換流站選相分合閘裝置誤動(dòng)故障案例分析

徐晟

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510000）

0 引言

在換流站發(fā)展中引入了選相合閘裝置，希望通過(guò)裝置來(lái)降低合閘過(guò)程中的過(guò)電流以及過(guò)電壓，通過(guò)這種方式來(lái)提高斷路器的壽命，而且對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性而言也具有重要作用。但是在選相分閘裝置于換流站的應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題，經(jīng)常出現(xiàn)故障問(wèn)題，誤動(dòng)故障是典型代表。因此分析換流站選相分合閘裝置誤動(dòng)故障并剖析其原因，提出應(yīng)對(duì)改進(jìn)策略十分必要，也具有重要意義。本文進(jìn)行研究的過(guò)程中，以某換流站選相分合閘裝置的運(yùn)行狀況為案例進(jìn)行分析。

1 某換流站選相分合閘裝置運(yùn)行狀況及誤動(dòng)故障分析

某換流站5053開(kāi)關(guān)跳閘（5051和5052開(kāi)關(guān)根據(jù)方式安排在冷備用狀態(tài)），500 kV 1#站用變失電，10 kV備自投動(dòng)作，由103 M帶101 M運(yùn)行，交流負(fù)荷未受影響，直流系統(tǒng)運(yùn)行在5000 MW。

圖1 SER信號(hào)Fig.1 SER signal

監(jiān)控系統(tǒng)頻發(fā)5053開(kāi)關(guān)選相合閘裝置故障信號(hào)，運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查上述時(shí)段內(nèi)開(kāi)關(guān)選相合閘裝置故障不停在進(jìn)行重啟，重啟過(guò)程中有所有指示燈瞬時(shí)點(diǎn)亮的情況，5053開(kāi)關(guān)跳閘，5053跳閘期間無(wú)保護(hù)跳閘信號(hào)[1]。檢修人員到現(xiàn)場(chǎng)后，選相合閘裝置運(yùn)行指示燈常亮（正常應(yīng)閃爍），對(duì)其面板菜單進(jìn)行操作，發(fā)現(xiàn)其已死機(jī)。

圖2 裝置運(yùn)行狀況圖Fig.2 device operation diagram

將現(xiàn)場(chǎng)故障裝置僅提供工作電源上電運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)裝置能夠正常啟動(dòng)運(yùn)行。但在經(jīng)過(guò)連續(xù)數(shù)個(gè)小時(shí)的通電運(yùn)行，裝置出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)場(chǎng)的異常自動(dòng)復(fù)位現(xiàn)象，同時(shí)出現(xiàn)定值出錯(cuò)及參數(shù)出錯(cuò)等異常事件，并且裝置出現(xiàn)死機(jī)、液晶及按鍵無(wú)法正常工作的情況[2]。此檢測(cè)異常現(xiàn)象與裝置在現(xiàn)場(chǎng)的異常工況一致。

圖3 監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)控情況圖Fig.3 Monitoring system monitoring situation map

在裝置上電運(yùn)行及復(fù)位期間，為檢測(cè)裝置分合閘出口情況，采用示波器分別接入A 相分閘及合閘出口監(jiān)視，BC 相的分合閘出口分別接入測(cè)試盒監(jiān)視，監(jiān)視均具備出口捕獲自動(dòng)保持功能。在接下來(lái)的監(jiān)視過(guò)程中，未采集到裝置異常出口情況。

2 某換流站選相分合閘裝置誤動(dòng)故障分析

2.1 自動(dòng)復(fù)位原因分析

裝置出現(xiàn)頻繁自動(dòng)復(fù)位故障的原因有兩個(gè)：一是裝置電源板故障；二是裝置系統(tǒng)板故障。裝置供電可靠性直接影響工作穩(wěn)定性，對(duì)于裝置電源插件的故障，一般出現(xiàn)內(nèi)部供電電壓不穩(wěn)定時(shí)會(huì)導(dǎo)致裝置復(fù)位或無(wú)法上電，但不會(huì)出現(xiàn)定值、參數(shù)出錯(cuò)等異常情況。此外，將返廠裝置的電源板件更換到另外一臺(tái)正常裝置拷機(jī)未出現(xiàn)復(fù)位情況，而返廠裝置在更換正常的電源板拷機(jī)后數(shù)小時(shí)即復(fù)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位現(xiàn)象[3]。因此，故障點(diǎn)定位進(jìn)一步明確為系統(tǒng)板。

