鵝城換流站閥控系統(tǒng)分析及故障處理

范琪，胡偉，張宏，康文

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南長(zhǎng)沙410004)

鵝城換流站雙極12脈動(dòng)換流閥為ABB公司生產(chǎn)懸吊式雙重閥塔結(jié)構(gòu)，閥塔主要由閥模塊、屏蔽罩、懸吊支撐結(jié)構(gòu)、閥避雷器等部件組裝而成。換流閥控制系統(tǒng) (簡(jiǎn)稱(chēng)閥控系統(tǒng))在直流輸電中的主要功能是觸發(fā)、監(jiān)視和保護(hù)換流閥，其性能直接關(guān)系到換流閥及整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

1 閥控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能

1.1 閥塔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

每極閥廳內(nèi)懸吊6個(gè)雙重閥塔。每個(gè)雙重閥塔有8層，由2個(gè)單閥組成，每個(gè)單閥共計(jì)4層，共14個(gè)可控硅組件，每個(gè)可控硅組件有6個(gè)可控硅?？梢杂?jì)算出每極可控硅1 008個(gè)，2極共計(jì)2 016個(gè)可控硅。

每個(gè)可控硅組件由6個(gè)可控硅和與之串、并聯(lián)的均壓電阻、均壓電容，及可控硅控制單元(TCU)組成。

1.2 閥控制系統(tǒng)構(gòu)成

閥控系統(tǒng)包括晶閘管控制單元 (Thyristor Control Unit，TCU)、閥控單元 (Valve Control Unit，VCU)以晶閘管監(jiān)視單元 (Thyristor Monitor，THM)3部分。主機(jī)PCP的A，B系統(tǒng)THM分別與VCU的A，B系統(tǒng)PS900A板卡通訊，2個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)再通過(guò)VCU的PS906板卡與TCU通訊，如圖1。

圖1 閥控系統(tǒng)通訊示意圖

可見(jiàn)A，B系統(tǒng)各路模擬量測(cè)量信號(hào)獨(dú)立配置。只有PS906板卡不是冗余設(shè)計(jì)，如果此板卡發(fā)生故障，可能導(dǎo)致2個(gè)系統(tǒng)都無(wú)法檢測(cè)到可控硅回報(bào)脈沖IP，應(yīng)對(duì)其可靠性開(kāi)展進(jìn)一步研究工作，以提高PS906板卡運(yùn)行的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)主機(jī)PCP與低電位控制器VCU和高電位可控硅電子設(shè)備之間傳輸信號(hào)，通訊路徑主要有:

1)PCP至VCU及TCU回路，向晶閘管級(jí)發(fā)送觸發(fā)脈沖，接收晶閘管級(jí)回報(bào)信號(hào)。

主機(jī)PCP的PS877板卡與VCU的PS900A之間直接通訊通過(guò)光通道直接傳送信號(hào)。在PCP PCIA和VCU的PS900A板卡之間傳送CP，F(xiàn)P信號(hào)，經(jīng)由THM機(jī)架PS871，PS877板通訊。其中，PCP+2.H5和+2.H24機(jī)架各有2塊PS877板卡，每塊PS877板卡前3個(gè)光通道發(fā)送CP信號(hào)，后3個(gè)光通道接收FP信號(hào)，分別與VCU A，B，C三相的PS900A通訊。

2)在PCP和VCU之間傳送Active信號(hào)。在PCP PCIF和VCU的PS900A板卡之間傳送Active信號(hào)，經(jīng)由THM機(jī)架PS871，PS877板通訊，其中，PCP+2.H29機(jī)架有3塊PS877，分別對(duì)應(yīng)VCU A，B，C三相的PS900A。

