特高壓換流站直流隔離開關(guān)燒蝕分析及改進

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(1.國家電網(wǎng)公司運行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000； 2.國家電網(wǎng)公司西藏電力公司檢修公司，西藏 拉薩 850000)

0 引 言

直流隔離開關(guān)是直流輸電開關(guān)電器中使用最多的一種電器，它本身的工作原理及結(jié)構(gòu)比較簡單，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，對特高壓換流站的設(shè)計、建設(shè)和安全運行均影響較大[1]。復(fù)奉、錦蘇、賓金三大特高壓直流工程，其直流隔離開關(guān)分、合位信號全部由操作機構(gòu)輔助開關(guān)接點給出，隔離開關(guān)分、合操作行程85%時，輔助接點轉(zhuǎn)換給出信號，其接點信號的正確性直接影響到直流輸電運行方式的判別，直流運行方式的正確與否直接導(dǎo)致控制模式及保護功能的改變[2-3]。

特高壓某換流站巡檢時發(fā)現(xiàn)某隔離開關(guān)觸頭有燒蝕痕跡，其主要是由于該隔離開關(guān)未完全合到位，控制系統(tǒng)卻收到了該隔離開關(guān)的合位信號，導(dǎo)致該路斷路器合閘時通流回路有大電流流過，從而使該隔離開關(guān)存在拉弧現(xiàn)象。在此背景下為了保證隔離開關(guān)一次狀態(tài)與二次返回信號一致，使直流隔離開關(guān)滿足“在額定電流及動、熱穩(wěn)定電流的位置時發(fā)出合閘信號”的條件[4]，對換流站內(nèi)相關(guān)直流隔離開關(guān)接點進行了相應(yīng)的改進。

1 隔離開關(guān)燒蝕情況分析

1.1 故障情況

2016年3月23日，特高壓某換流站運行人員巡檢過程中發(fā)現(xiàn)直流場中性區(qū)域金屬回線轉(zhuǎn)換隔離開關(guān)03001觸頭有異常痕跡，檢修人員即進行了現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)：該隔離開關(guān)拐臂無損傷，水平度良好；隔離開關(guān)下部支柱瓷瓶外觀無破損，垂直度在正常范圍內(nèi)；隔離開關(guān)機構(gòu)箱內(nèi)部無異常；隔離開關(guān)兩側(cè)觸頭部位發(fā)現(xiàn)明顯燒蝕痕跡，如圖1所示。因隔離開關(guān)燒蝕嚴(yán)重，通流接觸面受損，已不具備合閘運行能力，需要對隔離開關(guān)觸頭進行更換。

圖1 隔離開關(guān)觸頭燒蝕情況

1.2 故障分析

一般情況下，觸頭燒蝕的主要原因是在隔離開關(guān)操作過程中發(fā)生拉弧放電，造成隔離開關(guān)觸頭燒蝕。而拉弧放電造成觸頭損傷的常見原因包括隔離開關(guān)合閘不到位，觸頭之間接觸不緊密，產(chǎn)生拉弧放電；帶負(fù)荷分、合隔離開關(guān)等[5]。金屬回線轉(zhuǎn)換隔離開關(guān)03001主要在單極大地回線運行工況下承載大電流，如圖2所示。而在此運行工況下巡檢中并未發(fā)現(xiàn)拉弧、發(fā)熱現(xiàn)象，可以排除觸頭之間接觸不緊密引起觸頭燒蝕的情況。因此主要考慮此隔離開關(guān)在進行操作過程中可能發(fā)生拉弧放電的情況。

隔離開關(guān)03001為西安西電高壓開關(guān)有限公司生產(chǎn)的ZGW1-150型直流隔離開關(guān)，其電動操作機構(gòu)使用輔助開關(guān)提供分合位信號，其中分位信號使用常閉接點，合位信號使用常開接點。如圖3所示，操作機構(gòu)由分閘位置到合閘位置運行時，輔助開關(guān)常開接點在0%～85%行程范圍內(nèi)為常開，85%～100%為常閉；常閉接點在0%～15%行程范圍內(nèi)為常閉，15%～100%為常開。

圖3 輔助開關(guān)行程

由上述可知，在隔離開關(guān)合閘過程中，其僅到達行程85%位置就已經(jīng)送出合位信號，控制系統(tǒng)判定此隔離開關(guān)處于合閘位置。由金屬回線轉(zhuǎn)大地回線順控過程可知，控制系統(tǒng)判定隔離開關(guān)03001與隔離開關(guān)03002均處于合位，若在執(zhí)行運行方式轉(zhuǎn)換前隔離開關(guān)01001或隔離開關(guān)02001已經(jīng)處于合位、斷路器0600已經(jīng)處于分位，將會執(zhí)行下一步合上斷路器0300。軟件內(nèi)與斷路器0300合閘相關(guān)的邏輯如圖4，在金屬回線轉(zhuǎn)大地回線過程中，軟件邏輯中斷路器0300在收到隔離開關(guān)03001、隔離開關(guān)03002合位信號后將無延時立即合上。