裝置上電啟動(dòng)后，首先會(huì)將存貯在系統(tǒng)板掉電不丟失存儲(chǔ)器件中的應(yīng)用軟件拷貝至速度更快的SDRAM 存儲(chǔ)芯片中運(yùn)行。應(yīng)用軟件運(yùn)行初始化時(shí)，將裝置參數(shù)、定值從掉電不丟失存儲(chǔ)器件中復(fù)制到SDRAM 中，理解為裝置軟件代碼及定值、參數(shù)在運(yùn)行時(shí)均從SDRAM 中獲取。

當(dāng)軟件運(yùn)行代碼出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)使代碼執(zhí)行指令出錯(cuò)，CPU 會(huì)產(chǎn)生指令出錯(cuò)中斷，程序進(jìn)入死循環(huán)，導(dǎo)致硬件看門(mén)狗觸發(fā)裝置復(fù)位，復(fù)位時(shí)重新啟動(dòng)后如果仍然出現(xiàn)異常，則再次觸發(fā)復(fù)位[4]。當(dāng)存儲(chǔ)參數(shù)定值的存儲(chǔ)單元出錯(cuò)時(shí)，裝置定值、參數(shù)數(shù)據(jù)載入SDRAM 芯片時(shí)的檢測(cè)工作無(wú)法完成，裝置會(huì)出現(xiàn)定值出錯(cuò)或參數(shù)出錯(cuò)記錄。

當(dāng)軟件運(yùn)行數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，如果此時(shí)只有極少量的SDRAM 存儲(chǔ)單元出錯(cuò)，CPU 軟件的大部分模塊還能夠正常運(yùn)行。結(jié)合裝置的程序?qū)崿F(xiàn)及事件記錄報(bào)定值、參數(shù)出錯(cuò)等異常情況分析，可以確定裝置出現(xiàn)的頻繁自動(dòng)復(fù)位現(xiàn)象是系統(tǒng)板的SDRAM 存儲(chǔ)芯片失效導(dǎo)致的[5]（圖4 中紅色框內(nèi)芯片）。

圖4 異常板件Fig.4 Abnormal board

2.2 芯片故障原因分析

結(jié)合上述異?，F(xiàn)象及裝置檢測(cè)結(jié)果分析，可以確定裝置異常復(fù)位的原因是SDRAM芯片損壞引起。經(jīng)咨詢(xún)裝置選用的SDRAM芯片是SAMSUNG公司推出的成熟產(chǎn)品，在電力及工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但即便是工業(yè)級(jí)或軍工級(jí)的電子元器件，也不可避免存在老化失效問(wèn)題，而且即便是同一批次的芯片，也因?yàn)橹圃爝^(guò)程、運(yùn)行環(huán)境及日常維護(hù)等因素表現(xiàn)出不同的失效周期。

此過(guò)程是無(wú)法通過(guò)常規(guī)的檢測(cè)手段提前獲知的。而且這種品質(zhì)變化一般是由良好到失效的累積過(guò)程?？紤]到裝置已經(jīng)出廠并運(yùn)行有近9 年時(shí)間，且在此期間基本是持續(xù)帶電運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)板的SDRAM 芯片進(jìn)入工作可靠性下降的失效周期。

2.3 硬件出口與5053 開(kāi)關(guān)異常動(dòng)作分析

3YL裝置控制回路出口采用繼電器串接MOSFET的方式完成分合閘控制?？刂菩酒煽删幊踢壿嬈骷x通，CPU系統(tǒng)進(jìn)行控制，選相不動(dòng)作時(shí)為內(nèi)部閉鎖狀態(tài)。MOSFET采用專(zhuān)用的隔離驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行隔離，繼電器采用光耦隔離。三相操作通過(guò)三個(gè)獨(dú)立的模塊進(jìn)行控制[6]。裝置合閘回路示意圖如圖5所示。

系統(tǒng)在上電CPU初始化階段，CPLD將關(guān)閉控制芯片的選通信號(hào)?？刂菩酒幱陂]鎖狀態(tài)，不會(huì)響應(yīng)CPU指令。

圖5 裝置合閘回路示意圖Fig.5 Schematic diagram of the device closing circuit

2.4 軟件控制與5053 開(kāi)關(guān)異常動(dòng)作分析

2.4.1 開(kāi)入板件異常

排除計(jì)劃內(nèi)操作情況，如外部啟動(dòng)信號(hào)異?；蜓b置硬件開(kāi)入板件異常，均能夠使裝置采集到有效的合閘啟動(dòng)信號(hào)，出現(xiàn)計(jì)劃外合閘的可能，但由此方式動(dòng)作時(shí)裝置會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作事件記錄。但現(xiàn)場(chǎng)返廠裝置進(jìn)行開(kāi)入信號(hào)采集測(cè)試結(jié)果正常，且無(wú)動(dòng)作事件記錄。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集異常

