一起风机电源故障引起的调相机跳闸事故分析

摘要：针对某特高压换流站TTS-300-2型调相机由于风机电源故障，引发调相机励磁系统故障，使得调变组保护A、B屏保护动作，造成调相机跳闸的事故，分析了风机电源发生故障的原因，并提出了相应的改进措施。

关键词：调相机;风机电源;励磁系统

0 引言

当电网系统运行时受到大的扰动，会造成换流站母线电压大幅波动，滤波器等无功补偿装置无法及时向系统提供所需的动态无功补偿，导致换流阀换相失败，进而导致直流系统闭锁，危及电网系统的安全、稳定运行。调相机具有容量大、可靠性高、动态维持电压能力强等特点，能够通过强励向电网提供大量的动态无功功率，从而保证电网系统的安全、稳定运行。

1 事故简介

1.1    设备异常情况

某特高压换流站TTS-300-2型2号调相机励磁系统报文显示风机故障、整流柜退出、励磁系统故障，调变组保护A、B屏开关量保护动作，调相机并网开关5102断路器分闸，灭磁开关跳闸。

该换流站2号调相机为上海电气生产的TTS-300-2双水内冷调相机，励磁系统生产厂家为德国西门子，调变组保护A屏为南瑞继保生产的PCS-985QG保护屏，调变组保护B屏为北京四方生产的CSC-300保护屏。

1.2    事故发生前系统运行方式

该换流站1、2号调相机处于正常运行方式，1号调相机5101处于开关合位，2号调相机5102开关处于合位，2台机励磁系统均为自并励运行方式。某日00：14接网调通知，调整泰州换流站交流系统电压至520 kV;01：30左右，泰州换流站交流系统电压由524 kV调整至520 kV，1号、2号调相机为深度进相运行状态。

1.3    事故现场检查情况

1.3.1    调相机DCS后台报文

（1）02：06：23，调相机DCS后台报文显示“2号机励磁系统风机停运1”“2号机励磁系统风机停运2”“2号机主励磁系统总报警1”“2号机主励磁系统总报警2”;

（2）02：06：30，风机停运7 s后，DCS后台报文显示“2号功率柜故障1”“2号功率柜故障2”;

（3）02：06：31，风机停运8 s后，DCS后台报文显示“2号励磁B通道为运行通道”;

（4）02：06：44，风机停运21 s后，调相机DCS后台报文显示“2号机调变组保护B开关量4保护开入（励磁故障）”“2号机调变组保护A开关量4保护开入（励磁故障）”“2号机调变组保护A-保护跳闸”“2号机调变组保护B-保护跳闸”“2号机主励磁系统故障1”“2号机主励磁系统故障2”;

（5）02：06：45，调相机DCS后台报文显示“2号机调变组保护A保护启动”“2號机调变组保护A开关量4保护动作”“2号机调变组保护A跳高压1侧断路器”“2号调变组保护A跳灭磁开关”“2号调变组保护A跳SFC”“2号调变组保护A开关量启动”“2号机调变组保护B保护启动”“2号机调变组保护B开关量4保护动作”“2号机调变组保护B跳高压1侧断路器”“2号调变组保护B跳灭磁开关”“2号调变组保护B跳SFC”“2号调变组保护B开关量启动”“5102断路器保护PCS921AG保护启动”。

1.3.2    调变组保护

2号调相机调变组保护A、B柜保护跳闸指示灯亮，保护报文显示“开关量4保护动作”，出口跳高压侧并网开关5102断路器及励磁系统灭磁开关。

1.3.3    励磁系统

现场检查风机/风压开关、马达断路器、电源切换接触器和继电器、端子等风机相关回路及器件外观，检查结果无异常。励磁调节器报警画面显示：（1）02：06：23.584，报风机故障;（2）02：06：30.876，报整流1、2柜故障，调节器自动切换至备用通道;（3）02：06：38.284，备用通道仍然报风机故障;（4）02：06：45.592，报整流1、2、3柜故障，发励磁系统故障联跳令。

2 事故原因分析

2.1    励磁系统风机电气回路与逻辑

西门子励磁系统共有3台功率柜，每台功率柜有2个风机互为备用，6台风机电源全部取自同一条400 V母线，3个功率柜共用1个电源切换装置，切换装置向上接2路电源，一路取自励磁变低压侧（调相机机端电压），经过熔丝再通过隔离变变为400 V，作为主用电源;另一路取自调相机站用电400 VⅡ段，作为备用电源。主用电源回路配有电源切换继电器（低电压动作值360 V，返回值365 V，延时0.1 s），当监测的主用电源回路电压正常时，接触器Q05吸合，Q06分开;当主回路电压异常，电源切换继电器动作，则Q05分开，Q06吸合，主回路电压恢复至返回值以上时，再切回至主电源，西门子励磁系统风机供电回路如图1所示。由于该回路中3台功率柜仅有1台电源切换装置，当主电源发生故障，同时电源切换装置发生故障时，会导致3台功率柜全部退出，引发调相机跳闸。

