±800 kV直流換流站單極閉鎖原因分析及改進措施

魏 星

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 550003)

0 引言

某直流輸電工程為南方電網(wǎng)公司第2條800 kV電壓等級的直流輸電工程，其主要作用是把某大型水電站生產(chǎn)的清潔電能輸送到廣東負荷中心。該工程額定輸送容量5 000 MW，電壓為±800 kV，線路全長1 413.96 km，工程兩端換流站采用每極2組12脈動閥組串接結(jié)構(gòu)換流器，光直接觸發(fā)技術(shù)。該工程于2011-12-02開工建設(shè)，2015-05-30全部建成并投入商業(yè)運行。工程兩端換流站設(shè)備國產(chǎn)化率均超過60 %。該工程的投產(chǎn)，對減少大氣污染、緩解云南水電棄水、優(yōu)化東西部電力資源配置起到了積極作用。

由于該工程設(shè)備國產(chǎn)化率較高，運行方式多樣，在運行過程中容易受到天氣、過電壓、設(shè)備老化等多方面的影響，單極閉鎖因素較多。

下面對該工程送端某換流站在2016年4月發(fā)生的一起單極閉鎖事件進行分析，通過錄波分析和試驗測試等方式，查找單極閉鎖的根本原因，并開展針對性的硬件批次更換和保護軟件升級。后續(xù)的生產(chǎn)運行實踐表明，實施的改進措施切實有效。

1 直流換流站單極閉鎖過程

1.1 直流換流站單極閉鎖簡要過程

2016-04-05，該直流換流站極I高端閥組組控系統(tǒng)1屏內(nèi)F312空開跳閘，組控系統(tǒng)1控制主機產(chǎn)生ESOF(緊急停運)信號，并通過控制總線送出“合BPS開關(guān)”命令信號至極I高端閥組保護。極I高端閥組保護82BPS保護Ⅱ段動作。極Ⅰ雙閥組由運行轉(zhuǎn)為閉鎖狀態(tài)。閉鎖前直流功率為1 840 MW，閉鎖后直流功率無損失，2套安穩(wěn)系統(tǒng)均正確啟動。

1.2 控制保護系統(tǒng)動作情況分析

在800 kV直流換流站控制保護中，直流保護系統(tǒng)分為極保護和閥組保護系統(tǒng)，均采用2套保護同時工作、并列運行的方式，任意一套保護動作均出口跳閘。保護裝置采用西門子公司的SIMATIC TDC數(shù)字多微機處理系統(tǒng)，其直流保護系統(tǒng)包括極級換流器保護、閥組級換流器保護、直流母線保護、直流線路保護、直流濾波器保護等。

旁路開關(guān)保護屬于閥組級換流器保護，其保護定值和出口時間如表1所示。

表1 旁路開關(guān)(82BPS)保護定值

由錄波分析可知，在極Ⅰ高端閥組控制系統(tǒng)發(fā)出BPS(By Pass Switch，合旁路開關(guān))合閘命令后，500 ms內(nèi)IdBPS確實小于0.07 p.u.，IdCH大于0.09 p.u.，旁路開關(guān)2段保護正確動作閉鎖極I組。

在旁路開關(guān)保護2段動作后，旁路開關(guān)的合閘狀態(tài)仍保持為0，旁路開關(guān)在閥組控制發(fā)出合閘命令后并未真正合上，現(xiàn)場檢查旁路開關(guān)確在分位。對保護回路檢查分析發(fā)現(xiàn)，在F312空開跳開后，LFM邏輯功能模塊失去工作電源，經(jīng)LFM邏輯模塊出口的旁路開關(guān)合閘命令無法送至開關(guān)本體。

綜上所述，閥組控制系統(tǒng)在發(fā)出BPS合閘命令后，激活BPS保護2段功能。旁路開關(guān)因LFM模塊失電而無法合閘，所有保護動作判據(jù)均滿足，2套閥組保護動作閉鎖極I雙閥組，保護正確動作。

