±800 kV直流换流站单极闭锁原因分析及改进措施

魏 星

(中国南方电网超高压输电公司昆明局，云南 昆明 550003)

0 引言

某直流输电工程为南方电网公司第2条800 kV电压等级的直流输电工程，其主要作用是把某大型水电站生产的清洁电能输送到广东负荷中心。该工程额定输送容量5 000 MW，电压为±800 kV，线路全长1 413.96 km，工程两端换流站采用每极2组12脉动阀组串接结构换流器，光直接触发技术。该工程于2011-12-02开工建设，2015-05-30全部建成并投入商业运行。工程两端换流站设备国产化率均超过60 %。该工程的投产，对减少大气污染、缓解云南水电弃水、优化东西部电力资源配置起到了积极作用。

由于该工程设备国产化率较高，运行方式多样，在运行过程中容易受到天气、过电压、设备老化等多方面的影响，单极闭锁因素较多。

下面对该工程送端某换流站在2016年4月发生的一起单极闭锁事件进行分析，通过录波分析和试验测试等方式，查找单极闭锁的根本原因，并开展针对性的硬件批次更换和保护软件升级。后续的生产运行实践表明，实施的改进措施切实有效。

1 直流换流站单极闭锁过程

1.1 直流换流站单极闭锁简要过程

2016-04-05，该直流换流站极I高端阀组组控系统1屏内F312空开跳闸，组控系统1控制主机产生ESOF(紧急停运)信号，并通过控制总线送出“合BPS开关”命令信号至极I高端阀组保护。极I高端阀组保护82BPS保护Ⅱ段动作。极Ⅰ双阀组由运行转为闭锁状态。闭锁前直流功率为1 840 MW，闭锁后直流功率无损失，2套安稳系统均正确启动。

1.2 控制保护系统动作情况分析

在800 kV直流换流站控制保护中，直流保护系统分为极保护和阀组保护系统，均采用2套保护同时工作、并列运行的方式，任意一套保护动作均出口跳闸。保护装置采用西门子公司的SIMATIC TDC数字多微机处理系统，其直流保护系统包括极级换流器保护、阀组级换流器保护、直流母线保护、直流线路保护、直流滤波器保护等。

旁路开关保护属于阀组级换流器保护，其保护定值和出口时间如表1所示。

表1 旁路开关(82BPS)保护定值

由录波分析可知，在极Ⅰ高端阀组控制系统发出BPS(By Pass Switch，合旁路开关)合闸命令后，500 ms内IdBPS确实小于0.07 p.u.，IdCH大于0.09 p.u.，旁路开关2段保护正确动作闭锁极I组。

在旁路开关保护2段动作后，旁路开关的合闸状态仍保持为0，旁路开关在阀组控制发出合闸命令后并未真正合上，现场检查旁路开关确在分位。对保护回路检查分析发现，在F312空开跳开后，LFM逻辑功能模块失去工作电源，经LFM逻辑模块出口的旁路开关合闸命令无法送至开关本体。

综上所述，阀组控制系统在发出BPS合闸命令后，激活BPS保护2段功能。旁路开关因LFM模块失电而无法合闸，所有保护动作判据均满足，2套阀组保护动作闭锁极I双阀组，保护正确动作。

2 直流单极闭锁原因分析

根据极I高端阀组故障录波信息分析，极I高端阀组控制系统1的COL电源故障，随后极I高端阀组控制系统1发出ESOF信号。

由录波可知，极Ⅰ高端组控系统1发出了ESOF信号(该信号脉冲持续时间为2 ms)，而系统2并未发出ESOF信号。对照SER信息查找SIMATIC TDC程序，发现该信号来自于组控监视功能。分析阀组ESOF逻辑，发现此组控监视跳闸逻辑将启动旁路开关合闸命令。

进一步分析控制保护程序可知，以下3种故障可能导致组控监视跳闸逻辑发出ESOF：

(1) Tapchanger Monitoring Trip，即分接头监视功能跳闸；

(2) Firing Angle Monitoring，即触发角监视功能跳闸；

(3) Group DC Prot 1 and 2 not ok，即阀组保护系统1和2均故障。

根据SER事件和故障录波信息分析得知：跳闸前后未发现与换流变分接开关监视故障相关信号，现场核查换流变分接头均在正常档位，且极1双阀组触发角无明显变化。因此，排除前2种故障情况引发ESOF的可能性。针对第3种故障情况。由直流24 V电源接线(见图1)可知：阀组保护系统1，2的故障信号由组控系统对2套阀组保护故障状态监视所产生；阀组保护系统开入到组控系统的接点，其24 V正电由组控系统中的-F311直流空开供电。一旦2套阀组保护同时故障或K205，K206光耦接点因其他原因同时断开，组控系统将判断为2套阀组保护系统均不可用，从而执行阀组监视跳闸逻辑，启动阀组ESOF顺序。

