劉高峰，陳 勇

(1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌開普電氣研究院，河南 許昌 461000)

寶安換流站極控COL故障跳閘分析及改進(jìn)方案

劉高峰1，陳 勇2

(1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌開普電氣研究院，河南 許昌 461000)

根據(jù)寶安換流站的一次冗余極控系統(tǒng)的COL故障引起的跳閘事件，通過現(xiàn)場實際情況的描述和對受損模塊PCB板的詳細(xì)觀察和分析，找到了導(dǎo)致故障的原因所在——電容擊穿而產(chǎn)生的非極低阻性短路導(dǎo)致的模塊被燒毀。并根據(jù)現(xiàn)場電氣接線提出了COL 安裝接線和COL電源回路改進(jìn)方案。新方案可很好地避免由前述類似單元器件故障引起的系統(tǒng)跳閘，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

極控系統(tǒng)；冗余；COL；跳閘；電容擊穿；電源回路

0 引言

高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)被譽為“直流輸電的神經(jīng)和大腦”，實現(xiàn)對直流輸電運行的自動控制和故障下的自動保護(hù)功能[1]，其穩(wěn)定運行與正確動作保障了直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和可控性。其中極控系統(tǒng)更是控制保護(hù)系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著直流系統(tǒng)啟動和停止、運行參數(shù)調(diào)整和傳輸功率調(diào)節(jié)等重要功能[2-6]。

為了提高穩(wěn)定性和可靠性，在實際工程應(yīng)用中極控系統(tǒng)均采用雙重化冗余配置，并配備切換邏輯(Changeover Logic，COL)硬件設(shè)備。主要作用是用于必要時極控主備系統(tǒng)間的無縫切換[7]。

COL 模塊的正常運行對控制保護(hù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用，任何故障和設(shè)計上的疏忽都可能給現(xiàn)場運行帶來風(fēng)險和隱患。

1 故障情況及分析

1.1 故障描述

南方電網(wǎng)興安直流投運以來，在實施西電東送、促進(jìn)區(qū)域資源優(yōu)化配置和推動社會經(jīng)濟發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用[8]。

經(jīng)查，原因是極1極控系統(tǒng)1冗余切換邏輯模塊COL1內(nèi)部故障致燒毀，并使與之通過自帶插接端子相連的極 1極控系統(tǒng) 2冗余切換邏輯模塊COL2模塊也失去電源，兩個COL模塊均停止工作導(dǎo)致極1兩套極控系統(tǒng)均不可用而跳閘。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn) COL1 模塊已被燒毀，COL2 模塊正常。更換 COL1模塊之后，極 1極控系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

故障COL模塊現(xiàn)場照片如圖1所示。

1.2 故障分析

外觀檢查發(fā)現(xiàn)，故障模塊氣味刺鼻難聞，外殼與端子蓋咬接處的梯形薄片已斷裂，外殼的散熱開孔一側(cè)有柵欄橫條斷裂，留有發(fā)黑痕跡。取出模塊內(nèi)部 PCB 電路板，發(fā)現(xiàn) PCB 板四個端子都有明顯燒熔現(xiàn)象。具體可見圖2。

圖1 現(xiàn)場故障 COL 模塊Fig. 1 Fault COL module on site

圖2 故障 COL 模塊Fig. 2 Fault COL module

正常 COL 模塊 PCB 電路底層的電源層主要包含三塊電源正極性區(qū)和兩個專用信號的電平面。如圖3，紅色區(qū)是 24 V 電源正極性區(qū)，由端子 15 接入；綠色區(qū)為 24 V 正極性解耦輸出區(qū)；藍(lán)色框內(nèi)為3.3 V 電源正極性區(qū)，是由 24 V 正極性區(qū)解耦輸出區(qū)電壓轉(zhuǎn)換得到，采用 1.5 mm 寬的短布線。端子14、15 分別通過相應(yīng)的正極性區(qū)平面連接到插接端子金手指管腳 B1、B2，然后分別連接到解耦二極管，經(jīng)解耦輸出以通孔方式直接連接到 24 V 正極性解耦C輸出區(qū)。

圖3 正常 COL 模塊底層電源層分割示意Fig. 3 Segmentation of power level at the bottom in normal COL module

正常 COL 模塊 PCB 電路頂層的電源層主要包含兩塊，一塊是 24 V 電源正極性區(qū)(2#區(qū))，與底層的 24 V 電源正極性區(qū)(1#區(qū))完全對稱覆蓋，由端子14 接入；另一塊是電源地平面，端子 8 和 PCB 電路插接端子金手指的B3管腳共同接入。