2 直流單極閉鎖原因分析

根據(jù)極I高端閥組故障錄波信息分析，極I高端閥組控制系統(tǒng)1的COL電源故障，隨后極I高端閥組控制系統(tǒng)1發(fā)出ESOF信號。

由錄波可知，極Ⅰ高端組控系統(tǒng)1發(fā)出了ESOF信號(該信號脈沖持續(xù)時間為2 ms)，而系統(tǒng)2并未發(fā)出ESOF信號。對照SER信息查找SIMATIC TDC程序，發(fā)現(xiàn)該信號來自于組控監(jiān)視功能。分析閥組ESOF邏輯，發(fā)現(xiàn)此組控監(jiān)視跳閘邏輯將啟動旁路開關(guān)合閘命令。

進一步分析控制保護程序可知，以下3種故障可能導(dǎo)致組控監(jiān)視跳閘邏輯發(fā)出ESOF：

(1) Tapchanger Monitoring Trip，即分接頭監(jiān)視功能跳閘；

(2) Firing Angle Monitoring，即觸發(fā)角監(jiān)視功能跳閘；

(3) Group DC Prot 1 and 2 not ok，即閥組保護系統(tǒng)1和2均故障。

根據(jù)SER事件和故障錄波信息分析得知：跳閘前后未發(fā)現(xiàn)與換流變分接開關(guān)監(jiān)視故障相關(guān)信號，現(xiàn)場核查換流變分接頭均在正常檔位，且極1雙閥組觸發(fā)角無明顯變化。因此，排除前2種故障情況引發(fā)ESOF的可能性。針對第3種故障情況。由直流24 V電源接線(見圖1)可知：閥組保護系統(tǒng)1，2的故障信號由組控系統(tǒng)對2套閥組保護故障狀態(tài)監(jiān)視所產(chǎn)生；閥組保護系統(tǒng)開入到組控系統(tǒng)的接點，其24 V正電由組控系統(tǒng)中的-F311直流空開供電。一旦2套閥組保護同時故障或K205，K206光耦接點因其他原因同時斷開，組控系統(tǒng)將判斷為2套閥組保護系統(tǒng)均不可用，從而執(zhí)行閥組監(jiān)視跳閘邏輯，啟動閥組ESOF順序。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)極I高端組控系統(tǒng)1屏柜內(nèi)的COL/LFM模塊電源空開F312跳開。F312空開與F311空開均接至同一直流24 V母線。運行過程中，F(xiàn)312空開所帶的COL，LFM模塊內(nèi)部有可能發(fā)生瞬時性短路故障，24 V母線電壓瞬時跌落，2套閥組保護Release信號接點斷開，導(dǎo)致閥組控制系統(tǒng)1判斷無閥組保護運行，發(fā)ESOF信號。

根據(jù)閥組控制的ESOF順序邏輯，閥組ESOF過程將啟動旁路開關(guān)合閘請求。在閥組控制系統(tǒng)1發(fā)出ESOF信號時，閥組控制系統(tǒng)1的旁路開關(guān)合閘命令也同時發(fā)出。

圖1 直流24 V電源接線

因此得出初步結(jié)論：極I組控系統(tǒng)在運行中，因F312空開所帶的COL，LFM模塊發(fā)生瞬時性短路故障并跳開，組控系統(tǒng)1判斷無閥組保護運行，發(fā)ESOF信號，同時發(fā)出合旁路開關(guān)命令。旁路開關(guān)因LFM模塊失電而無法合閘，保護動作閉鎖極I雙閥組。極I高端閥組保護旁路開關(guān)保護2段正確動作，現(xiàn)場安穩(wěn)系統(tǒng)正確啟動。

3 單極閉鎖補充試驗情況

3.1 F312空開試驗分析

為進一步確認空開跳閘原因，開展了F312開關(guān)試驗和分析。F312空開為菲尼克斯公司的產(chǎn)品，其異常跳閘原因可能是空開本身或其所帶的COL/LFM模塊故障。因此，將該站極I組系統(tǒng)F312空開及COL/LFM模塊在南方電網(wǎng)特高壓直流重點實驗室開展實驗測試，測試F312空開及COL/LFM的絕緣性能和工作特性。

