李其書(shū) 梁云龍 林志明 朱星釗 羅鴻 葉吉春

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局）

±500kV天廣直流極1換流閥誤導(dǎo)通事件分析

李其書(shū) 梁云龍 林志明 朱星釗 羅鴻 葉吉春

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局）

通過(guò)對(duì)天廣直流極1換流閥的誤導(dǎo)通情況對(duì)極控系統(tǒng)、VBE系統(tǒng)、TE板、換流閥及其運(yùn)行環(huán)境等各方面進(jìn)行分析，找出將極1操作至閉鎖時(shí)導(dǎo)致出現(xiàn)換流閥出現(xiàn)誤導(dǎo)通的原因，為今后高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)提供經(jīng)驗(yàn)。

高壓直流；誤導(dǎo)通；換流閥；極控；VBE系統(tǒng)

0 引言

換流閥是直流輸電工程的核心設(shè)備，通過(guò)依次將三相交流電壓連接到直流端得到期望的直流電壓并實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的控制。換流閥主要由晶閘管、阻尼電容、均壓電容、阻尼電阻、均壓電阻、飽和電抗器、晶閘管控制單元等零部件組成。其中，晶閘管是換流閥的核心部件，它決定了換流閥的通流能力，通過(guò)將多個(gè)晶閘管元件串聯(lián)可得到希望的系統(tǒng)電壓，晶閘管的觸發(fā)方式分為電觸發(fā)和光觸發(fā)兩種。

1 事故經(jīng)過(guò)

2014年7月14日以及2015年5月18日、21日、27日，天廣直流系統(tǒng)發(fā)生了4次換流閥誤導(dǎo)通事件，4次事件換流閥異常導(dǎo)通均是發(fā)生在直流極1由備用狀態(tài)操作至閉鎖狀態(tài)過(guò)程中。事件發(fā)生后，針對(duì)換流閥出現(xiàn)異常誤導(dǎo)通的可能性，分別從極控系統(tǒng)、VBE系統(tǒng)、換流閥TE板、閥廳溫濕度等方面開(kāi)展研究，最終找出導(dǎo)致?lián)Q流閥出現(xiàn)異常誤導(dǎo)通的根本原因，故障信息見(jiàn)表1～表2。

表1 故障時(shí)天生橋站SER信息

表2 故障時(shí)對(duì)端廣州站SER信息

2 故障真實(shí)存在的判斷及異常導(dǎo)通回路

異常導(dǎo)通時(shí)兩站所有直流電流測(cè)量點(diǎn)電流基本一致，且與天生橋站閥側(cè)交流線電流包絡(luò)線一致，故判斷測(cè)量系統(tǒng)無(wú)故障，異常導(dǎo)通的故障狀態(tài)真實(shí)存在，兩站異常導(dǎo)通時(shí)錄波如圖1～圖4所示。

圖1 異常導(dǎo)通時(shí)天生橋站星型換流變交流側(cè)電流

圖2 異常導(dǎo)通時(shí)天生橋站角型換流變交流側(cè)電流

圖3 異常導(dǎo)通時(shí)天生橋站直流高壓側(cè)IdH電流

圖4 異常導(dǎo)通時(shí)天生橋站α角采樣

天生橋站三相IacD和IacY均有正負(fù)電流，并且電流與正常運(yùn)行時(shí)基本一致，可以明確：在備用至閉鎖過(guò)程中，晶閘管按照正?？刂祈樞?qū)?，整個(gè)過(guò)程維持了10個(gè)周波。

由備用轉(zhuǎn)為閉鎖命令發(fā)出后，進(jìn)線開(kāi)關(guān)2033合上，天生橋站極1換流閥隨即導(dǎo)通。從波形上看，廣州站IDH、IDL、IDN與天生橋站采樣值一樣，說(shuō)明兩站極1導(dǎo)通形成回路，如圖5所示。