如果是由于SDRAM異常，導(dǎo)致采集信息出現(xiàn)從0到1的變化，裝置能夠進(jìn)行合閘控制。但此現(xiàn)象只適用于單個(gè)開(kāi)入信號(hào)上升沿啟動(dòng)的情況，且保留有動(dòng)作事件記錄?，F(xiàn)場(chǎng)裝置采用雙開(kāi)入可靠同步啟動(dòng)方式，分別檢測(cè)合閘啟動(dòng)、合閘啟動(dòng)校驗(yàn)等4個(gè)啟動(dòng)信號(hào)。需要合閘啟動(dòng)及校驗(yàn)信號(hào)從0到1變化，再?gòu)?變化為0的過(guò)程后才認(rèn)為啟動(dòng)命令有效。因此，由芯片異常而導(dǎo)致采集信號(hào)變化誤啟動(dòng)的可能性極小。

2.4.3 軟件執(zhí)行異常

芯片異常后導(dǎo)致合閘命令數(shù)據(jù)變化或指令正好跳轉(zhuǎn)至合閘出口執(zhí)行的分析如下：假設(shè)SDRAM異常，使得CPU極低概率下跳至出口指令，由出口控制過(guò)程可知，硬件出口設(shè)計(jì)是由繼電器和MOSFET串聯(lián)，必需二者均有效接通的情況下，控制出口才有效，并且這只是一相出口接通的可能。程序是基于實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，只要CPU和存儲(chǔ)器有輕微的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，馬上會(huì)導(dǎo)致軟件系統(tǒng)崩潰，從而進(jìn)入異常處理中斷觸發(fā)裝置復(fù)位或死機(jī)[7]。

根據(jù)以上推論，3YL裝置在SDRAM出現(xiàn)異常時(shí)，CPU很快就會(huì)進(jìn)入異常中斷函數(shù)，呈現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)。在這種情況下，能夠誤發(fā)合閘命令的概率是極低的，但從客觀上講也不能夠完全排除。另外的情況是SDRAM失效的初始階段，此時(shí)只有極少量的存儲(chǔ)單元出錯(cuò)，CPU軟件的大部分模塊還能夠正常運(yùn)行[8]。如個(gè)別關(guān)鍵存儲(chǔ)單元出現(xiàn)錯(cuò)誤，包括硬件出口設(shè)計(jì)中自動(dòng)復(fù)位時(shí)電壓波動(dòng)、參數(shù)變化影響因素，盡管概率不高，但會(huì)有一定概率導(dǎo)致裝置誤出口，此時(shí)設(shè)計(jì)的對(duì)策主要是參考保護(hù)裝置控制雙重化方式，進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。

2.5 小結(jié)

2.5.1 裝置異常自動(dòng)復(fù)位原因

經(jīng)檢測(cè)分析確定，現(xiàn)場(chǎng)3YL 裝置頻繁自動(dòng)復(fù)位原因，是由于系統(tǒng)板的SDRAM 存儲(chǔ)芯片損壞所致。裝置所采用的SDRAM 設(shè)計(jì)和芯片選型方案早已被電力行業(yè)和工控行業(yè)廣泛采用，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的損壞為工程個(gè)例。

2.5.2 裝置故障與5053 開(kāi)關(guān)計(jì)劃外動(dòng)作關(guān)聯(lián)度分析

由于硬件故障后裝置持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，且裝置的控制出口沒(méi)有做到完全旁路處理，時(shí)間及故障的積累效應(yīng)對(duì)裝置保持其運(yùn)行可靠性是不利的。因目前暫未捕捉到故障裝置的出口信號(hào)，后續(xù)將繼續(xù)跟蹤，因裝置出口回路當(dāng)前設(shè)計(jì)方式可能在故障時(shí)頻繁復(fù)位期間，因內(nèi)部電壓波動(dòng)、元件參數(shù)特性變化等因素，目前不排除異常出口的可能。

3 換流站選相分合閘裝置誤動(dòng)故障整改措施及建議

3.1 故障應(yīng)對(duì)措施措施

要求選相合閘裝置廠家對(duì)更換下的選相合閘裝置進(jìn)行測(cè)試，明確故障原因。

經(jīng)過(guò)測(cè)試之后，明確了裝置異常復(fù)位原因。但尚未重現(xiàn)裝置誤出口原因，后續(xù)將繼續(xù)開(kāi)展相關(guān)檢查工作。

