云广特高压直流外部跳闸回路改进策略分析

黄定文，熊超，黄华，赵晓杰

（南方电网超高压输电公司广州局，广东 广州 510000）

0 引言

特高压直流具有输电容量大、输电距离远、易于控制和调节等优点[1]，有力支撑“西电东送”战略[2]，但对直流控制保护设备在可靠性和功能完善性上提出了更高要求[3]。高压直流保护系统的主要功能是防止在系统故障或过载时直流系统设备损坏[4]。云广特高压直流控制保护系统，除电气量的直流保护、阀组保护及换流变压器保护外，还通过阀组保护接口屏接入非电气量的外部跳闸保护，包括直流分压器SF6压力低跳闸、换流变进线PT SF6压力低跳闸、阀厅直流穿墙套管SF6压力低跳闸、阀组VBE跳闸、阀厅避雷器VHA跳闸、阀冷跳闸等。特高压直流外部跳闸，即直流保护屏、阀组保护屏、换流变保护屏等控制保护系统本身屏柜之外，来自高压设备现场和其他接口屏的，反映高压一次设备或阀冷设备出现紧急故障，导致跳闸电位接通触发的跳闸事件。特高压直流外部跳闸等保护，能有效检测特高压直流的设备故障，避免设备遭受严重破坏，保证直流输电系统的安全运行[5]。

1 特高压直流外部跳闸回路分析

1.1 外部跳闸回路分析

云广特高压直流阀组保护接口屏从现场端子箱、阀厅接口屏、阀厅避雷器接口屏（VHA）、阀冷屏柜等，接入各类外部跳闸回路，经相应压板出口励磁换流变保护屏的K21或K22继电器，一方面继电器接点闭合直接出口到开关汇控箱实现换流变馈线开关跳闸出口，一方面继电器接点闭合回到阀组保护屏再转接到阀组控制屏实现换流阀闭锁。

表1 云广特高压直流外部跳闸回路Table1 External trip circuit of UHVDC

1.2 外部跳闸回路设计存在的问题

云广特高压直流控制保护系统对外部跳闸回路的原有设计不尽完善，主要存在两方面问题。

其一，任一类外部跳闸回路，如极1高压直流分压器SF6跳闸，都是双回路走线，任一回路接点闭合导通，该回路就通电使能，不经任何元器件直接励磁继电器出口跳闸，无法区分是第一路还是第二路回路导通导致的跳闸；且任一类跳闸的双回路，不送SER屏，没串接任何状态灯，无法通过事件记录、状态灯等判断哪类外部跳闸动作。以上两方面，均不利于故障判断和故障排查。

其二，原有部分非电气量外部跳闸励磁启动失灵保护的K21继电器，存在非电气量保护延时返回导致开关失灵保护误动的可能。

1.3 云广特高压直流外部跳闸回路受外界影响风险分析

变电站设立于户外环境当中，易受到各类因素的影响[6]。云广特高压直流换流变电站外部跳闸回路繁多，多数从现场接取而来，大量外部跳闸二次电缆长线敷设在高压设备场地下，易受外界强电磁突变干扰在回路产生瞬间高电位而有保护误动风险，此外大量外部跳闸现场端子箱暴露在广州潮湿的环境中，尤其是SF6压力低外部跳闸回路受外界环境影响较大。

监测设备SF6压力低的外部跳闸回路，其就地端子箱处由SF6继电器闭合的接点，容易因为端子箱受潮而误导通出口跳闸。

换流站一次系统稳态或暂态过程产生的干扰很有可能影响二次系统的正常工作[7]。云广特高压直流任一类外部跳闸回路，只要相应接点导通，即出口跳闸，不带延时。而外部跳闸二次电缆长线敷设在高压设备场地下，容易受到强电磁突变干扰，存在二次电缆严重电磁干扰下回路瞬间电位过高，导致外部跳闸误动作的可能。

