：極控誤發(fā)CB-ON信號給VBE系統(tǒng)且VBE系統(tǒng)未能報出“HV BREAKER CLOSED”信號。

5）極控系統(tǒng)收到VBE系統(tǒng)發(fā)送的VALVE_CHECK_ OK時，同時滿足以下條件時極1即完成閉鎖狀態(tài)指令，進入閉鎖狀態(tài)：①極1進線刀閘合位；②極1已充電；③極1閉鎖順控指令；④極1高壓端已連接；⑤極1低壓端狀態(tài)正常（大地回線或金屬回線或OLT大地回線方式接線）；⑥極1換流變冷卻系統(tǒng)運行；⑦極1閥冷系統(tǒng)運行；⑧極1直流濾波器已連接。

本次事件中，在進線開關(guān)合上后，極控檢測到換流變交流側(cè)三相電壓至少有一相大于150.144kV并發(fā)送給VBE系統(tǒng)，VBE系統(tǒng)收到該信號并報出“UNDERVOTTAGE MODE OFF”，持續(xù)63ms后消失并再次進入低電壓模式。而極控中CB-ON信號的發(fā)出有1.1s的延時，極控程序未能發(fā)出該信號給VBE系統(tǒng)，VBE也未報“HV BREAKER CLOSED”信號。

結(jié)合SER和錄波可以看出，2033合閘后短時間內(nèi)電壓大于150kV，但由于閥被異常導通，觸發(fā)角過大，無功消耗大，220kV交流場電壓過低，最低達70kV。

3.2 閉鎖到解鎖流程

直流進入閉鎖狀態(tài)后，極控將對直流系統(tǒng)進行自檢，確認是否滿足RFO狀態(tài)（Ready For Operation）的縮寫，即極進入準備解鎖運行的狀態(tài)，圖7為極控滿足RFO的判定條件：

圖7 天生橋站極1 RFO判斷邏輯

換流變已充電時間超過10s（不滿足）；極處于閉鎖狀態(tài)（不滿足）；交流濾波器可用；無保護禁止解鎖信號；電流指令正常（大于180A）；直流濾波器已連接；閥冷卻系統(tǒng)正常；閉鎖順序未發(fā)出中止起動命令；保護未發(fā)出中止起動命令；接地極正確連接；直流場正確連接（必須在大地回線或金屬回線方式）；與另一極整流側(cè)/電流模式正確；與另一站模式進行比較（包括整流、逆變、聯(lián)合、獨立）；閥自檢正常；（不滿足）PCP系統(tǒng)正常；分接頭位置正常；對站不在OLT。在極控系統(tǒng)RFO狀態(tài)未滿足之前，工作站無法操作解鎖命令。

在極控系統(tǒng)站間通訊正常的情況下，當兩站極控系統(tǒng)RFO滿足后，主控站運行人員輸入功率/電流爬升速率、功率/電流指令，解鎖指令發(fā)出準備就緒。

雙極極控在接收到解鎖命令后，極控將發(fā)送CONV_ DBLK信號至VBE系統(tǒng)，并且將逐漸調(diào)整發(fā)送至VBE的觸發(fā)脈沖角度，同時極控主機程序中解鎖邏輯將確保逆變站在整流站之前解鎖。逆變側(cè)進入解鎖流程后，將連接交流濾波器，極控發(fā)令逆變側(cè)移相164度解鎖，解鎖狀態(tài)指示信號出現(xiàn)200ms后解除移相命令。整流側(cè)在接收到逆變側(cè)已解鎖狀態(tài)指示后，整流側(cè)投入交流濾波器，極控發(fā)出整流側(cè)164度解鎖，200ms后解除移相命令，觸發(fā)角由164°開始減小，直流電壓開始上升。

綜上分析，在正常情況下，在備用狀態(tài)將極轉(zhuǎn)為解鎖過程中，當換流變進線開關(guān)合上后，按時間的先后順序，監(jiān)控后臺及VBE應(yīng)依次報出以下信號：

2033合上；極1充電（UNDERVOLTAGE MODEOFF ）；HV BREAKER CLOSED（VBE）；START OF VALVE CHECK（VBE）；VALVE CHECK O.K. （VBE）；閥自檢正常 （PCP）；極1 進入閉鎖狀態(tài)（DCC）；解鎖運行狀態(tài)準備就緒（PCP）；極解鎖（PCP）。

本次事件中，除了頭兩個信號，其他信號均未產(chǎn)生。按照極控正常的順控流程，本次換流閥的異常導通肯定不是極控系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，因為導通條件完全不滿足，因此排除極控系統(tǒng)故障或誤發(fā)控制命令的可能。

4 VBE系統(tǒng)流程及邏輯分析

VBE系統(tǒng)由六個晶閘管控制單元（TC）、一個晶閘管監(jiān)測單元（TM）、一個電源單元及相關(guān)的繼電器組成。主要功能為：接收極控觸發(fā)信號，同步觸發(fā)每個閥內(nèi)各晶閘管；監(jiān)視閥及相應(yīng)TE板的運行，并與TE板進行信息交換；監(jiān)測閥避雷器；閥漏水監(jiān)測。