3)通過(guò)THM CAN總線(xiàn)傳送信號(hào)。主機(jī)PCP與VCU間通訊由PS831板卡 (CAN/HDLC總線(xiàn)光橋)實(shí)現(xiàn)。THM CAN總線(xiàn)通訊路徑對(duì)極系統(tǒng)PCP的PCIF板處理相關(guān)信息，通過(guò)THM機(jī)架3塊PS831板，分相送至對(duì)應(yīng)極的 VCA，VCB，VCC柜，并由相應(yīng)系統(tǒng)的PS831板卡接收，然后送至PS900A板卡 (Y橋和D橋)進(jìn)行綜合分析處理。反之，PS900A板也將相關(guān)信息通過(guò)此CAN總線(xiàn)反饋至PCP的PCIF。

1.3 閥控系統(tǒng)功能

1.3.1 觸發(fā)功能

實(shí)時(shí)接收直流極控PCP系統(tǒng)下發(fā)的觸發(fā)命令CP(Control pulse)至VCU單元，同時(shí)TCU會(huì)檢測(cè)到晶閘管承受正向電壓發(fā)送IP(Indication pulse)至VCU單元，VCU單元接收到IP和CP信號(hào)，在PS900A板卡內(nèi)進(jìn)行處理，產(chǎn)生FP(Firing Pulse)觸發(fā)信號(hào)通過(guò)VCU單元的PS906板卡發(fā)送至所有晶閘管的TCU單元，完成對(duì)晶閘管的觸發(fā)。

1.3.2 監(jiān)視功能

閥控系統(tǒng)檢測(cè)晶閘管的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行自檢，并將檢測(cè)信息上報(bào)給直流極控系統(tǒng);若換流閥出現(xiàn)異常，將采取相應(yīng)的報(bào)警、通道切換、跳閘等處理措施。

監(jiān)視功能是在每個(gè)閥的VCU的中央處理單元PS900A板中實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)可控硅故障是檢測(cè)可控硅回報(bào)脈沖IP是否丟失，判斷可控硅是否正常，當(dāng)可控硅在承受大約30V的正向電壓時(shí)TCU就會(huì)給VCU發(fā)一個(gè)回報(bào)信號(hào)IP，表示此可控硅正常，若VCU沒(méi)有收到回報(bào)信號(hào)則表明此可控硅已損壞，不能承受正向電壓，并在VCU中計(jì)算丟失的IP。THM會(huì)收集來(lái)自各VCU的報(bào)警信號(hào)，并將事件送到OWS告訴運(yùn)行人員。

若可控硅兩端電壓持續(xù)上升到約6.8 kV，而可控硅還沒(méi)有導(dǎo)通，則TCU會(huì)發(fā)出保護(hù)性觸發(fā)Protection firing(PF)，用于緊急導(dǎo)通該可控硅，防止該可控硅被高電壓擊穿損壞。同時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)給VCU，在得到PCP系統(tǒng)“Energized”信號(hào)后，發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)，給出可控硅監(jiān)視保護(hù)性觸發(fā)報(bào)警。

在VCU中檢測(cè)到逆變站單閥14個(gè)組件，84個(gè)可控硅中，其可控硅的檢測(cè)動(dòng)作判據(jù)邏輯如下:

當(dāng)每個(gè)閥有3個(gè)可控硅故障 (每個(gè)閥丟失3個(gè)IP)，發(fā)可控硅監(jiān)視故障告警;當(dāng)每個(gè)閥有4個(gè)可控硅故障，切換系統(tǒng)，同時(shí)發(fā)可控硅監(jiān)視故障告警;當(dāng)每個(gè)閥有6個(gè)可控硅故障，切換系統(tǒng)，發(fā)閉鎖指令。

另外，若PF故障個(gè)數(shù)在1至5個(gè)之間，則發(fā)出等級(jí)1報(bào)警;PF故障個(gè)數(shù)達(dá)到6個(gè)及以上時(shí)，發(fā)出跳閘信號(hào)，發(fā)閉鎖單極指令。

