高压直流输电系统典型闭锁事件分析

陈 堃，胡 伟，肖 繁，张侃君

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

±500 kV葛南直流于1989年正式投运，双极额定输送容量达到1 200 MW，直流输电线路长1 046 km，是我国第一条投入商业运行的大容量远距离直流输电工程，由湖北葛洲坝换流站至上海南桥换流站[1-3]。

目前，葛洲坝换流站阀控系统采用的是许继柔性输电系统公司生产的VBE200阀控系统，2010年投运；极控系统采用的是南瑞继保公司产品，阀控分A、B系统，与极控的A、B系统一一对应。阀控系统跟随极控系统切换，阀控系统发出的跳闸命令发送到极控，极控视之为紧急故障，先切换控制系统，后发闭锁直流命令。

基于葛洲坝换流站，本文介绍了一起由多维因素综合导致的高压直流输电系统典型闭锁事件，阐述了该事件的发展过程，分析了该事件处理过程中存在的疑难点，并提出了建议以避免类似故障的再次发生。

1 闭锁事件概述

1.1 事件发生前后状态

事件发生前，葛南直流为双极大地回线运行方式，输送功率为770 MW，极Ⅰ处于PCPA备用，PCPB值班状态，极Ⅱ处于PCPA值班，PCPB备用状态。

事件发生后，葛南直流运行方式为极Ⅱ单极大地回线运行方式，输送功率为588 MW，极Ⅰ闭锁，极Ⅱ正常运行。后按调度令将葛南直流转至极Ⅱ单极金属回线运行方式，输送功率580 MW。

事件发生时，宜昌地区天气为晴。

1.2 事件概述

某年某月某时，葛洲坝换流站极Ⅰ光TA合并单元发生故障，极Ⅰ极控系统P1PCPB退出值班状态，P1PCPA由备用切换至值班状态，切换后检测到极Ⅰ换流器丢触发脉冲信号，极Ⅰ闭锁，极Ⅱ正常运行。

现场进行检查发现，P1.DMI屏+1.H24位置合并单元间歇性重启现象导致了双极控保B套系统TDM通道故障，从而造成极Ⅰ极控系统P1PCPB退出值班状态，P1PCPA由备用切换到值班状态；极Ⅰ控制系统P1PCPB向P1PCPA进行切换后，由于此时阀控VBE的阀D4两块触发板LE板均出现损坏，在这种状况下晶闸管级控制板TE板不向VBE发送反馈信号，VBE不会产生EOC信号，因此两套极控系统都检测到了换流器丢脉冲信号，从而导致了极Ⅰ闭锁。

故障发生后，葛南直流由极Ⅱ单极金属回线运行方式转至单极大地回线运行；葛南直流极Ⅰ由冷备用转至热备用，正常；葛南直流极Ⅰ进行不带线路OLT试验（300 kV），正常；葛南直流极Ⅰ启动，葛南直流转为双极大地回线运行方式，输送功率为580 MW。

2 保护动作分析

2.1 事件记录

如表1所示，葛站P1.DMI（直流场测量接口）装置故障告警，双极控保系统P1PCPB、P2PCPB、BP1PPRB、P2PPRB都检测到TDM（通信方式）通道故障信号，极Ⅰ保护出口被闭锁。11:01:29，直流线路纵差保护启动极Ⅰ极控系统P1PCPB的切换逻辑，切换至极Ⅰ极控系统P1PCPA，后P1PCPA检测到阀触发脉冲异常，极Ⅰ闭锁。

表1 主要事件记录Tab.1 Main event record

2.2 P1.DMI装置检查处理情况

由于P1.DMI装置故障告警是该事件的起因，因此首先对葛站P1.DMI装置进行了检查。

现场检查发现，P1.DMI屏+1.H24层机箱（南瑞继保光TA合并单元）存在间歇性重启现象，如图1所示。检查发现，重启是由于该合并单元+1.H24.2位置DSP板NR1122A故障造成的。更换该板卡后合并单元恢复正常运行。