圖8 VBE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中A1～A6為晶閘管控制單元（TC）模塊，其功能為接收來自極控的觸發(fā)信號，觸發(fā)晶閘管，實現(xiàn)與TE板通信，監(jiān)視晶閘管級的運行狀態(tài)。A8為晶閘管監(jiān)測單元（TM）模塊，其功能為接收、處理晶閘管及換流閥狀態(tài)信息，將其送至后臺，同時還將其產(chǎn)生的跳閘信號送至直流控制保護系統(tǒng)。

TE板共七個模塊，包括：光接收模塊（接收來自VBE的觸發(fā)脈沖)；光發(fā)射模塊（向VBE發(fā)出回檢信號、保護性觸發(fā)信號等）；電壓監(jiān)視模塊（監(jiān)視晶閘管兩端電壓）；運算模塊（收到VBE觸發(fā)信號后進行處理，發(fā)出門極觸發(fā)脈沖）；觸發(fā)脈沖放大模塊（將運算模塊發(fā)出的門極觸發(fā)脈沖進行放大）；BOD模塊（晶閘管正向過壓保護性觸發(fā)）；供電模塊（從閥組中取電供TE板使用）。

圖9 TE板功能模塊示意圖

TE板保護性觸發(fā)電路并聯(lián)在晶閘管兩端，監(jiān)視晶閘管電壓，在達到一定電壓限定值時觸發(fā)晶閘管，起到保護作用。

TE板保護性觸發(fā)原理：為避免出現(xiàn)晶閘管過壓損壞，閥控配置中均有保護性觸發(fā)功能（BOD/BTC）。在天廣直流中，保護性觸發(fā)功能是由TE板提供的，如果來自VBE的光脈沖丟失，為防止對應(yīng)的晶閘管由于過電壓損壞，TE板檢測閥兩端的正向電壓超過設(shè)定的保護值時，緊急保護觸發(fā)該晶閘管。

如果TE板檢測到晶閘管兩端的電壓超過7200V（允許范圍是7200～ 7500V），TE板將發(fā)一個觸發(fā)信號給晶閘管，并發(fā)一個該晶閘管保護性觸發(fā)的信號給VBE。TE板在收到雙觸發(fā)脈沖后500μs內(nèi)進行保護性觸發(fā)檢測，在這個時間內(nèi)任何反饋給VBE的信號都認為是保護性觸發(fā)信號。因為保護性觸發(fā)的晶閘管的電壓必須要上升到7200V，所以相應(yīng)的閥導通比正常要延遲，此時，有比較大的直流分量流過換流變二次繞組，為了避免換流變線圈過熱，在一個閥中如果有四個晶閘管保護性觸發(fā)，VBE將閉鎖相應(yīng)的極。

本次誤導通事件中，損壞的TE板基本確定為保護性觸發(fā)的供電及儲能回路。由于晶閘管導通時間不完全一致，存在一部分晶閘管先導通，少部分未導通的晶閘管兩端承受了很大電壓，依靠保護性觸發(fā)進行了導通。故障發(fā)生時，較晚導通的晶閘管兩端產(chǎn)生了大電壓，由于C58電容管腳間爬電距離不足，導致C58電容拉弧放電造成燒毀。

5 閥廳環(huán)境對于換流閥運行的影響

換流閥作為將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的核心元件，對于運行環(huán)境的要求非常嚴格，不僅對于運行的環(huán)境溫度、濕度有嚴格說明，從運行經(jīng)驗上看，整個閥廳的潔凈度對于換流閥及其附屬控制單元影響也十分巨大。

表3 換流閥運行環(huán)境參數(shù)

在此次停電檢修期間，換流站內(nèi)均為陰雨天氣，空氣濕度比較大，加上檢修過程中需要多次開啟閥廳大門，致使外面粉塵大量進入閥廳，閥廳空氣環(huán)境惡化，不滿足TE板對運行環(huán)境的要求，致使BTC回路動作電壓降低，以致在換流變充電過程中出現(xiàn)換流閥誤導通現(xiàn)象。

6 結(jié)論及建議

1）通過此次換流閥誤導通采集數(shù)據(jù)及現(xiàn)場檢查情況，結(jié)合極控系統(tǒng)、VBE系統(tǒng)、換流器及其組件動作原理及過程進行梳理，未發(fā)現(xiàn)極控系統(tǒng)、VBE系統(tǒng)存在導致?lián)Q流閥誤導通的可能性。

2）通過TE板仿真計算，加壓實驗以及對BTC動作電壓門檻值進行EMTDC仿真，發(fā)現(xiàn)天廣直流換流變充電過程中四次換流閥異常導通的原因為：天廣直流TE板設(shè)計存在缺陷，未采取防污穢及防潮措施，長時間運行后TE板表面污穢嚴重，在高濕度環(huán)境下，造成BTC回路動作電壓降低，導致?lián)Q流變充電過程中換流閥誤導通。

3）在檢修過程中注意檢測閥廳空氣的濕度，濕度過高時采取必要除濕措施，降低閥廳空氣濕度，同時計劃好物資的搬運工作，盡量減少開啟閥廳大門的次數(shù)，以免粉塵進入閥廳。

4）明確TE板運維要求，定期對TE板進行清掃、除污，保證TE板表面干凈。

5）將此次換流閥誤導通情況通知相應(yīng)廠家，在設(shè)計環(huán)節(jié)充分考慮TE板防污穢及防潮措施，以免在出現(xiàn)類似原因的誤導通事件。

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2016-09-25）