2 外部跳闸回路优化策略

直流控制保护系统是直流输电工程的核心[8]，作为直流控制保护的重要组成部分，外部跳闸回路的完善，有助于直流运行稳定。云广特高压直流外部跳闸回路，存在无法区分哪类外部跳闸动作、哪路外部跳闸回路导通的不足，需对外部跳闸回路进行优化。

2.1 外部跳闸出口回路的优化

优化设计外部跳闸回路，将外部跳闸励磁继电器出口处由转接换流变保护屏，就地改为在本屏阀组保护接口屏新设装置上出口。

换流变非电量保护和外部跳闸保护，同属非电量保护，而换流变非电气量保护应用SBH-105A主机装置，具有识别不同非电量保护的功能。参考换流变非电量保护设计，在阀组保护接口屏，直接引入换流变非电量保护的主机装置，作为F301P和F302P主机，分别接取各类外部跳闸回路的第一路跳闸回路、第二路外部跳闸回路。

优化策略采用硬件技术优化。硬件技术是计算器对变送器、执行器以及辅助设备的优化、管理和控制[9]。F301P和F302P保护主机装置，具有接入并识别多个不同开关量输入、可分类启动电气量和非电气量等不同继电器出口的功能。

优化后的外部跳闸回路主拓扑为，阀组保护接口屏F301P和F302P插件上的开关量输入BIN接点接入从现场接口屏或端子箱过来的外部跳闸回路，经CPU处理后转为BIN_T接点（开关量跳闸输入接点），再转接跳闸出口插件处励磁不同继电器（电气量的VBE跳闸出口励磁电气量继电器，启动开关失灵；SF6压力低跳闸等非电气量跳闸出口励磁非电气量继电器，不启动开关失灵），解决了部分非电量外部跳闸启动开关失灵的隐患。而跳闸出口插件的两对接点闭合，一对接点闭合接通现场开关汇控箱跳闸回路，出口跳闸开关，另一对接点闭合接通阀组控制屏闭锁回路，出口闭锁特高压直流。

图1 优化前的外部跳闸回路设计（阀组保护接口屏处）Fig.1 Pre-optimized design of external trip circuit(In Protection Interface)

由于现场接口屏或端子箱过来的不同外部跳闸回路，在阀组保护接口屏处均接入了不同的开关量输入接点（BIN），CPU能识别到具体是哪类外部跳闸回路励磁出口，不同的外部跳闸回路出口，工作站后台均有不同的具体报文，运行人员能判断到哪类外部跳闸回路出口。

由于阀组保护接口屏的F301P和F302P保护主机装置，分别接取各类外部跳闸回路的第一路跳闸回路、第二路外部跳闸回路，因此也能识别某类外部跳闸的两路回路中是哪路回路出口。

即阀组保护接口屏新设的保护主机，能识别哪类外部跳闸回路出口，而且能识别该类外部跳闸的两路回路中究竟是哪路回路出口，实现了精准定位故障回路的目的。故障诊断是高压直流输电技术核心之一，利用快速准确的故障诊断方法对UHVDC系统故障点进行定位，是采取有效控制措施的前提[10]。该优化策略有利于特高压直流稳定运行。

2.2 外部跳闸回路直流供电回路优化

云广特高压直流原有外部跳闸回路转接到换流变保护屏励磁K21或K22继电器出口，因此汇集各路外部跳闸二次回路的阀组保护接口屏，其外部跳闸回路供电电源，仍然是从换流变保护屏接取，存在直流供电二次电缆引线过长容易受外部因素导致直流供电电源接地或掉电的风险。

图2 优化后的外部跳闸回路设计（阀组保护接口屏处）Fig.2 Optimized design of external trip circuit(In Protection Interface)

优化设计外部跳闸回路后，将外部跳闸励磁继电器出口处由转接换流变保护屏，就地改为在本屏阀组保护接口屏新设装置上出口，因此相应的外部跳闸回路直流电源，改为本阀组保护接口屏直接从直流馈线屏处接取（两路外部跳闸回路分别从相应极的两个不同直流馈线屏处接取）。