3.1.1 空開絕緣性能測試

(1) 測試方法：檢查F312空開和正?？臻_的絕緣電阻，用搖表測試輸入信號端對地、輸出信號端對地的絕緣性能。

(2) 測試過程：用搖表測試F312空開和正?？臻_的絕緣電阻，阻值均大于500 MΩ，絕緣性能良好。

3.1.2 空開跳閘特性曲線測試

(1) 測試方法：測試回路如圖2所示，用可變電阻模擬負載電路，利用可變電阻改變流過空開的電流進行實驗，記錄不同電流對應(yīng)的跳閘時間，繪制空開的跳閘特性曲線。

圖2 F312空開測試接線

(2)測試過程:在2次不同溫度環(huán)境下測得的2個F312跳閘特性曲線，如圖3，4所示。

圖 3 F312空開實驗所得跳閘特性曲線(常溫26 ℃)

圖4 F312空開實驗所得跳閘特性曲線(恒溫55 ℃)

從圖3，4可知，“常溫”(26 ℃)和“環(huán)境溫度55 ℃”的實驗所得曲線均落在出廠跳閘特性曲線內(nèi)，符合菲尼克斯公司TM系列空開的正常工作特性。

3.2 COL/LFM模塊硬件試驗分析論證

COL模塊的主要功能是監(jiān)視2套冗余組控系統(tǒng)的運行情況，并實行系統(tǒng)切換。LFM模塊為“2取1”邏輯功能模塊，可使成為主系統(tǒng)的閥組控制系統(tǒng)信號有效，禁止備用系統(tǒng)的信號出口。

(1) 測試方法：拆開COL模塊和LFM模塊外殼，檢查背板總線、模塊電路板是否存在明顯故障點；搭建COL模塊和LFM模塊功能測試電路，分別對開入信號加24 V電壓置1，觀察狀態(tài)顯示燈，在開出信號接開出繼電器(有顯示燈顯示分合狀態(tài))，逐一檢驗?zāi)K輸入通道是否正常。

(2) 測試過程：

① 檢查COL，LFM模塊的背部總線、電路板正反面，肉眼觀察未發(fā)現(xiàn)明顯的故障點，亦未聞到燒焦味，初步推斷該模塊沒發(fā)生永久性短路故障。

② 測試COL開入開出通道是否正常，開入信號端有：PS OK，HW OK，SW OK，VBE OK；在COL面板上的狀態(tài)顯示燈有：PS OK燈、HW OK燈、SW OK燈、VBE OK燈、MOD燈、MAN燈、SYS STAT、ACTIVE燈；開出信號端有：NO ESOF，SYS OK，System Active，System Passive。

按COL，LFM模塊的電源回路連接圖連接模塊、開出繼電器、電源等。

對開入信號進行外部置位，觀察COL模塊指示燈狀態(tài)和開出繼電器狀態(tài)。由測試整體評價可知，COL模塊開入開出通道均正常。

③ 測試COL切換主用/備用雙向切換功能是否正常，切換結(jié)果是否正確。由測試整體切換結(jié)果可知，COL主從系統(tǒng)切換結(jié)果均正確。

④ LFM模塊邏輯較為簡單，且沒有指示燈，因此只需進行功能校驗。由測試可知，LFM通道選擇結(jié)果均正確，“2取1”功能正常。

⑤ 空開帶模塊長時間運行測試。

測試方法：接線如圖5所示，圖中2個COL共用1個模塊供電的輸入端，信號輸入端分開，設(shè)置2個電壓測點u1，u2以及4個電流測點，，，。

圖5 回路設(shè)置的電壓電流測點

以LFM，COL和光耦繼電器模擬現(xiàn)場負載情況(0.5 A)，回路長時間連續(xù)運行，通過示波器監(jiān)視各電壓電流測點的變化。當該站F312空開跳開時，由u2下降沿觸發(fā)錄波，同時記錄各測點的波形。