圖5 異常導(dǎo)通時(shí)極1電流回路

因此可以確定，天廣直流在天生橋站極1由備用至閉鎖操作過(guò)程中，天生橋站換流閥按照正常順序?qū)?，?dǎo)通后在廣州站極1形成了電流通路。故障最大電流達(dá)到4500A，持續(xù)約200ms后由兩站交直流過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳閘。

3 極控系統(tǒng)解鎖流程及邏輯分析

3.1 備用到閉鎖流程

如圖6所示，將極1操作至閉鎖狀態(tài)前，首先應(yīng)該滿(mǎn)足閉鎖準(zhǔn)備就緒條件：①極1處于連接狀態(tài)（05105、0010、00102合位，051057、001027分位）；②極1直流場(chǎng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)正常（大地、金屬回線或OLT大地回線方式接線）；③極1閥冷卻系統(tǒng)正常；④極1換流變分接頭處于初始位置；⑤極1已在備用狀態(tài)或極1備用順控未執(zhí)行或極1閉鎖順控未執(zhí)行；⑥順控自動(dòng)模式。

圖6 極1閉鎖準(zhǔn)備就緒條件

1）在極1滿(mǎn)足上述閉鎖準(zhǔn)備就緒條件后，運(yùn)行人員才能發(fā)出極1閉鎖狀態(tài)指令。閉鎖指令發(fā)出后，換流變冷卻器啟動(dòng)，交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)2033合上，換流變充電。本次事件中，極1閉鎖命令發(fā)出前，閉鎖準(zhǔn)備就緒條件已滿(mǎn)足。

2）極控檢測(cè)到換流變交流側(cè)三相電壓任一相電壓＞150.144kV，發(fā)UNDERVOTTAGE MODE OFF給VBE系統(tǒng)，VBE開(kāi)放對(duì)閥的監(jiān)視功能，反之禁止對(duì)閥任何監(jiān)視功能。

3）極控PCP檢測(cè)到換流變閥側(cè)星型三相電壓、角型三相電壓中的最大值大于0.8pu，即184kV，極控通過(guò)硬接線發(fā)CB-ON信號(hào)給VBE系統(tǒng)，VBE收到極控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的這兩個(gè)信號(hào)后，報(bào)“UNDERVOLTAGE MODE OFF”及“HV BREAKER CLOSED”信號(hào)，啟動(dòng)閥自檢模式。

4）閥自檢時(shí)，VBE發(fā)送閥檢測(cè)信號(hào)至TE板，TE板檢測(cè)到閥無(wú)故障后會(huì)向VBE發(fā)送回報(bào)信號(hào)，當(dāng)VBE收到所有TE板返回的信號(hào)均正常，則產(chǎn)生VALVE_ CHECK_OK（閥自檢正常）信號(hào)給極控系統(tǒng)。

本次事件中，VBE系統(tǒng)未報(bào)出“HV BREAKER CLOSED”信號(hào)，但不排除其啟動(dòng)了自檢模式，可能的條件：極控誤發(fā)CB-ON信號(hào)給VBE系統(tǒng)且VBE系統(tǒng)未能報(bào)出“HV BREAKER CLOSED”信號(hào)。

5）極控系統(tǒng)收到VBE系統(tǒng)發(fā)送的VALVE_CHECK_ OK時(shí)，同時(shí)滿(mǎn)足以下條件時(shí)極1即完成閉鎖狀態(tài)指令，進(jìn)入閉鎖狀態(tài)：①極1進(jìn)線刀閘合位；②極1已充電；③極1閉鎖順控指令；④極1高壓端已連接；⑤極1低壓端狀態(tài)正常（大地回線或金屬回線或OLT大地回線方式接線）；⑥極1換流變冷卻系統(tǒng)運(yùn)行；⑦極1閥冷系統(tǒng)運(yùn)行；⑧極1直流濾波器已連接。

