厲瑜，宋國超，張彩友

（國網西藏電力有限公司運維檢修部，西藏拉薩 850000）

換相失敗是直流輸電系統(tǒng)常見的故障形式，它會導致直流電流上升、換流閥過電流，從而損壞閥的壽命[1]。關于換相失敗的理論分析在參考文獻[2-5]中以進行了深刻分析。本文針對青藏直流換相失敗故障對換流閥進行了分析。青藏聯網工程換流閥采用許繼集團引進ABB直流輸電技術，自主生產的電控換流閥。極控系統(tǒng)通過閥控接口板卡NR1206A（位于NR1113板卡中）與閥觸發(fā)接口裝置PCS9519連接，PCS9519裝置向VCU（Valve Control Unit，閥控單元）發(fā)送控制脈沖CP及ACTIVE信號，同時接收由VCU傳回的觸發(fā)脈沖FP。在閥控單元VCU中，根據極控PCP送來的控制脈沖CP信號和TCU送來的回報脈沖IP信號計算出觸發(fā)脈沖FP[6]。FP信號一方面送到TCU經觸發(fā)電路形成門極脈沖去觸發(fā)可控硅；另一方面，FP信號回送至極控系統(tǒng)的控制脈沖發(fā)生器CPG中，和相應的CP信號進行比較，來判斷系統(tǒng)是否存在誤觸發(fā)。極控系統(tǒng)通過CAN總線與可控硅監(jiān)視系統(tǒng)THM相連，將極控系統(tǒng)的狀態(tài)信息發(fā)送至閥控系統(tǒng)中，同時接收閥控系統(tǒng)的相關報警信號[7-8]。

1 VCU概述

VCU是換流閥和PCP之間的信號接口。拉薩換流站極控系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)間的連接結構如圖1所示，每個VCU完成對2個閥的控制與監(jiān)視，指令信號包括：CP、FP和ACTIVE/OK信號。極控通過光纖分別發(fā)送12路CP控制信號到每一極VCU，每閥1路信號，脈沖均為120度脈寬1 MHz頻率的高頻調制信號。每一極VCU控制每個閥反饋FP信號到極控，通過光纖傳輸共12路信號。FP信號均是在VCU OK信號上疊加的高頻信號（疊加后的FP信號為16 μs），其中當VCU系統(tǒng)指示狀態(tài)正常，極控系統(tǒng)指示關閉，VCU系統(tǒng)處于備用狀態(tài)，信號頻率為4 kHz；當VCU系統(tǒng)和極控系統(tǒng)指示信號均指示正常，VCU系統(tǒng)處于值班狀態(tài)，信號頻率為1.25 MHz[6]。

VCU控制結構圖見圖1，原理圖見圖2。圖2中各信號釋意如下：

1）IP信號。由可控硅控制單元TCU發(fā)出的表示可控硅已承受正向電壓且達到規(guī)定數值的信號。

2）CP信號。由極控系統(tǒng)發(fā)出的控制脈沖序列。

3）FP信號。由VCU系統(tǒng)對CP信號和IP信號進行比較后產生的可控硅觸發(fā)脈沖信號。

4）PF信號。當可控硅承受正向電壓達到一定數值且仍未被可靠觸發(fā)時，由TCU對可控硅發(fā)出的觸發(fā)信號，以防止可控硅損壞。

圖1 VCU控制結構圖Fig.1 The control structure of the VCU

圖2 VCU控制原理圖Fig.2 The VCU control diagram

由圖3可見，VCU中的“閥控單元接口故障”和“VCU故障”信息由閥控系統(tǒng)以二進制數的形式傳送至極控中，并以十進制數的形式報出故障編碼。其中“閥控接口單元故障”的編碼采用的是二進制數中的高12位，而“VCU故障”的編碼則采用的是二進制數中的低12位。例如：當報警發(fā)“VCU故障，故障編碼1152”時，將“1152”轉換為二進制數，即“010010000000”，因此對應的為D橋的V2和V5；同樣的，對于“閥控接口單元故障，故障編碼1152”即對應為D橋的V2和V5[8-9]。

2 故障過程分析

2.1 換相失敗原因分析

直流極控分A、B兩套系統(tǒng)，互為備用。故障時極Ⅰ極控A系統(tǒng)在“值班”狀態(tài)，極Ⅰ極控B系統(tǒng)在備用狀態(tài)，故障波形如圖4所示。

為了便于分析，通過軟件依據圖4故障錄波中的交流網側三相電壓，可以得到故障發(fā)生時的交流網側電壓的零序電壓波形，如圖5所示。

故障發(fā)生后，極Ⅰ極控系統(tǒng)發(fā)生了切換，相應的P1PCPB系統(tǒng)的故障錄波如圖6所示。

綜合圖4—6故障錄波圖分析如下：

1）由站內交流側電壓的零序波形可見，在故障發(fā)生前交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，無擾動等異常情況。

2）故障發(fā)生前后由極控系統(tǒng)發(fā)出的控制脈沖信號CPRY（Y橋控制脈沖）和CPRD（D橋控制脈沖）均正常。

3）由圖4所示的故障錄波圖可知，在極控系統(tǒng)發(fā)生切換前，在極Ⅰ直流系統(tǒng)的D橋中發(fā)生了換相異常情況，對換流變閥D側的電流波形放大，如圖7所示。

圖3 閥控系統(tǒng)異常信號的上送流程圖Fig.3 Abnormal signals sending flow chart of the valve-control system

