徐晟

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510000）

0 引言

在換流站發(fā)展中引入了選相合閘裝置，希望通過裝置來降低合閘過程中的過電流以及過電壓，通過這種方式來提高斷路器的壽命，而且對于整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性而言也具有重要作用。但是在選相分閘裝置于換流站的應(yīng)用中也存在一些問題，經(jīng)常出現(xiàn)故障問題，誤動故障是典型代表。因此分析換流站選相分合閘裝置誤動故障并剖析其原因，提出應(yīng)對改進策略十分必要，也具有重要意義。本文進行研究的過程中，以某換流站選相分合閘裝置的運行狀況為案例進行分析。

1 某換流站選相分合閘裝置運行狀況及誤動故障分析

某換流站5053開關(guān)跳閘（5051和5052開關(guān)根據(jù)方式安排在冷備用狀態(tài)），500 kV 1#站用變失電，10 kV備自投動作，由103 M帶101 M運行，交流負荷未受影響，直流系統(tǒng)運行在5000 MW。

圖1 SER信號Fig.1 SER signal

監(jiān)控系統(tǒng)頻發(fā)5053開關(guān)選相合閘裝置故障信號，運行現(xiàn)場檢查上述時段內(nèi)開關(guān)選相合閘裝置故障不停在進行重啟，重啟過程中有所有指示燈瞬時點亮的情況，5053開關(guān)跳閘，5053跳閘期間無保護跳閘信號[1]。檢修人員到現(xiàn)場后，選相合閘裝置運行指示燈常亮（正常應(yīng)閃爍），對其面板菜單進行操作，發(fā)現(xiàn)其已死機。

圖2 裝置運行狀況圖Fig.2 device operation diagram

將現(xiàn)場故障裝置僅提供工作電源上電運行，發(fā)現(xiàn)裝置能夠正常啟動運行。但在經(jīng)過連續(xù)數(shù)個小時的通電運行，裝置出現(xiàn)類似現(xiàn)場的異常自動復(fù)位現(xiàn)象，同時出現(xiàn)定值出錯及參數(shù)出錯等異常事件，并且裝置出現(xiàn)死機、液晶及按鍵無法正常工作的情況[2]。此檢測異常現(xiàn)象與裝置在現(xiàn)場的異常工況一致。

圖3 監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)控情況圖Fig.3 Monitoring system monitoring situation map

在裝置上電運行及復(fù)位期間，為檢測裝置分合閘出口情況，采用示波器分別接入A 相分閘及合閘出口監(jiān)視，BC 相的分合閘出口分別接入測試盒監(jiān)視，監(jiān)視均具備出口捕獲自動保持功能。在接下來的監(jiān)視過程中，未采集到裝置異常出口情況。

2 某換流站選相分合閘裝置誤動故障分析

2.1 自動復(fù)位原因分析

裝置出現(xiàn)頻繁自動復(fù)位故障的原因有兩個：一是裝置電源板故障；二是裝置系統(tǒng)板故障。裝置供電可靠性直接影響工作穩(wěn)定性，對于裝置電源插件的故障，一般出現(xiàn)內(nèi)部供電電壓不穩(wěn)定時會導(dǎo)致裝置復(fù)位或無法上電，但不會出現(xiàn)定值、參數(shù)出錯等異常情況。此外，將返廠裝置的電源板件更換到另外一臺正常裝置拷機未出現(xiàn)復(fù)位情況，而返廠裝置在更換正常的電源板拷機后數(shù)小時即復(fù)現(xiàn)自動復(fù)位現(xiàn)象[3]。因此，故障點定位進一步明確為系統(tǒng)板。

裝置上電啟動后，首先會將存貯在系統(tǒng)板掉電不丟失存儲器件中的應(yīng)用軟件拷貝至速度更快的SDRAM 存儲芯片中運行。應(yīng)用軟件運行初始化時，將裝置參數(shù)、定值從掉電不丟失存儲器件中復(fù)制到SDRAM 中，理解為裝置軟件代碼及定值、參數(shù)在運行時均從SDRAM 中獲取。

當(dāng)軟件運行代碼出現(xiàn)錯誤時，會使代碼執(zhí)行指令出錯，CPU 會產(chǎn)生指令出錯中斷，程序進入死循環(huán)，導(dǎo)致硬件看門狗觸發(fā)裝置復(fù)位，復(fù)位時重新啟動后如果仍然出現(xiàn)異常，則再次觸發(fā)復(fù)位[4]。當(dāng)存儲參數(shù)定值的存儲單元出錯時，裝置定值、參數(shù)數(shù)據(jù)載入SDRAM 芯片時的檢測工作無法完成，裝置會出現(xiàn)定值出錯或參數(shù)出錯記錄。