本次事件中，在進(jìn)線開(kāi)關(guān)合上后，極控檢測(cè)到換流變交流側(cè)三相電壓至少有一相大于150.144kV并發(fā)送給VBE系統(tǒng)，VBE系統(tǒng)收到該信號(hào)并報(bào)出“UNDERVOTTAGE MODE OFF”，持續(xù)63ms后消失并再次進(jìn)入低電壓模式。而極控中CB-ON信號(hào)的發(fā)出有1.1s的延時(shí)，極控程序未能發(fā)出該信號(hào)給VBE系統(tǒng)，VBE也未報(bào)“HV BREAKER CLOSED”信號(hào)。

結(jié)合SER和錄波可以看出，2033合閘后短時(shí)間內(nèi)電壓大于150kV，但由于閥被異常導(dǎo)通，觸發(fā)角過(guò)大，無(wú)功消耗大，220kV交流場(chǎng)電壓過(guò)低，最低達(dá)70kV。

3.2 閉鎖到解鎖流程

直流進(jìn)入閉鎖狀態(tài)后，極控將對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行自檢，確認(rèn)是否滿(mǎn)足RFO狀態(tài)（Ready For Operation）的縮寫(xiě)，即極進(jìn)入準(zhǔn)備解鎖運(yùn)行的狀態(tài)，圖7為極控滿(mǎn)足RFO的判定條件：

圖7 天生橋站極1 RFO判斷邏輯

換流變已充電時(shí)間超過(guò)10s（不滿(mǎn)足）；極處于閉鎖狀態(tài)（不滿(mǎn)足）；交流濾波器可用；無(wú)保護(hù)禁止解鎖信號(hào)；電流指令正常（大于180A）；直流濾波器已連接；閥冷卻系統(tǒng)正常；閉鎖順序未發(fā)出中止起動(dòng)命令；保護(hù)未發(fā)出中止起動(dòng)命令；接地極正確連接；直流場(chǎng)正確連接（必須在大地回線或金屬回線方式）；與另一極整流側(cè)/電流模式正確；與另一站模式進(jìn)行比較（包括整流、逆變、聯(lián)合、獨(dú)立）；閥自檢正常；（不滿(mǎn)足）PCP系統(tǒng)正常；分接頭位置正常；對(duì)站不在OLT。在極控系統(tǒng)RFO狀態(tài)未滿(mǎn)足之前，工作站無(wú)法操作解鎖命令。

在極控系統(tǒng)站間通訊正常的情況下，當(dāng)兩站極控系統(tǒng)RFO滿(mǎn)足后，主控站運(yùn)行人員輸入功率/電流爬升速率、功率/電流指令，解鎖指令發(fā)出準(zhǔn)備就緒。

雙極極控在接收到解鎖命令后，極控將發(fā)送CONV_ DBLK信號(hào)至VBE系統(tǒng)，并且將逐漸調(diào)整發(fā)送至VBE的觸發(fā)脈沖角度，同時(shí)極控主機(jī)程序中解鎖邏輯將確保逆變站在整流站之前解鎖。逆變側(cè)進(jìn)入解鎖流程后，將連接交流濾波器，極控發(fā)令逆變側(cè)移相164度解鎖，解鎖狀態(tài)指示信號(hào)出現(xiàn)200ms后解除移相命令。整流側(cè)在接收到逆變側(cè)已解鎖狀態(tài)指示后，整流側(cè)投入交流濾波器，極控發(fā)出整流側(cè)164度解鎖，200ms后解除移相命令，觸發(fā)角由164°開(kāi)始減小，直流電壓開(kāi)始上升。

綜上分析，在正常情況下，在備用狀態(tài)將極轉(zhuǎn)為解鎖過(guò)程中，當(dāng)換流變進(jìn)線開(kāi)關(guān)合上后，按時(shí)間的先后順序，監(jiān)控后臺(tái)及VBE應(yīng)依次報(bào)出以下信號(hào)：

2033合上；極1充電（UNDERVOLTAGE MODEOFF ）；HV BREAKER CLOSED（VBE）；START OF VALVE CHECK（VBE）；VALVE CHECK O.K. （VBE）；閥自檢正常 （PCP）；極1 進(jìn)入閉鎖狀態(tài)（DCC）；解鎖運(yùn)行狀態(tài)準(zhǔn)備就緒（PCP）；極解鎖（PCP）。