图1 P1.DMI屏+1.H24层机箱重启现象Fig.1 The restart of P1.DMI+1.H24

如图2所示，合并单元+1.H24机箱的作用主要是：通过光纤接口板NR1125A采集极Ⅰ线路电压Vd、中性母线电压Vee、阀侧中性母线电流 IdYC、线路电流IdYL、阀侧极母线电流IdDC、中性母线出线电流IdDL，并通过DSP板NR1122A采用TDM总线通信方式分别送双极控保系统P1PCPB、P1PPRB、P2PCPB、P2PPRB。

在该事件中，由于P1.DMI屏+1.H24位置合并单元间歇性重启现象导致双极控保B套系统TDM通道故障，从而造成极Ⅰ极控系统P1PCPB退出值班状态，P1PCPA由备用切换到值班状态。

图2 P1.DMI屏+1.H24层机箱功能示意图Fig.2 The functional diagram of P1.DMI+1.H24

2.3 换流器丢脉冲信号检查情况

由于极Ⅰ控制系统P1PCPA由备用切换到值班状态后，极Ⅰ两套控制系统都检测到了换流器丢脉冲信号，从而导致了极Ⅰ闭锁，因此接着对该信号进行检查。

2.3.1 丢脉冲信号导致极闭锁原理

控制系统解锁运行期间，值班、备用系统实时监视阀控每个阀臂脉冲反馈的EOC（电流过零点）信号，连续4个触发周期未监视到反馈EOC信号，则产生“阀丢脉冲”信号，并申请系统切换，如果再连续2个周期未监视到反馈EOC信号，将发出“触发脉冲异常跳闸”指令。其中为了防止出现极控系统的频繁切换，极控系统退出运行状态60 s内

图3 极控系统退出运行60 s内无法恢复运行逻辑Fig.3 The diagram of logic schematic

无法恢复正常运行，如图3所示。 由于此次极Ⅰ控制系统P1PCPB退出值班状态不到60 s，极Ⅰ控制系统P1PCPA检测到脉冲丢失后无法进行切换，因此直接发出了“触发脉冲异常跳闸”指令。

2.3.2 故障录波解读

故障录波如图4所示。

图4 故障录波Fig.4 Fault recording

由图4可以发现以下现象：

极Ⅰ控制系统切换后，直流电压、电流UDL、IDL保持稳定；

极Ⅰ控制系统切换后，中性母线电压Udn出现周期性波动，波动周期为一个周波20 ms；

极Ⅰ控制系统切换后，阀4发生了提前触发的情况。

基于上述现象，对A相D4阀触发情况进行了重点检查，通过阀触发试验发现D4阀120个晶闸管均无法导通，进一步检查发现阀控VBE屏负责D4阀触发的两块触发板LE板，发现其功能芯片表面均出现了不同程度的损坏现象，经厂家确认为接口芯片，功能为向晶闸管级控制板TE板发出触发脉冲，如图5所示。

图5 触发芯片表面损伤情况Fig.5 The damage of trigger chip

对上述两块LE板进行更换后再次进行触发试验，试验结果正常。

因此可得结论：极Ⅰ控制系统P1PCPB向P1PC-PA进行切换后，由于此时阀控VBE的阀D4两块触发板LE板均出现损坏，在这种状况下晶闸管级控制板TE板不向VBE发送反馈信号，VBE不会产生EOC信号，因此两套极控系统都检测到了换流器丢脉冲信号，从而导致极Ⅰ闭锁。

3 疑难点分析

通过现场检查发现并处理问题后，该事件依然有一些对事件分析会产生误导的疑难点需要解答。

3.1 极Ⅰ控制系统切换后，直流电压、电流UDL、IDL保持稳定

根据现场检查结果，极Ⅰ控制系统P1PCPA的阀控VBE负责阀D4触发的两块触发板LE板均处于损坏状态，极Ⅰ的阀D4确实出现了丢触发脉冲现象，理论上直流电压、电流应该出现扰动，整流侧换流站谐波保护应该动作，但根据故障录播显示，极Ⅰ控制系统切换后，直流电压、电流UDL、IDL保持稳定。