圖2 直流輸電接線

圖4 金屬回線轉(zhuǎn)大地回線順控邏輯

由于隔離開關(guān)03001合閘時間為8±1 s，而斷路器0300合閘時間僅為54 ms左右，由圖2可知在隔離開關(guān)03001實際未合閘到位時斷路器0300已經(jīng)合閘。極中性母線此時已經(jīng)與接地極連通，隔離開關(guān)03001的觸頭尚未完全接觸情況下流過大電流拉弧放電，最終造成觸頭燒蝕。

2 輔助開關(guān)取分合位信號隱患分析

高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“除非動觸頭分別到達其合閘或分閘位置，并滿足位置可靠性，否則不應(yīng)該發(fā)出合閘和分閘位置指示和位置信號”[6]，而高壓直流隔離開關(guān)和接地開關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確規(guī)定位置指示和位置信號的準(zhǔn)確性。

目前隔離開關(guān)所用操動機構(gòu)的輔助開關(guān)與其輸出軸通常都是直連的，如圖5所示，即輸出軸轉(zhuǎn)動的角度也是輔助開關(guān)轉(zhuǎn)動的角度，這樣可以為后臺提供準(zhǔn)確可靠的分合閘位置信號。以輸出角度為90°的操動機構(gòu)為例，理想狀態(tài)下，操動機構(gòu)剛好轉(zhuǎn)動90°，隔離開關(guān)也剛好到達準(zhǔn)確的分合閘位置，這種情況下，輔助開關(guān)可以做到100%的位置信號反饋。但在工程應(yīng)用中，往往是操動機構(gòu)轉(zhuǎn)動90°，隔離開關(guān)并未到達分合閘位置，這就需要對操動機構(gòu)的輸出角度進行調(diào)整，以保證隔離開關(guān)準(zhǔn)確到達分合閘位置，通常調(diào)整角度在90°±10°。如果輔助開關(guān)切換角度為90°，則很有可能在分合閘位置不能發(fā)出正確的位置信號，因此如圖6所示，其分合閘位置只能是一個范圍，通常為30°才能保證提供分合閘信號的準(zhǔn)確性。

西開公司、阿?，m公司、平高公司生產(chǎn)的直流場隔離開關(guān)均采用輔助開關(guān)取分合位信號方案，而輔助開關(guān)為保證可靠性，均留有部分裕度，在隔離開關(guān)行程的85%～90%就會送出分合位信號。

輔助開關(guān)取分合位信號方案，在一次設(shè)備未到位時就送出分合位信號，對設(shè)備安全穩(wěn)定運行有重大隱患，對一次設(shè)備本身及直流保護系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有嚴(yán)重影響。

圖5 隔離開關(guān)及輔助開關(guān)結(jié)構(gòu)

圖6 輔助開關(guān)時序

2.1 對一次設(shè)備的影響

在合閘過程中，若未合閘到位，送出合位信號，控制系統(tǒng)判定隔離開關(guān)已經(jīng)合閘，而一次設(shè)備還未擁有安全通過額定電流及動、熱穩(wěn)定電流的能力，可能造成隔離開關(guān)觸頭的燒蝕，引起隔離開關(guān)發(fā)熱、操作壽命減少甚至觸頭燒毀。

2.2 對保護系統(tǒng)的影響

1)誤判運行方式導(dǎo)致保護誤退出

單極金屬回線方式下誤判運行方式將使整流站雙極保護系統(tǒng)內(nèi)3套金屬回線縱差保護(MRLDP)、逆變站雙極保護系統(tǒng)內(nèi)3套金屬回線接地保護(MRCGFP)、金屬回線橫差保護(MRTDP)退出運行，導(dǎo)致金屬回線無主保護運行。站內(nèi)接地極運行時，誤判運行方式將導(dǎo)致雙極保護系統(tǒng)內(nèi)3套站接地過流保護(SGOCP)與后備站接地過流保護(BUSGOCP)退出運行，導(dǎo)致站內(nèi)接地極無保護運行。

雙極控制系統(tǒng)中金屬回線指示的判定涉及多個直流場斷路器與隔離開關(guān)的分合位指示。如圖7所示，金屬回線指示需同時滿足斷路器0400合位(整流站)、隔離開關(guān)04001合位、隔離開關(guān)81202與隔離開關(guān)01002合位(極Ⅰ金屬回線運行)、隔離開關(guān)81201與隔離開關(guān)02002合位(極Ⅱ金屬回線運行)。