本次事件中，除了頭兩個(gè)信號(hào)，其他信號(hào)均未產(chǎn)生。按照極控正常的順控流程，本次換流閥的異常導(dǎo)通肯定不是極控系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，因?yàn)閷?dǎo)通條件完全不滿(mǎn)足，因此排除極控系統(tǒng)故障或誤發(fā)控制命令的可能。

4 VBE系統(tǒng)流程及邏輯分析

VBE系統(tǒng)由六個(gè)晶閘管控制單元（TC）、一個(gè)晶閘管監(jiān)測(cè)單元（TM）、一個(gè)電源單元及相關(guān)的繼電器組成。主要功能為：接收極控觸發(fā)信號(hào)，同步觸發(fā)每個(gè)閥內(nèi)各晶閘管；監(jiān)視閥及相應(yīng)TE板的運(yùn)行，并與TE板進(jìn)行信息交換；監(jiān)測(cè)閥避雷器；閥漏水監(jiān)測(cè)。

圖8 VBE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中A1～A6為晶閘管控制單元（TC）模塊，其功能為接收來(lái)自極控的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)晶閘管，實(shí)現(xiàn)與TE板通信，監(jiān)視晶閘管級(jí)的運(yùn)行狀態(tài)。A8為晶閘管監(jiān)測(cè)單元（TM）模塊，其功能為接收、處理晶閘管及換流閥狀態(tài)信息，將其送至后臺(tái)，同時(shí)還將其產(chǎn)生的跳閘信號(hào)送至直流控制保護(hù)系統(tǒng)。

TE板共七個(gè)模塊，包括：光接收模塊（接收來(lái)自VBE的觸發(fā)脈沖)；光發(fā)射模塊（向VBE發(fā)出回檢信號(hào)、保護(hù)性觸發(fā)信號(hào)等）；電壓監(jiān)視模塊（監(jiān)視晶閘管兩端電壓）；運(yùn)算模塊（收到VBE觸發(fā)信號(hào)后進(jìn)行處理，發(fā)出門(mén)極觸發(fā)脈沖）；觸發(fā)脈沖放大模塊（將運(yùn)算模塊發(fā)出的門(mén)極觸發(fā)脈沖進(jìn)行放大）；BOD模塊（晶閘管正向過(guò)壓保護(hù)性觸發(fā)）；供電模塊（從閥組中取電供TE板使用）。

圖9 TE板功能模塊示意圖

TE板保護(hù)性觸發(fā)電路并聯(lián)在晶閘管兩端，監(jiān)視晶閘管電壓，在達(dá)到一定電壓限定值時(shí)觸發(fā)晶閘管，起到保護(hù)作用。

TE板保護(hù)性觸發(fā)原理：為避免出現(xiàn)晶閘管過(guò)壓損壞，閥控配置中均有保護(hù)性觸發(fā)功能（BOD/BTC）。在天廣直流中，保護(hù)性觸發(fā)功能是由TE板提供的，如果來(lái)自VBE的光脈沖丟失，為防止對(duì)應(yīng)的晶閘管由于過(guò)電壓損壞，TE板檢測(cè)閥兩端的正向電壓超過(guò)設(shè)定的保護(hù)值時(shí)，緊急保護(hù)觸發(fā)該晶閘管。

如果TE板檢測(cè)到晶閘管兩端的電壓超過(guò)7200V（允許范圍是7200～ 7500V），TE板將發(fā)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)給晶閘管，并發(fā)一個(gè)該晶閘管保護(hù)性觸發(fā)的信號(hào)給VBE。TE板在收到雙觸發(fā)脈沖后500μs內(nèi)進(jìn)行保護(hù)性觸發(fā)檢測(cè)，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)任何反饋給VBE的信號(hào)都認(rèn)為是保護(hù)性觸發(fā)信號(hào)。因?yàn)楸Ｗo(hù)性觸發(fā)的晶閘管的電壓必須要上升到7200V，所以相應(yīng)的閥導(dǎo)通比正常要延遲，此時(shí)，有比較大的直流分量流過(guò)換流變二次繞組，為了避免換流變線圈過(guò)熱，在一個(gè)閥中如果有四個(gè)晶閘管保護(hù)性觸發(fā)，VBE將閉鎖相應(yīng)的極。