1.3.3 保護(hù)功能

直流控制保護(hù)系統(tǒng)采用ABB公司MACH2系統(tǒng)，用于直流場(chǎng)、交流場(chǎng)、交流濾波器場(chǎng)、站用電系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)控制和保護(hù)。保護(hù)控制的測(cè)量及數(shù)字量傳送主要是通過(guò)CAN和TDM總線(xiàn)完成。MC1主機(jī)具有換流閥控制和保護(hù)功能，MC2主機(jī)只具有保護(hù)功能。即MC1主機(jī)或MC2主機(jī)中的保護(hù)動(dòng)作后，進(jìn)行PCP系統(tǒng)切換，若另一個(gè)系統(tǒng)的MC1主機(jī)或MC2主機(jī)中的保護(hù)動(dòng)作，則動(dòng)作出口。

閥控保護(hù)主要有:

1)閥短路保護(hù)。比較換流變閥側(cè)電流與直流側(cè)電流的差值，為了確?？煽毓杳馐軗Q流變直流側(cè)短路電流的沖擊，不進(jìn)行系統(tǒng)切換迅速閉鎖直流，以達(dá)到保護(hù)可控硅的目的。

2)換相失敗保護(hù)。六脈沖換流閥橋內(nèi)換相失敗的特征是交流相電流大幅度減小，而直流側(cè)電流增加。換相失敗是表明其他故障，如換相控制脈沖故障或交流網(wǎng)故障。引起換相失敗的原因通常有交流電壓幅值減小;交流電壓發(fā)生相移;直流電流增加;換流閥觸發(fā)不正常。

3)直流過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)應(yīng)稱(chēng)為“直流過(guò)流和可控硅結(jié)溫過(guò)高保護(hù)”，該保護(hù)中采集量有ALPHA，GAMMA主要用于計(jì)算可控硅功率損耗，其可控硅結(jié)溫大于功率下調(diào)可控硅結(jié)溫定值，則功率下調(diào)。

4)高角監(jiān)視。由于急需增大觸發(fā)角和熄弧角，增大角度運(yùn)行又會(huì)在主回路設(shè)備上產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力可由高角監(jiān)視功能計(jì)算出來(lái)。高角監(jiān)視(HAS)計(jì)算HVDC系統(tǒng)的限定值。它包括由閥阻尼回路、閥間避雷器和閥電抗器組成的理論模型。如果在很短的時(shí)間內(nèi)吸收的能量非常大，則啟動(dòng)保護(hù)。如果可控硅閥上的應(yīng)力進(jìn)一步增大，高角監(jiān)視(HAS)將在一定的時(shí)間之后跳開(kāi)直流極。

5)閥直流差動(dòng)保護(hù)。閥直流差動(dòng)保護(hù)測(cè)量閥出口極母線(xiàn)電流IDP和中性母線(xiàn)電流IDNC，很容易檢測(cè)到這2個(gè)CT之間的接地故障。此保護(hù)應(yīng)和直流極差動(dòng)保護(hù)和后備閥直流差動(dòng)保護(hù)配合。

6)閥誤觸發(fā)保護(hù)。此保護(hù)FP和CP的比較是在PCIA內(nèi)FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)，送到Main_cpu中處理的是每個(gè)閥的FF和NF信號(hào)，任何一個(gè)閥發(fā)生無(wú)觸發(fā)或誤觸發(fā)，延時(shí)80 ms切換系統(tǒng)，延時(shí)100 ms閉鎖直流系統(tǒng)。

7)電壓應(yīng)力保護(hù)。電壓應(yīng)力保護(hù)利用交流換流器母線(xiàn)電壓、分接頭位置和頻率，計(jì)算出理想空載直流電壓進(jìn)行保護(hù)將動(dòng)作。

2 閥控系統(tǒng)故障報(bào)警分析處理

2.1 故障報(bào)警事件

鵝城換流站P2PCPB系統(tǒng)從2011年至2012年7月，共發(fā) P2B1 System Superbision Valve Misfire Detected code1024或4194304報(bào)警7次，每次報(bào)警均在發(fā)出后24 ms內(nèi)復(fù)歸，故障信號(hào)瞬時(shí)發(fā)生，故無(wú)法使用筆記本電腦接入THM檢查故障信息，只能通過(guò)報(bào)警事件分析故障點(diǎn)。

