高压直流断路器充电故障分析

高铁峰 马天逵

0 引言

换流站的直流侧和交流侧均装设有断路器，其中直流断路器主要负责直流电流的转换或开断，起到故障切除、运行方式转换以及检修隔离等目的[1-3]。充电装置作为直流断路器的重要组成部分，一旦发生故障，会直接导致直流断路器无法正常开断直流电流，甚至会影响直流系统运行方式转换[4]。本文介绍了直流断路器充电装置的基本原理，以某换流站为例重点分析了充电装置故障产生的原因及其可能导致的后果。

1 直流断路器充电装置基本原理及测控回路

充电装置本质上是一个小型的整流滤波电路。其输入为230 V交流电，输出为20 kV左右的直流电。充电过程由充电测控回路实现。首先测量直流断路器电容器两端的电压并逐层上送至极控制保护系统（PCP），将测量值与设定值进行比较，当测量值低于设定值时，PCP下发充电指令。指令经直流场终端柜（DFT）内的PS853板卡送至直流断路器的充电机控制箱，吸合箱内的对应继电器K1-K4，充电机启动，给电容器充电。当电容器两端电压达到设定值后，充电停止。

2 故障原因分析

查看直流断路器充电装置故障告警的控制系统Hidraw逻辑回路图可知[5]，发出“P WN Q1 Charging Voltage Faulty”事件需满足以下3个信号均为0，即：P WN Q21 CLOSED IND、P WN Q22 CLOSED IND和P WN Q1 CHARGING DEVICE OK，如1所示。

以极1为例，WN Q21和WN Q22分别为直流接地刀闸001007和001027，直流系统正常运行时两把刀闸均在拉开状态，因此P WN Q21 CLOSED IND和P WN Q22 CLOSED IND信号为0。如发出0010开关充电压低告警，说明此时第三个信号为0，即0010电容器端口电压小于4.5kV，随后发出WN Q1 CAPACITOR VOLTAGE INCREASE指令，即电容器充电指令。见图1中输出信号14。只有对电容器充电至电压大于5.5kV时，告警才能复归。

3 故障后果分析

如图1所示，0010开关储能电容器端口电压低时会产生两个信号：1．WN Q1 CAPACITOR VOLTAGE INCREASE为1，即电容器充电指令；2．P WN Q1 CHARGING DEVICE OK为0，即充电装置异常信号。下面对第二个信号即充电装置异常可能引起的各种后果进行详细分析。

3.1 对中性线开关可用性及允许分闸的影响

图2为中性线开关可用性逻辑图，给出了0010开关可用（P_WN_Q1_OK）和0010开关允许分闸（P_WN_Q1_PERMIT_OP EN）两个重要信号的判定条件。其中，“0010开关可用”的判定条件是开关的控制方式、SF6压力、油压等情况，以及充电装置正常，即P WN Q1 CHARGING DEVICE OK信号为1。“0010开关允许分闸”的判定条件还包括了极闭锁信号、0010开关闭锁信号，以及中性线电流值和直流线路电压值。

通过对图2逻辑的分析还可看出，当IDNE中性线电流小于2 500 A时，充电装置异常不会导致0010开关不可用或不允许分闸。反之若IDNE中性线电流大于2 500 A，充电装置异常会导致0010开关不可用同时不允许其分闸操作。

进一步分析，当正常极闭锁后进行极隔离操作时，极闭锁信号为1，IDNE绝对值也会小于2 500 A，此时直流线路电压低于参考值15 kV。如果0010充电装置故障，“P WN Q1 OK”和“P WN Q1 PERMET OPEN”信号仍然为1，0010开关为可用状态且允许拉开。因此可得出以下结论：正常极闭锁并进行极隔离操作，0010开关充电装置故障不会对0010开关操作有影响。

3.2 特殊情况下引起另一极功率回降

通过继续查找P WN Q1 CHARGING DEVICE OK的信号路径，发现该信号为0还将引起另一极功率回降，如3所示。OPEN SW RUNB TOP为另一极功率回降，该信号出口必须同时满足以下4个条件：0010开关分闸顺控指令、0010开关为合闸状态、0010开关充电装置故障和IDNE绝对值大于等于1 450 A。由此可见，在极1闭锁后，在IDNE仍大于1 450 A的阶段，在执行顺控拉开0010开关时，若充电装置存在故障，则会导致极2的功率回降。

进一步对0010开关分闸顺控指令进行分析，逻辑如图4所示。可见要输出0010开关分闸顺控指令只需满足以下三种条件之一即可：0010开关手动分闸命令、0010开关分闸命令、NBSF给0010开关的分闸命令。

图1 0010开关充电故障HiDraw回路图

图2中性线开关可用性逻辑图

图3功率回降逻辑图

下面分别对三个条件进行分析。条件一：向前寻找“0010开关手动分闸命令”的来源，如图5所示，可知直流断路器手动分闸指令的必要条件之一为0010允许分闸。由上述分析可知，当IDNE小于2 500 A时，0010允许分闸，条件一可以满足；大于2 500 A时，0010不允许分闸，条件一不满足。

条件二：向前寻找“0010开关分闸命令”的来源，如图6所示。路径1：极闭锁后，IDL小于60A，则顺控拉开极母线刀闸，之后执行拉开0010开关。当IDL大于60A时，UDL小于15 kV，则执行大电流拉开0010开关指令，发出0010分闸命令。路径2：“IDNE HIGH”指的是IDNE大于300A且IDL小于60 A，极隔离过程中，发出0010分闸命令。因此，不论IDNE为何值条件二均满足。

条件三在NBS能拉开但无法隔离电流时才起作用，不在本文讨论范围内。

综上，不论IDNE为何值，P WN Q1 OPEN SEQ信号均为1。因此，在极1闭锁后，IDNE仍大于1 450 A条件下，在执行顺控过程中需拉开0010开关时，若充电装置存在故障，则会导致极2的功率回降。

对以上分析进行总结，隔离过程中根据极母线电流IDL和中性线电流IDNE的大小，0010开关充电装置异常会导致不同的后果。IDL＜60 A时，充电装置异常不影响正常极隔离。IDL＞60 A时存在三种情况：IDNE＜1 450 A时，极母线电流下降到60A后拉开极母线刀闸；1 450 A＜IDNE＜2 500 A时，引起极2功率回降，极母线电流下降到60 A后拉开极母线刀闸；IDNE＞2 500 A时，将导致0010开关不可用，无法正常拉开，影响极隔离顺控。

对于0010开关状态分闸顺控指令中的手动分闸和NBSF状况引起功率的功率回降的状况与P WN Q1 OPEN ORD类似，不再赘述。

4 结语

本文简要介绍了直流断路器充电装置的基本原理，在此基础上归纳了直流断路器充电装置的故障原因。进一步分析了故障可能导致的后果，即正常极闭锁并进行极隔离操作，0010开关充电装置故障不会对0010开关操作有影响；在特定情况下可能影响极隔离顺控操作或引起另一极功率回降。为换流站的充电装置故障原因分析和排除提供了技术见解。

图4 0010开关顺控逻辑图

图5 0010电机分闸指令

图6 0010开关分闸指令