本次誤導(dǎo)通事件中，損壞的TE板基本確定為保護(hù)性觸發(fā)的供電及儲(chǔ)能回路。由于晶閘管導(dǎo)通時(shí)間不完全一致，存在一部分晶閘管先導(dǎo)通，少部分未導(dǎo)通的晶閘管兩端承受了很大電壓，依靠保護(hù)性觸發(fā)進(jìn)行了導(dǎo)通。故障發(fā)生時(shí)，較晚導(dǎo)通的晶閘管兩端產(chǎn)生了大電壓，由于C58電容管腳間爬電距離不足，導(dǎo)致C58電容拉弧放電造成燒毀。

5 閥廳環(huán)境對(duì)于換流閥運(yùn)行的影響

換流閥作為將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的核心元件，對(duì)于運(yùn)行環(huán)境的要求非常嚴(yán)格，不僅對(duì)于運(yùn)行的環(huán)境溫度、濕度有嚴(yán)格說(shuō)明，從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)上看，整個(gè)閥廳的潔凈度對(duì)于換流閥及其附屬控制單元影響也十分巨大。

表3 換流閥運(yùn)行環(huán)境參數(shù)

在此次停電檢修期間，換流站內(nèi)均為陰雨天氣，空氣濕度比較大，加上檢修過(guò)程中需要多次開(kāi)啟閥廳大門(mén)，致使外面粉塵大量進(jìn)入閥廳，閥廳空氣環(huán)境惡化，不滿(mǎn)足TE板對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求，致使BTC回路動(dòng)作電壓降低，以致在換流變充電過(guò)程中出現(xiàn)換流閥誤導(dǎo)通現(xiàn)象。

6 結(jié)論及建議

1）通過(guò)此次換流閥誤導(dǎo)通采集數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，結(jié)合極控系統(tǒng)、VBE系統(tǒng)、換流器及其組件動(dòng)作原理及過(guò)程進(jìn)行梳理，未發(fā)現(xiàn)極控系統(tǒng)、VBE系統(tǒng)存在導(dǎo)致?lián)Q流閥誤導(dǎo)通的可能性。

2）通過(guò)TE板仿真計(jì)算，加壓實(shí)驗(yàn)以及對(duì)BTC動(dòng)作電壓門(mén)檻值進(jìn)行EMTDC仿真，發(fā)現(xiàn)天廣直流換流變充電過(guò)程中四次換流閥異常導(dǎo)通的原因?yàn)椋禾鞆V直流TE板設(shè)計(jì)存在缺陷，未采取防污穢及防潮措施，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后TE板表面污穢嚴(yán)重，在高濕度環(huán)境下，造成BTC回路動(dòng)作電壓降低，導(dǎo)致?lián)Q流變充電過(guò)程中換流閥誤導(dǎo)通。

3）在檢修過(guò)程中注意檢測(cè)閥廳空氣的濕度，濕度過(guò)高時(shí)采取必要除濕措施，降低閥廳空氣濕度，同時(shí)計(jì)劃好物資的搬運(yùn)工作，盡量減少開(kāi)啟閥廳大門(mén)的次數(shù)，以免粉塵進(jìn)入閥廳。

4）明確TE板運(yùn)維要求，定期對(duì)TE板進(jìn)行清掃、除污，保證TE板表面干凈。

5）將此次換流閥誤導(dǎo)通情況通知相應(yīng)廠家，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)充分考慮TE板防污穢及防潮措施，以免在出現(xiàn)類(lèi)似原因的誤導(dǎo)通事件。

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2016-09-25）