在廠家未明確裝置故障原因前，為防止再次出現(xiàn)選相分合閘裝置故障導(dǎo)致開(kāi)關(guān)跳開(kāi)的異常情況，開(kāi)關(guān)復(fù)電后將采取將選相合閘裝置打至旁路且拆除分合閘出口接線的臨時(shí)措施，該措施不影響保護(hù)跳閘功能。

3.2 整改措施

3.2.1 增加壓板整改

智能選相合閘裝置旁路功能僅隔離開(kāi)入功能回路，未對(duì)出口回路進(jìn)行旁路或隔離。后續(xù)將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮對(duì)換流站智能選相分合閘裝置的分合閘出口回路增加壓板的整改方案[9]。

3.2.2 改進(jìn)獨(dú)立雙系統(tǒng)控制方式

為避免裝置在出現(xiàn)硬件故障或運(yùn)行異常時(shí)可能引起誤出口，參考保護(hù)裝置控制雙重化方式，進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，對(duì)國(guó)立智能裝置進(jìn)行下述優(yōu)化：增加選通板插件，使裝置由單系統(tǒng)控制方式變化為獨(dú)立雙系統(tǒng)控制方式[10]。

圖7 裝置優(yōu)化方案圖Fig.7 Device optimization plan

3.3 換流站選相分合閘裝置誤動(dòng)故障整改與運(yùn)維建議

圖6 增加壓板整改圖Fig.6 Increase the platen rectification chart

（1）在新改擴(kuò)建工程中要求選相分合閘裝置在投旁路功能時(shí)，必須同時(shí)有隔離分合閘出口接線的措施（增設(shè)壓板或通過(guò)把手隔離）。

（2）充分研究各類(lèi)型設(shè)備選相分合閘裝置功能投入需求，并在新改擴(kuò)建工程中應(yīng)用。

針對(duì)選相合閘裝置開(kāi)展各站點(diǎn)運(yùn)行規(guī)程的修編，明確運(yùn)規(guī)中必須包含選相分合閘裝置的故障處置流程如下：①電源故障，則檢查電源的空開(kāi)是否合上；若沒(méi)有合上，則應(yīng)隔離分閘出口回路后再試合開(kāi)關(guān)；試合不成功或空開(kāi)在合上位置，則聯(lián)系檢修人員處理。②當(dāng)進(jìn)行斷路器合閘操作時(shí)，若因負(fù)荷對(duì)側(cè)無(wú)電壓、電流互感器T3無(wú)電流等原因?qū)е逻\(yùn)行燈不亮或選相分合閘裝置自身有問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法操作時(shí)。應(yīng)立即停止操作，排除裝置以外一、二次設(shè)備無(wú)異常，通過(guò)選相分合閘裝置“投入/退出切換把手”將裝置退出，即實(shí)現(xiàn)旁路功能，對(duì)應(yīng)斷路器的操作可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求和上級(jí)指示確定是否不通過(guò)選相分合閘裝置直接出口命令。故障排除后根據(jù)規(guī)定或者上級(jí)指示再確定是否將裝置投入。③若要對(duì)選相分合閘裝置裝置所控設(shè)備及其相關(guān)設(shè)備進(jìn)行加壓注流試驗(yàn)，尤其是對(duì)小組交流濾波器做注流試驗(yàn)，必須先將該小組濾波器對(duì)應(yīng)斷路器的選相分合閘裝置裝置退出，將其旁路。目的是為了防止選相分合閘裝置裝置誤判該斷路器的位置狀態(tài)，待加壓注流試驗(yàn)結(jié)束后再投入選相分合閘裝置裝置。④當(dāng)選相分合閘裝置發(fā)生頻繁重啟、復(fù)位以及死機(jī)情況，應(yīng)第一時(shí)間通過(guò)選相分合閘裝置“投入/退出切換把手”將裝置退出，然后將裝置電源斷開(kāi)。⑤為避免誤出口，裝置上電前，應(yīng)斷開(kāi)裝置分合閘出口壓板（若有）或臨時(shí)解除分合閘接線，在進(jìn)行裝置上電。上電后裝置運(yùn)行正常后，經(jīng)萬(wàn)用表測(cè)量分合閘出口壓板（若有）或臨時(shí)解除分合閘接線無(wú)正電位才允許將接線恢復(fù)。

4 結(jié)論

對(duì)于換流站而言，選相分合閘裝置誤動(dòng)故障的分析和應(yīng)對(duì)必須受到充分關(guān)注，深入分析原因，進(jìn)行整改和優(yōu)化，提高換流站以及整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。