2.2 故障報(bào)警原因排查

通過(guò)事件報(bào)警列表分析，報(bào)警全部為P2PCPB系統(tǒng)發(fā)出，P2PCPA系統(tǒng)運(yùn)行正常，由此排除一次設(shè)備故障，確定故障點(diǎn)為P2PCPB控制保護(hù)系統(tǒng)。

分析“Valve nofire Detected code 4194304”和“Valve misfire Detected code 1024”報(bào)警。閥在控制脈沖CP間隔內(nèi)，收到PS900A板卡產(chǎn)生的點(diǎn)火脈沖FP，報(bào)“Valve nofire Detected code 4194304”報(bào)警 (高12位)。閥在控制脈沖CP間隔外，誤收到PS900A板卡點(diǎn)火脈沖FP而被誤觸發(fā)，報(bào)“Valve misfire Detected code 1024”報(bào)警 (低12位)。將nofire code 4194304轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制為0100 0000 0000 0000 0000 0000，代碼的第11位是“1”，對(duì)應(yīng)單閥為P2.VC.V2。將misfire code 1024轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制為0100 0000 0000，第11位是“1”，對(duì)應(yīng)單閥為P2.VC.V2。即2個(gè)報(bào)警故障代碼指向同一單閥P2.VC.V2，故分析單閥P2.VC.V2的CP/FP傳輸回路。

單閥P2.VC.V2的CP/FP傳輸回路相關(guān)部件有PCIA板卡、PS930A板卡、PS871板卡、PS877板卡、PS900AA板卡、PS906板卡、TCU模塊和光纖回路。

2.3 故障分析判斷

因該報(bào)警為單系統(tǒng) (P2PCPB)、單閥P2.VC.V2(Y/D C相的V2橋臂)報(bào)警，故可排除以下可能的情況:

1)PCIA板卡至PS871板卡及之間回路，若該段回路故障，將造成多個(gè)閥報(bào)警;2)PS900A板卡，若該板卡故障對(duì)應(yīng)2個(gè)單閥報(bào)警;3)PS906板卡至TCU模塊之間回路，若該段回路故障，將造成雙系統(tǒng)報(bào)警。

排除以上3點(diǎn)后，可能故障點(diǎn)為位于P2PCPB系統(tǒng)+2.H5.8的PS877對(duì)應(yīng)Y/D C相的V2橋臂的光纖回路或光通道異常。

2.4 故障處理

1)按照《更換MACH2主機(jī)板卡指導(dǎo)書(shū)》的要求，確認(rèn)P2PCPB系統(tǒng)是在“test”狀態(tài)，斷開(kāi)P2PCPB柜H5層機(jī)架板卡電源小開(kāi)關(guān)，更換+2.H5.8的PS877板卡。

2)檢查確認(rèn)PS877板卡上的信息傳輸光纖插頭端面完好，未有折斷現(xiàn)象，并對(duì)光纖插頭進(jìn)行清潔，排除光纖的故障可能。

3)板卡更換時(shí)，確認(rèn)新、舊板卡軟件版本號(hào)一致，跳線(xiàn)位置相同。

4)重啟H5層機(jī)架板卡電源后，在P2PCPB系統(tǒng)“test”狀態(tài)按MACH2系統(tǒng)故障處理相關(guān)規(guī)定檢查報(bào)警，確認(rèn)無(wú)故障后，才能將P2PCPB系統(tǒng)恢復(fù)到standby狀態(tài)。

3 結(jié)論

文中就換流閥控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了闡述，結(jié)合報(bào)警故障事件分析處理，提出一些相應(yīng)處理思路及對(duì)策和風(fēng)險(xiǎn)防范措施，以提高報(bào)警故障處理的可靠性。

在分析觸發(fā)、監(jiān)視和保護(hù)換流閥的功能中注意到部分板卡不是冗余設(shè)計(jì)，為提高板卡運(yùn)行的穩(wěn)定性可靠性，建議開(kāi)展進(jìn)一步研究工作，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

〔1〕趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù) (2版)〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2010:35-39.

〔2〕國(guó)家電網(wǎng)公司.鵝城換流站換流站運(yùn)行規(guī)程〔S〕.2011.