现场检查发现极I高端组控系统1屏柜内的COL/LFM模块电源空开F312跳开。F312空开与F311空开均接至同一直流24 V母线。运行过程中，F312空开所带的COL，LFM模块内部有可能发生瞬时性短路故障，24 V母线电压瞬时跌落，2套阀组保护Release信号接点断开，导致阀组控制系统1判断无阀组保护运行，发ESOF信号。

根据阀组控制的ESOF顺序逻辑，阀组ESOF过程将启动旁路开关合闸请求。在阀组控制系统1发出ESOF信号时，阀组控制系统1的旁路开关合闸命令也同时发出。

图1 直流24 V电源接线

因此得出初步结论：极I组控系统在运行中，因F312空开所带的COL，LFM模块发生瞬时性短路故障并跳开，组控系统1判断无阀组保护运行，发ESOF信号，同时发出合旁路开关命令。旁路开关因LFM模块失电而无法合闸，保护动作闭锁极I双阀组。极I高端阀组保护旁路开关保护2段正确动作，现场安稳系统正确启动。

3 单极闭锁补充试验情况

3.1 F312空开试验分析

为进一步确认空开跳闸原因，开展了F312开关试验和分析。F312空开为菲尼克斯公司的产品，其异常跳闸原因可能是空开本身或其所带的COL/LFM模块故障。因此，将该站极I组系统F312空开及COL/LFM模块在南方电网特高压直流重点实验室开展实验测试，测试F312空开及COL/LFM的绝缘性能和工作特性。

3.1.1 空开绝缘性能测试

(1) 测试方法：检查F312空开和正常空开的绝缘电阻，用摇表测试输入信号端对地、输出信号端对地的绝缘性能。

(2) 测试过程：用摇表测试F312空开和正常空开的绝缘电阻，阻值均大于500 MΩ，绝缘性能良好。

3.1.2 空开跳闸特性曲线测试

(1) 测试方法：测试回路如图2所示，用可变电阻模拟负载电路，利用可变电阻改变流过空开的电流进行实验，记录不同电流对应的跳闸时间，绘制空开的跳闸特性曲线。

图2 F312空开测试接线

(2)测试过程:在2次不同温度环境下测得的2个F312跳闸特性曲线，如图3，4所示。

图 3 F312空开实验所得跳闸特性曲线(常温26 ℃)

图4 F312空开实验所得跳闸特性曲线(恒温55 ℃)

从图3，4可知，“常温”(26 ℃)和“环境温度55 ℃”的实验所得曲线均落在出厂跳闸特性曲线内，符合菲尼克斯公司TM系列空开的正常工作特性。

3.2 COL/LFM模块硬件试验分析论证

COL模块的主要功能是监视2套冗余组控系统的运行情况，并实行系统切换。LFM模块为“2取1”逻辑功能模块，可使成为主系统的阀组控制系统信号有效，禁止备用系统的信号出口。

(1) 测试方法：拆开COL模块和LFM模块外壳，检查背板总线、模块电路板是否存在明显故障点；搭建COL模块和LFM模块功能测试电路，分别对开入信号加24 V电压置1，观察状态显示灯，在开出信号接开出继电器(有显示灯显示分合状态)，逐一检验模块输入通道是否正常。

(2) 测试过程：

① 检查COL，LFM模块的背部总线、电路板正反面，肉眼观察未发现明显的故障点，亦未闻到烧焦味，初步推断该模块没发生永久性短路故障。

② 测试COL开入开出通道是否正常，开入信号端有：PS OK，HW OK，SW OK，VBE OK；在COL面板上的状态显示灯有：PS OK灯、HW OK灯、SW OK灯、VBE OK灯、MOD灯、MAN灯、SYS STAT、ACTIVE灯；开出信号端有：NO ESOF，SYS OK，System Active，System Passive。