基于基本的 PCB經(jīng)驗和電氣檢查，以及光學(xué)的手段，對故障模塊 PCB 的電源層進(jìn)行詳細(xì)分析。由圖4 可知，燒熔區(qū)域在 24 V 的電源層，PCB 表面材質(zhì)已經(jīng)燒壞，電路層明顯受損。PCB的 A、B 兩點處都出現(xiàn)明顯的鼓裂開的痕跡：A 處一個約 3.6 mm× 3.6 mm 左右的方形凹陷區(qū)，發(fā)黑；B 處約 2.0 mm× 8.4 mm 的長條形凹陷區(qū)，發(fā)黑。

A處方形凹陷區(qū)恰好是一個電容的安裝位置，而且電容本體外形也與凹陷區(qū)重疊，PCB 材質(zhì)炭化厲害，說明有大電流流過。

由于 A 點電容近處是 24 V 正極性區(qū)，1#區(qū)、2#區(qū)分別與 B1、B2 端子短接金屬線的位置，燒熔厲害，斷開了端子管腳 B1、B2 的電源輸出功能，導(dǎo)致與之聯(lián)接供電的另一塊COL模塊失電。

B 點也是 24 V 正極性區(qū)，1#區(qū)、2#區(qū)與 24 V正極性解耦輸出區(qū)金屬性跨接的焊點處，也是故障電流的匯入點，燒毀嚴(yán)重。

圖4 故障 COL 模塊 PCB 底層電源層的損壞區(qū)示意Fig. 4 Damage zone of power level at the bottom in fault COL module

24 V 電源正極性區(qū)長時間流過低阻負(fù)荷大電流，使得本區(qū)域的熱量持續(xù)累積，從而引起對應(yīng)位置 PCB 基材燒壞，所以形成了一個“C”型區(qū)的破壞痕跡——PCB 中間部分是熏黑導(dǎo)致的效果。

因此，短路電流的基本路徑是由 D、E 處 PCB端子 14、15 入，經(jīng)過紅色 24 V 正極性區(qū)(1#區(qū)、2#區(qū))，進(jìn)入 24 V 正極性解耦輸出區(qū)，通過 A 處的電容進(jìn)入寬大的地平面，從 C 處流出 PCB 端子 8。

A處的故障損傷點是電源正極性區(qū)通過電容返回電源地的交匯處，是 24 V 電源正極性區(qū)最遠(yuǎn)端部分，也位于可能的故障電流路徑上，故A處可能是初始故障發(fā)生點，這樣才能解釋 PCB 材質(zhì)燒壞的“C”型區(qū)特征。所以可推測A處的電容擊穿是導(dǎo)致本模塊故障的直接原因。

綜上分析，可判斷故障 COL 模塊 A 處電容擊穿而產(chǎn)生的非極低阻性短路故障是該模塊故障的基本原因。該處非極低阻性短路故障導(dǎo)致電容燒損，進(jìn)而蔓延至整個模塊 PCB 板及塑料外殼。

該批次 COL 模塊約生產(chǎn)于 2005 年左右，實際投入使用已近 10年。由于器件的壽命具有分散性，故本次電容損壞應(yīng)屬個例。

2 極控系統(tǒng) COL 模塊回路改進(jìn)方案

原設(shè)計中極 1 COL1 模塊與極 2 COL2 模塊通過模塊自身插接端子進(jìn)行電源和信號的連接。上述故障中 COL1燒損了插接端子的連接，致使 COL2也失去電源不可用，兩 COL 均停止工作使得兩冗余極控系統(tǒng)均不可用，從而導(dǎo)致系統(tǒng)跳閘。所以模塊間的電氣回路連接方式，也是造成本次系統(tǒng)跳閘故障的另一個原因。

為避免單一元器件故障造成系統(tǒng)停運，最大程度減小故障影響范圍，極控系統(tǒng)冗余兩 COL 模塊的電氣回路也應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計。

原兩COL電源回路如圖5所示，兩COL模塊的電源及信號通過插接端子 B1、B2、B3 等進(jìn)行連接。

圖5 原兩 COL 模塊電源回路Fig. 5 Former power supply circuit of two COL modules

對回路進(jìn)行如下優(yōu)化改進(jìn)：

1) 兩 COL 模塊分開布置

即兩 COL模塊在屏上安裝位置分隔開，從物理空間上減小單個模塊故障對另一個正常模塊的影響。

不再使用模塊中間的插接端子連接，原通過插接端子的信號現(xiàn)使用導(dǎo)線連接。

2) 兩 COL 模塊電源獨立

即 COL1 模塊只使用電源系統(tǒng) 1 的電源，COL2模塊只使用電源系統(tǒng) 2的電源，電源系統(tǒng)分別獨立，減小兩模塊相互間的影響。