为满足装置电源和对应的出口回路取自同一电源的要求，接取各类外部跳闸回路第一路回路的F301P装置电源，与第一路外部跳闸回路供电电源接在同一直流馈线屏的同一供电馈线上；接取各类外部跳闸回路第二路回路的F301P装置电源，与第二路外部跳闸回路供电电源接在同一直流馈线屏的同一供电馈线上。

3 外部跳闸回路防误动优化策略

云广特高压直流外部跳闸回路繁多，大量外部跳闸二次电缆长线敷设在高压设备场地下，易因外界强电磁突变干扰、外部跳闸现场端子箱受潮等导致外部跳闸回路误动。需综合研究外部跳闸回路防误动优化策略。

3.1 防端子箱受潮误动的优化策略

就端子箱受潮导致SF6压力低外部跳闸回路误导通问题，采取外部跳闸动作闭合接点两侧端子隔开一个端子布局，或外部跳闸动作闭合接点两侧端子加装端子隔片的措施。同时，优化SF6压力低外部跳闸触发回路，该外部跳闸的双回路，均设置SF6表计指针移动到跳闸压力低区域才接通的接点回路（指针并接一根导电线缆，压力低跳闸区域界线初设置一个小金属挡板，指针触碰到该小金属挡板即导通回路），与SF6压力低继电器励磁导通的接点串联的“与门”出口回路，即SF6压力低外部跳闸双回路的任一回路，均为“与门”出口，两个“与门”条件为不同原理相互独立的导通逻辑，两路回路均配置“与门”逻辑，构成了SF6压力低跳闸完全双重化的逻辑，兼顾避免误动和拒动，此设计避免了直流场机构箱容易受潮导致SF6压力低外部跳闸接点误导通动作的情况。

3.2 防电磁干扰的二次回路改进措施

就电磁干扰下外部跳闸回路瞬间电位飙高导致保护误动的风险，研究在阀组保护接口屏主机上，参考换流变电气量保护设计，对外部跳闸励磁继电器回路，接入装置CK延时接点，设置20 ms的延时，躲过外部电磁干扰导致的瞬间电位飙高。优化前和优化后阀组保护接口屏外部跳闸励磁继电器回路如图3所示。

4 结论

云广特高压直流原有外部跳闸回路设计，存在外部跳闸触发后无法定位到故障支路的不合理设计，以及容易因为就地端子箱受潮、电磁干扰瞬间电位飙高导致保护误动的问题。

图3 优化后外部跳闸励磁继电器回路Fig.3 Optimized design of external trip relay circuit

（1）优化设计外部跳闸回路，将外部跳闸励磁继电器出口处由转接换流变保护屏，就地改为在本屏阀组保护接口屏新设装置上出口。不同外部跳闸回路，在阀组保护接口屏处均接入了不同的开关量输入接点（BIN），同时由于阀组保护接口屏的F301P和F302P保护主机装置，分别接取各类外部跳闸回路的第一路跳闸回路、第二路外部跳闸回路，因此也能识别某类外部跳闸的两路回路中是哪路回路出口。

同时外部跳闸回路直流电源，由换流变保护屏串接而来，优化改为本阀组保护接口屏直接从直流馈线屏处接取（两路外部跳闸回路分别从相应极的两个不同直流馈线屏处接取）。

（2）对SF6压力地外部跳闸回路易因就地端子箱受潮误动的问题，设置SF6表计指针移动到跳闸压力低区域才接通的接点回路，与SF6压力低继电器励磁导通的接点串联的“与门”出口回路。SF6压力低外部跳闸双回路的任一回路，形成“与门”出口，两路跳闸回路均配置“与门”逻辑，构成了SF6压力低完全双重化跳闸的逻辑，兼顾避免误动和拒动。

（3）就电磁干扰下外部跳闸回路瞬间电位飙高导致保护误动的风险，在阀组保护接口屏主机上，对外部跳闸励磁继电器回路，接入装置CK延时接点，设置20 ms的延时，躲过外部电磁干扰导致的瞬间电位飙高，消除雷电等强电磁干扰下外部跳闸回路误动可能。