以金屬回線縱差保護(MRLDP)為例，金屬回線縱差保護投入，即“金屬回線縱差保護使能(MRLDP_ENABLED)”信號為1，這需要“金屬回線指示(MR_IND)”為1，因此，任一隔離開關(guān)的分合位信號不準(zhǔn)確，都可能導(dǎo)致保護系統(tǒng)誤判運行方式，相應(yīng)保護退出運行。

2)保護定值選擇錯誤

隔離開關(guān)分合位信號不準(zhǔn)確可能導(dǎo)致極保護系統(tǒng)內(nèi)3套接地極開路保護(ELOCP)定值選擇錯誤，有誤動閉鎖直流風(fēng)險。

如圖8所示，極保護內(nèi)接地極開路保護(ELOCP)，

需要利用“金屬回線指示(MR_IND)”信號和是否為整流站選擇保護定值。相同的，任一“金屬回線指示(METALLIC_RETURN_IND)”判據(jù)隔離開關(guān)的分合位信號不準(zhǔn)確，都可能引起動作定值、輸入量選擇錯誤造成保護誤動。

3 隔離開關(guān)輔助接點改進

接點改進主要為棄用原輔助開關(guān)的分合位信號，在隔離開關(guān)操作機構(gòu)箱內(nèi)增加限位開關(guān)，在隔離開關(guān)完全運行到位時送出分合位信號，保證分合位信號的準(zhǔn)確性，消除隱患。

以西安西電高壓開關(guān)有限公司隔離開關(guān)改進為例，改造前隔離開關(guān)分、合位信號均由輔助開關(guān)給出，輔助開關(guān)在分、合閘行程85%即給出分合位信號，如圖9所示，其中SP1為分閘限位開關(guān)，SP2為合閘限位開關(guān)。限位開關(guān)采用LX19K型行程開關(guān)，行程開關(guān)有一對常開接點和一對常閉接點。當(dāng)分合閘未到位時，相應(yīng)限位開關(guān)在受壓狀態(tài)，常開接點閉合，常閉接點斷開。

改造后不再使用輔助開關(guān)提供分閘、合閘信號，改為使用限位開關(guān)提供分合位信號，如圖10所示。每臺隔離開關(guān)機構(gòu)箱新增兩個行程開關(guān)。其中送入A套系統(tǒng)的分位、合位信號使用原有行程開關(guān)未使用的常開接點，與分合閘限位信號互異；送入B套系統(tǒng)的分位、合位信號使用新增行程開關(guān)的常開接點。相應(yīng)地，將壓住行程開關(guān)的擋板加長。

圖7 金屬回線指示判定邏輯

圖8 金屬回線指示判定邏輯

圖10 改造后限位開關(guān)

圖11 三重化改造前后

改造完成后，對所有隔離開關(guān)多次進行操作試驗。首先進行就地操作，確保改造完成的隔離開關(guān)可完全分閘到位、合閘到位，分合閘狀態(tài)下送出的分合位信號正確可靠；再進行遠(yuǎn)方分合閘試驗，確保改造后的隔離開關(guān)遠(yuǎn)控功能正常，同時利用Hidraw檢查直流控保軟件內(nèi)隔離開關(guān)分合位指示與現(xiàn)場一次設(shè)備狀態(tài)一致。最后，在金屬回線轉(zhuǎn)大地回線過程中，使用攝像機攝錄金屬回線轉(zhuǎn)換隔離開關(guān)03001分合閘過程，多次回看錄像，未發(fā)現(xiàn)明顯的拉弧放電現(xiàn)象，改造效果良好。

另外，由于現(xiàn)有直流保護用隔離開關(guān)分合閘指示通過控制主機送入保護系統(tǒng)，因此，主機控制系統(tǒng)內(nèi)隔離開關(guān)分合閘指示錯誤，將同時導(dǎo)致3套保護系統(tǒng)內(nèi)保護誤動作、誤退出或誤選定值，不滿足三重化冗余配置的要求。因此，可對接入保護系統(tǒng)的隔離開關(guān)分合位信號進行三重化改造。如圖11所示，3套保護系統(tǒng)獨立采集隔離開關(guān)分合位信號，保證

每套保護系統(tǒng)信號回路的獨立，以滿足三重化冗余配置要求。

4 結(jié) 語

通過對換流站金屬回線轉(zhuǎn)換隔離開關(guān)03001在操作過程中發(fā)生拉弧放電，導(dǎo)致觸頭燒蝕的缺陷分析，查找到隔離開關(guān)觸頭燒蝕的原因為使用85%行程的輔助開關(guān)，在隔離開關(guān)未完全合閘到位情況下即送出合位信號，造成隔離開關(guān)觸頭拉弧燒蝕。并分析了此類隱患可能對一次設(shè)備以及直流控制保護系統(tǒng)的影響；同時簡述了可行的解決方案，并且用于實際改造，改造效果良好，為國內(nèi)其他換流站提供了借鑒。