每台风机对应一个风压开关，当风机运行后，风压变大，功率柜风压开关动作，AVR控制器判断风机运行正常;当风机停运时，主控制器在检测到风压开关为零并持续7 s后切换到备用风机，若备用风机风压开关为零且持续7 s，则发出整流桥报警信号，并切换通道至备用控制器;备用控制器同样检测一遍风压仍未恢复，励磁系统则报严重故障，发跳闸指令。

根据调相机DCS后台事件报文，结合AVR控制器就地告警信息可以判断，2号机组励磁系统风机停运，引起励磁整流柜退出，导致励磁系统发励磁系统故障跳闸指令，调变组保护收到跳闸开入量后，保护出口跳机。

导致风机停运的原因可能有：风机电源丢失、风机自身故障、风机压差检测开关故障、通风回路堵塞等，而此次故障的6台风机全部停止，可排除风机本体、压差检测开关、通道回路、滤网堵塞等引起故障的可能性，检查重点应为风机共有的电源回路。故障前由于机组进相运行，机端电压只有18.88 kV，经过两级降压后，理论上主回路电源电压为377.6 V，但由于励磁变低压侧电源受整流谐波等扰动影响，再加上电源切换继电器精度影响，初步分析可能会导致电源切换继电器动作，造成2路电源来回切换。

2.2    现场检测试验情况及分析

現场检查风机、风压监视开关、马达断路器、电源切换接触器和继电器、端子等风机相关回路及器件外观，结果无异常。通过对电源切换继电器进行单体校验，动作电压动作值、返回值均正确，接触器动作行为均正确。

采用站用电电源就地手动逐个启动6台风机，检查风机转向、启动及风压监视等反馈，检查结果均正常，无异响及反转情况，可见风机本身无故障，作为备用电源的站用电回路正常。

拆掉电压切换继电器与主回路连接，使用继电保护仪输出三相电压至电压切换继电器，更改电压切换继电器低电压定值为180 V（继保仪单相最高输出120 V），在不启动风机的情况下校验该电压切换继电器低电压动作值为157 V，返回值为182 V，且2路电源的接触器（Q05、Q06）切换正常，可以证明电压切换继电器及切换功能都正常。

使用调压器模拟机端电压降低的实际工况。首先把电压切换继电器低电压定值恢复至360 V，调压器3路电压接至电压切换继电器，只启动1台风机，将调压器输出电压由400 V逐渐降低，当电压调整至切换电压动作定值为360 V左右时，电压切换继电器动作，风机从主电源切至备用电源，此时主电源由于甩负荷变空载，电压回升至367 V左右，满足切回主电源的条件（切回动作定值365 V），风机从备用电源回切至主电源，主电源电压降低，重复切换动作行为。由于切换动作延时仅0.1 s，经过反复的高速切换，最后主备风机电源接触器卡在中间位置，无法吸合，2路电源均丢失，风机发生故障退出。

将电源切换继电器延时由0.1 s修改为1.0 s，主电源返回切换电压值由365 V提高到380 V，重复上述试验，在主电源电压下降及上升过程中，由于返回切换电压值提高，躲过了主电源受扰波动电压范围，且切换周期延长后，电压切换继电器动作可靠性提高，主备接触器未高速反复切换，风机切换均稳定且启动与反馈正常。

3 事故结论

根据故障报文波形分析和继电器、风机、回路检查结果，并通过外接调压器进行风机加压、降压试验模拟故障时的工况可知，故障发生时机组为进相运行状态，机端电压、励磁变低压侧电压降低，导致风机电源主回路电压降低至电源切换临界值附近（电源切换临界值为360 V，切回临界值为365 V），机端电源受整流谐波、风机启停（风机启动时电流较大，会使有阻抗的载流元件压降增大，反之风机停止电流为零时电压升高）等因素扰动，电压在切换和切回临界电压值附近波动，电源切换继电器反复来回快速切换后，导致电源切换接触器卡死在中间位置（试验时重现了该现象），无法吸合，导致2路电源均丢失，6台风机全部停转，功率柜随之全部退出，从而跳机。

综上可知，风机主电源在进相时易受机端电源等因素扰动，风机电源切换继电器低电压动作值设置偏大、返回值偏小、延时设置过小是造成此次跳机事件的直接原因。此外，风机回路设计未实现完全独立冗余，存在单一元件故障导致跳机的风险。

4 改进措施

（1）机端电压在进相时会显著降低，导致风机供电不稳定，建议将风机电源改为2路站用电，不再采用机端电源。

（2）西门子励磁系统风机电源切换回路无冗余，存在单一元件故障导致系统跳机的风险，建议风机1使用主电源，风机2使用备用电源，风机切换功能通过PCS-9425实现，低电压动作值320 V，延时1 s，每个功率柜内2台风机电源回路实现完全的独立冗余。

5 结语

本文通过分析某调相机励磁系统风机电源出现故障的原因，找出了励磁系统风机电源切换回路及电源配置中存在的设计缺陷，提出了相应的整改措施，提高了调相机励磁系统风机电源的可靠性，对后续调相机工程建设具有一定的借鉴意义。

收稿日期：2020-08-27

作者简介：高春（1990—），男，福建福清人，助理工程师，研究方向：电力运行。