按COL，LFM模块的电源回路连接图连接模块、开出继电器、电源等。

对开入信号进行外部置位，观察COL模块指示灯状态和开出继电器状态。由测试整体评价可知，COL模块开入开出通道均正常。

③ 测试COL切换主用/备用双向切换功能是否正常，切换结果是否正确。由测试整体切换结果可知，COL主从系统切换结果均正确。

④ LFM模块逻辑较为简单，且没有指示灯，因此只需进行功能校验。由测试可知，LFM通道选择结果均正确，“2取1”功能正常。

⑤ 空开带模块长时间运行测试。

测试方法：接线如图5所示，图中2个COL共用1个模块供电的输入端，信号输入端分开，设置2个电压测点u1，u2以及4个电流测点，，，。

图5 回路设置的电压电流测点

以LFM，COL和光耦继电器模拟现场负载情况(0.5 A)，回路长时间连续运行，通过示波器监视各电压电流测点的变化。当该站F312空开跳开时，由u2下降沿触发录波，同时记录各测点的波形。

测试过程：经过62 h的长时间运行，F312空开出现跳闸，F312备品空开没有跳闸。查看故障时刻触发的录波，从T0到T2时刻变化如表2所示。

表2 该站F312空开跳开时刻的电流电压变化

以上测试结果表明，由于该站F312空开流入流出电流，有突变(0.56 A→37.5 A)，而没有突变，可以定位故障点在与之间的支路1、支路2或支路3中。因支路3的F312备品空开没有跳开，可以排除支路3(正常COL的信号输入支路)出现故障点。因没有出现突变，判定为非接地故障。因此，可判定为支路1或支路2内部某一时刻出现故障点，导致24 V直流电压跌落。

综上所述，判定故障原因为屏柜内设备长时间运行后，支路1或支路2内部出现短路故障点，回路出现大电流而拉低电源电压，然后大电流导致该站F312空开跳闸。这与现场情况一致。因此，路故障点位置在支路1或支路2内部。

4 直流闭锁改进措施及工程实践

4.1 单极闭锁最终原因确定

(1) 空开绝缘测试、跳闸特性曲线测试、长时热特性测试等实验结果表明该站F312空开正常。

(2) 通过实验测试，该站COL/LFM模块的外观、通道、功能均正常。

(3) 空开带模块长时间运行测试出现电压瞬时跌落和F312空开跳开现象，与现场情况一致，可锁定支路1或支路2内部出现短路故障点(非接地故障)，初步怀疑COL模块或光耦存在故障。

(4) 通过联系设备厂家并根据COL模块详细电路图，并借助外部专业检测力量，对故障COL模块开展了元件级专业测试。最终查明了故障为COL模块板卡制造工艺问题，在长期运行中特别是环境湿度较高时，该模块板卡内部分虚焊点出现短路所致。

(5) 出现短路故障后，回路出现大电流而拉低电源电压，然后大电流导致F312空开跳闸。在F312开关跳闸过程中，DC 24 V电源电压出现短时波动(约2 ms)，此时2套阀组保护Release信号接点断开，导致组控系统判断无阀组保护运行，发ESOF信号跳闸。

4.2 硬件改进和软件升级措施

4.2.1 硬件方面

由于最终确定为该直流双端换流站的COL模块制造工艺批次性问题，以此提出了针对性反措。厂家根据最新工艺生产了新批次的COL模块，并在2017年1月该直流综合停电期间对两端换流站COL模块进行了全部更换。模块更换至今运行状况良好。

4.2.2 软件方面

为增加保护可靠性，将控制系统收到的2套保护不OK信号增加软件抗干扰措施(软件增加6 ms防抖逻辑)，躲过信号电源短时扰动过程，消除直流闭锁风险。软件升级工作已经在2017年1月该直流综合停电期间完成。软件修改示意如图6所示。

5 结论

介绍了某直流换流站极Ⅰ单极闭锁事件的过程，分析了相关保护正确动作的情况。针对故障的COL/LFM模块进行测试，并通过补充试验论证等方式查找了闭锁的根本原因。针对故障原因从硬件和软件2方面提出了改进措施，并在现场成功实施。实施后的设备运行状况表明，所提出的解决方案极大提升了该直流换流站的运行稳定性。

图6 控制保护系统软件修改示意

参考文献：

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