兩 COL 模塊上的第二路電源輸入均并接到第一路電源輸入。

不再使用兩模塊中間的插接端子 B1、B2、B3連接。

改后的兩COL模塊電源回路如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后兩 COL 模塊電源回路Fig. 6 Improved power supply circuit of two COL modules

上述改進(jìn)后，任何一個COL模塊自身故障，都不會影響到另一個正常工作的 COL 模塊。極大提高了極控系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性，降低了故障情況下的跳閘風(fēng)險。

3 總結(jié)

此次故障主要原因在于設(shè)備長年長期運行，PCB 元器件的自然老化偶發(fā)故障引起?，F(xiàn)場運行維護(hù)工作人員也應(yīng)該加強巡視和檢查，及時發(fā)現(xiàn)和排除一些隱患。

改造后的回路能夠保證在任何一個 COL 模塊損壞的情況下，另一個COL模塊不受影響，從而保證冗余極控系統(tǒng)中至少一套系統(tǒng)可用，不會影響整個直流系統(tǒng)的正常運行。

設(shè)備元器件在長期運行之后會有自然的老化，外部電氣回路的設(shè)計應(yīng)該能夠使得單個元器件的故障影響限制在最小范圍，盡量不能夠影響整個直流系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

[1]趙畹君. 高壓直流輸電工程技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004.

[2]陳仕龍, 謝佳偉, 畢貴紅, 等. 一種特高壓直流輸電線路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雙端故障測距新方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(4): 257-264. CHEN Shilong, XIE Jiawei, BI Guihong, et al. A novel two terminal fault location method used ANN for UHVDC transmission line[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(4): 257-264.

[3]胡歡, 王國玉, 曾麗麗, 等. 雙系統(tǒng)雙網(wǎng)絡(luò)通道架構(gòu)下的 HVDC 冗余網(wǎng)絡(luò)通信故障檢測與控制的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(15): 103-110. HU Huan, WANG Guoyu, ZENG Lili, et al. Communication fault detection and control research in dual system with dual network channel architecture of HVDC control and protection system[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(15): 103-110.

[4]高本鋒, 張學(xué)偉, 劉辛?xí)? 等. 高壓直流輸電保護(hù)定值整 定 流 程 的 研 究 [J]. 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報 , 2015, 30(12): 400-407. GAO Benfeng, ZHANG Xuewei, LIU Xinye, et al. Research of HVDC protection value setting process[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12): 400-407.

[5]黃銀龍, 樂健, 毛濤, 等. 一種新型的高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)諧波電壓測量方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(22): 144-152. HUANG Yinlong, LE Jian, MAO Tao, et al. A novel measurement method of the harmonic voltage on the DC-side of HVDC transmission system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(22): 144-152.

[6]金鑫. 高壓直流輸電系統(tǒng)極控信號通信網(wǎng)絡(luò)可靠性分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(12): 110-116. JIN Xin. Reliability analysis on HVDC pole control signal transmission network[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(12): 110-116.

[7]劉敏, 姚致清, 張培珍, 等. COL 邏輯模塊在直流輸電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011, 39(4): 137-140. LIU Min, YAO Zhiqing, ZHANG Peizhen, et al. The application of the COL logic module in DC transmission control system[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(4): 137-140.

[8]曾麗, 鄭偉, 鄔乾晉. 興安直流 2012 年度運行情況分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(12): 131-136. ZENG Li, ZHENG Wei, WU Qianjin. Operation condition analysis of Xing-an HVDC project in 2012[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(12): 131-136.

(編輯 魏小麗)

Analysis of trip for COL fault of pole control and the improved scheme in Baoan converter station

LIU Gaofeng1, CHEN Yong2
(1. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China; 2. Xuchang KETOP Electrical Research Institute, Xuchang 461000, China)

According to a trip event of redundant pole control system in Baoan converter station, based on onsite description and observation and analysis for spoiled COL module, we found out that a capacitor breakdown led to the COL fault. The capacitor breakdown produced a nonlinear and low resistance short circuit. This translated into that COL was burned down. An improved scheme is given for COL installation and power supply circuit in pole control cubicle. The improved scheme can avoid trip caused by COL fault, and greatly improve the reliability and stability of pole control system.

pole control system; redundant; COL; trip; capacitor breakdown; power supply circuit

TM77

1674-3415(2016)02-0151-04

2015-03-20

劉高峰(1978-)，男，本科，工程師，從事高壓直流控制保護(hù)開發(fā)及應(yīng)用工作；E-mail：liugaofeng9793@163.com

陳 勇(1981-)，女，本科，行業(yè)工程師，從事自動化及保護(hù)設(shè)備行業(yè)管理工作。