圖4 拉薩換流站P1PCPA系統(tǒng)故障錄波Fig.4 P1PCPA system fault recorder of Lhasa Converter Substation

對照相應的控制脈沖序列，在圖7“X”標線所處時刻，極Ⅰ直流系統(tǒng)D橋的V6（B相正電流）和V1（A相負電流）換流閥導通；在下一時刻，當V6向V2換相時，由圖7可見此時V2換流閥并未正常導通，此時D橋繼續(xù)由V6和V1導通，直到下一時刻由V1向V3成功換相后（圖中“O”標線），由連接于交流B相的V6和V3導通，由此極Ⅰ直流系統(tǒng)的D橋被V3和V6短路；于是換流變閥D側電流出現中斷，直流電壓UDL迅速下降，直流電流IDNC快速上升，繼而導致極Ⅰ直流系統(tǒng)的熄弧角減?。ㄗ钚〉?度左右），并最終導致極Ⅰ極控系統(tǒng)檢測到換相失敗過程的發(fā)生；換流變閥Y側電流也出現了畸變并增大的情況。

圖5 依據P1PCPA錄波中的交流網側電壓得到的交流零序電壓Fig.5 AC zero-sequence voltage based on the AC line voltage of the P1PCPA system

圖6 拉薩換流站P1PCPB系統(tǒng)故障錄波Fig.6 P1PCPB system fault recorder of Lhasa Converter Substation

圖7 P1PCPA系統(tǒng)中極Ⅰ換流變閥D側電流波形（放大后）Fig.7 Current waveform at D-side of Pole I converter of the P1PCPA system（after amplification）

同時，根據換相失敗發(fā)生前P1PCPA系統(tǒng)所發(fā)出的“VCU故障、閥控單元接口故障，故障編碼1152”可知該故障對應為D橋的V2和V5換流閥。

綜合前面的分析可見：導致極Ⅰ直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的原因是由于閥控系統(tǒng)故障，導致該極D橋在換相過程中V6向V2換相時，V2換流閥未能正常導通所致；同時受此異常換相過程的影響，引起交流系統(tǒng)的電壓出現了較大幅度的波動。

2.2 VCU A系統(tǒng)故障檢查詳情及原因分析

在故障中，極ⅠPCPA系統(tǒng)先后發(fā)出了“閥控單元接口故障、VCU故障，故障編碼：1152；閥誤觸發(fā)保護跳閘；閥控單元功能跳閘，故障編碼:32”等報警信號，并導致P1PCPA系統(tǒng)出現嚴重故障而退至“服務”狀態(tài)。

根據“VCU故障，故障編碼：1152”可知該編碼對應為D橋的V2和V5，在現場為VCC屏柜內的U9層?，F場在對VCU A系統(tǒng)進行重啟前，對該閥控系統(tǒng)的運行情況進行了監(jiān)視。通過監(jiān)視發(fā)現，VCC屏柜內的U9層確實明顯存在故障，且顯示該故障來自于光觸發(fā)板（Trip from Optoboar）；在本次閥控系統(tǒng)故障中不存在保護性觸發(fā)和可控硅故障，僅在A相的V4換流閥一個振蕩保護性觸發(fā)信號，但不足以產生閥控跳閘緊急故障；同時，通過對VCC的U9層的光觸發(fā)板進行監(jiān)視，未發(fā)現光觸發(fā)板存在異常情況。據此判斷，引起閥控A系統(tǒng)故障的可能原因是由于閥控中央處理板PS900、閥觸發(fā)板PS906或層架背板PS912的硬件瞬時故障引起，也正是由于該故障的存在使P1PCPA系統(tǒng)在本次故障時發(fā)“閥控單元功能報警”和“閥控單元功能跳閘”信號[8，10]。

3 總結及建議

VCU是直流控制系統(tǒng)的核心設備，VCU內部的核心板卡PS900、PS906、PS912及其相關輔助設備的可靠性直接決定了直流系統(tǒng)的可靠性。目前而言，除了PS900板卡采用雙重化配置，PS906、PS912等板卡采用單重化配置給直流系統(tǒng)運行帶了很大的風險。

故提出如下建議。

1）如果PS906板故障，可能導致與它相連的12組可控硅無法正常觸發(fā)，也可導致極控PCP系統(tǒng)故障退出運行。如果需要更換PS906，則相關閥組必須停運。由于閥組無法雙重化，那么就需要將相應設備接口環(huán)節(jié)雙重化，見圖8，避免閥組因單一的設備接口故障而引起直流系統(tǒng)故障甚至停運的風險，提高了直流系統(tǒng)運行的抗干擾、穩(wěn)定性。

2）閥控規(guī)PS912背板單重化配置，如果背板故障、脫焊、針腳彎曲、受到干擾等，可能引起PS900和PS906板卡間通信故障直至及閉鎖產生，同樣作為受控設備的換流閥無法雙重化，那么就需要將相應設備接口環(huán)節(jié)雙重化，PS900板卡A/B系統(tǒng)接入不同的PS912背板（見圖9），避免閥組因單一的設備接口故障而引起直流系統(tǒng)故障甚至停運的風險，提高了直流系統(tǒng)運行的抗干擾、穩(wěn)定性。

圖8 PS906板卡結構改進前后Fig.8 PS906 board structures before and after improvement

圖9 PS912板卡結構改進前后Fig.9 PS912 board structures before and after improvement

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