如图6所示，两套极控系统PCP分别有一一对应的阀控系统VBE，两块触发板LE为两套系统共用，但具备分别对应两套系统的接口芯片，接口芯片则向晶闸管级控制板TE板发出阀触发脉冲。

图6 阀触发逻辑示意图Fig.6 The diagram of logic schematic

根据厂家说明，TE板在接收到触发命令时产生阀触发脉冲，在接收到触发复归命令时停止产生阀触发脉冲，如果没有接收到触发复归命令，则根据阀的正向电压建立情况持续发出阀触发脉冲。由于在该事件中，极Ⅰ两套控制系统切换时，极Ⅰ阀D4处于换相过程，尚未收到触发复归命令，极Ⅰ两套控制系统切换后，极Ⅰ控制系统P1PCPA的阀D4触发板LE均处于损坏状态，未能向极Ⅰ阀D4的TE板发出触发复归命令，导致TE板持根据阀的正向电压建立情况续发出阀触发脉冲，从而直流电压、电流保持稳定。

3.2 中性母线电压Udn出现周期性波动，阀D4发生了提前触发

由3.1可知，极Ⅰ阀D4的TE板未收到触发复归命令，导致TE板根据阀的正向电压建立情况持续发出阀触发脉冲，即一旦阀正向电压建立则发出阀触发脉冲，因此，阀D4上一旦建立正向电压，则接收到触发信号提前导通，由于与极Ⅱ换流阀导通时刻不一致，从而产生了中性母线电压Udn出现周期性波动现象。

3.3 事件记录与实际丢脉冲的换流器阀组件不对应

根据表1所示，故障报文显示为D6（阀VB.V1）阀脉冲窗口期发出触发脉冲丢失告警。但根据现场检查结果，为A相的阀D4出现阀触发脉冲丢失情况。

根据厂家说明，丢脉冲的判断原理是按照在一个阀的CP脉冲窗口时间内检测与之换相阀的EOC信号来判断，若在CP脉冲窗口时间内检测不到EOC则报丢脉冲，若在CP窗口时间外检测到EOC则报误触发。例如，D6阀CP脉冲窗口时间内检测不到D4阀的EOC信号则报D6阀丢脉冲；D6阀CP脉冲窗口时间外收到D4阀EOC则报D6阀误触发。

4 结论

由于P1.DMI屏+1.H24位置合并单元间歇性重启现象导致双极控保B套系统TDM通道故障，从而造成极Ⅰ极控系统P1PCPB退出值班状态，P1PCPA由备用切换到值班状态。

极Ⅰ控制系统P1PCPB向P1PCPA进行切换后，由于此时阀控VBE的阀D4两块触发板LE板均出现损坏，在这种状况下晶闸管级控制板TE板不向VBE发送反馈信号，VBE不会产生EOC信号，因此两套极控系统都检测到了换流器丢脉冲信号，从而导致极Ⅰ闭锁。

5 结语

由于从2015年发生的TE板过热损坏事件到该事件的发生，其直接原因都是阀控系统内部功能板卡出现问题，但无有效告警措施，只能依靠人力进行排查，严重影响系统故障后的重新投运效率。因此，阀控系统的监控系统亟待完善。

建议极控、阀控系统采用同一厂家产品，不同厂家产品对于故障定位、处理等工作会造成不必要的困扰。

由于葛洲坝换流站投运年限长，易发生故障，建议多配置备品备件。

（References）

[1]舒印彪.中国直流输电的现状及展望[J].高电压技术，2004，30(11)：1-2．SHU Yinbiao.Present status and prospect of HVDC transmission in China[J].High Voltage Engineering，2004，30(11)：1-2．

[2]赵畹君.高压直流输电工程技术[M]．北京：中国电力出版社，2010．ZHAO Wanjun.HVDC transmission engineering technology[M].Beijing:China Power Press,2010.

[3]CHEN Kun,ZHOU Youbin,ZHANG Kanjun,et al.Research on the user-defined modeling of HVDC converter firing control based on ETSDAC[C]∥the 5th International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies(DRPT2015),Changsha,2015.