測試過程：經(jīng)過62 h的長時間運行，F(xiàn)312空開出現(xiàn)跳閘，F(xiàn)312備品空開沒有跳閘。查看故障時刻觸發(fā)的錄波，從T0到T2時刻變化如表2所示。

表2 該站F312空開跳開時刻的電流電壓變化

以上測試結(jié)果表明，由于該站F312空開流入流出電流，有突變(0.56 A→37.5 A)，而沒有突變，可以定位故障點在與之間的支路1、支路2或支路3中。因支路3的F312備品空開沒有跳開，可以排除支路3(正常COL的信號輸入支路)出現(xiàn)故障點。因沒有出現(xiàn)突變，判定為非接地故障。因此，可判定為支路1或支路2內(nèi)部某一時刻出現(xiàn)故障點，導(dǎo)致24 V直流電壓跌落。

綜上所述，判定故障原因為屏柜內(nèi)設(shè)備長時間運行后，支路1或支路2內(nèi)部出現(xiàn)短路故障點，回路出現(xiàn)大電流而拉低電源電壓，然后大電流導(dǎo)致該站F312空開跳閘。這與現(xiàn)場情況一致。因此，路故障點位置在支路1或支路2內(nèi)部。

4 直流閉鎖改進措施及工程實踐

4.1 單極閉鎖最終原因確定

(1) 空開絕緣測試、跳閘特性曲線測試、長時熱特性測試等實驗結(jié)果表明該站F312空開正常。

(2) 通過實驗測試，該站COL/LFM模塊的外觀、通道、功能均正常。

(3) 空開帶模塊長時間運行測試出現(xiàn)電壓瞬時跌落和F312空開跳開現(xiàn)象，與現(xiàn)場情況一致，可鎖定支路1或支路2內(nèi)部出現(xiàn)短路故障點(非接地故障)，初步懷疑COL模塊或光耦存在故障。

(4) 通過聯(lián)系設(shè)備廠家并根據(jù)COL模塊詳細電路圖，并借助外部專業(yè)檢測力量，對故障COL模塊開展了元件級專業(yè)測試。最終查明了故障為COL模塊板卡制造工藝問題，在長期運行中特別是環(huán)境濕度較高時，該模塊板卡內(nèi)部分虛焊點出現(xiàn)短路所致。

(5) 出現(xiàn)短路故障后，回路出現(xiàn)大電流而拉低電源電壓，然后大電流導(dǎo)致F312空開跳閘。在F312開關(guān)跳閘過程中，DC 24 V電源電壓出現(xiàn)短時波動(約2 ms)，此時2套閥組保護Release信號接點斷開，導(dǎo)致組控系統(tǒng)判斷無閥組保護運行，發(fā)ESOF信號跳閘。

4.2 硬件改進和軟件升級措施

4.2.1 硬件方面

由于最終確定為該直流雙端換流站的COL模塊制造工藝批次性問題，以此提出了針對性反措。廠家根據(jù)最新工藝生產(chǎn)了新批次的COL模塊，并在2017年1月該直流綜合停電期間對兩端換流站COL模塊進行了全部更換。模塊更換至今運行狀況良好。

4.2.2 軟件方面

為增加保護可靠性，將控制系統(tǒng)收到的2套保護不OK信號增加軟件抗干擾措施(軟件增加6 ms防抖邏輯)，躲過信號電源短時擾動過程，消除直流閉鎖風(fēng)險。軟件升級工作已經(jīng)在2017年1月該直流綜合停電期間完成。軟件修改示意如圖6所示。

5 結(jié)論

介紹了某直流換流站極Ⅰ單極閉鎖事件的過程，分析了相關(guān)保護正確動作的情況。針對故障的COL/LFM模塊進行測試，并通過補充試驗論證等方式查找了閉鎖的根本原因。針對故障原因從硬件和軟件2方面提出了改進措施，并在現(xiàn)場成功實施。實施后的設(shè)備運行狀況表明，所提出的解決方案極大提升了該直流換流站的運行穩(wěn)定性。

圖6 控制保護系統(tǒng)軟件修改示意

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