當(dāng)軟件運行數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時，如果此時只有極少量的SDRAM 存儲單元出錯，CPU 軟件的大部分模塊還能夠正常運行。結(jié)合裝置的程序?qū)崿F(xiàn)及事件記錄報定值、參數(shù)出錯等異常情況分析，可以確定裝置出現(xiàn)的頻繁自動復(fù)位現(xiàn)象是系統(tǒng)板的SDRAM 存儲芯片失效導(dǎo)致的[5]（圖4 中紅色框內(nèi)芯片）。

圖4 異常板件Fig.4 Abnormal board

2.2 芯片故障原因分析

結(jié)合上述異常現(xiàn)象及裝置檢測結(jié)果分析，可以確定裝置異常復(fù)位的原因是SDRAM芯片損壞引起。經(jīng)咨詢裝置選用的SDRAM芯片是SAMSUNG公司推出的成熟產(chǎn)品，在電力及工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但即便是工業(yè)級或軍工級的電子元器件，也不可避免存在老化失效問題，而且即便是同一批次的芯片，也因為制造過程、運行環(huán)境及日常維護等因素表現(xiàn)出不同的失效周期。

此過程是無法通過常規(guī)的檢測手段提前獲知的。而且這種品質(zhì)變化一般是由良好到失效的累積過程?？紤]到裝置已經(jīng)出廠并運行有近9 年時間，且在此期間基本是持續(xù)帶電運行狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)板的SDRAM 芯片進入工作可靠性下降的失效周期。

2.3 硬件出口與5053 開關(guān)異常動作分析

3YL裝置控制回路出口采用繼電器串接MOSFET的方式完成分合閘控制?？刂菩酒煽删幊踢壿嬈骷x通，CPU系統(tǒng)進行控制，選相不動作時為內(nèi)部閉鎖狀態(tài)。MOSFET采用專用的隔離驅(qū)動芯片進行隔離，繼電器采用光耦隔離。三相操作通過三個獨立的模塊進行控制[6]。裝置合閘回路示意圖如圖5所示。

系統(tǒng)在上電CPU初始化階段，CPLD將關(guān)閉控制芯片的選通信號?？刂菩酒幱陂]鎖狀態(tài)，不會響應(yīng)CPU指令。

圖5 裝置合閘回路示意圖Fig.5 Schematic diagram of the device closing circuit

2.4 軟件控制與5053 開關(guān)異常動作分析

2.4.1 開入板件異常

排除計劃內(nèi)操作情況，如外部啟動信號異常或裝置硬件開入板件異常，均能夠使裝置采集到有效的合閘啟動信號，出現(xiàn)計劃外合閘的可能，但由此方式動作時裝置會產(chǎn)生相應(yīng)的動作事件記錄。但現(xiàn)場返廠裝置進行開入信號采集測試結(jié)果正常，且無動作事件記錄。

2.4.2 數(shù)據(jù)采集異常

如果是由于SDRAM異常，導(dǎo)致采集信息出現(xiàn)從0到1的變化，裝置能夠進行合閘控制。但此現(xiàn)象只適用于單個開入信號上升沿啟動的情況，且保留有動作事件記錄?，F(xiàn)場裝置采用雙開入可靠同步啟動方式，分別檢測合閘啟動、合閘啟動校驗等4個啟動信號。需要合閘啟動及校驗信號從0到1變化，再從1變化為0的過程后才認為啟動命令有效。因此，由芯片異常而導(dǎo)致采集信號變化誤啟動的可能性極小。

2.4.3 軟件執(zhí)行異常

芯片異常后導(dǎo)致合閘命令數(shù)據(jù)變化或指令正好跳轉(zhuǎn)至合閘出口執(zhí)行的分析如下：假設(shè)SDRAM異常，使得CPU極低概率下跳至出口指令，由出口控制過程可知，硬件出口設(shè)計是由繼電器和MOSFET串聯(lián)，必需二者均有效接通的情況下，控制出口才有效，并且這只是一相出口接通的可能。程序是基于實時嵌入式操作系統(tǒng)和高級語言開發(fā)的，只要CPU和存儲器有輕微的數(shù)據(jù)錯誤，馬上會導(dǎo)致軟件系統(tǒng)崩潰，從而進入異常處理中斷觸發(fā)裝置復(fù)位或死機[7]。

根據(jù)以上推論，3YL裝置在SDRAM出現(xiàn)異常時，CPU很快就會進入異常中斷函數(shù)，呈現(xiàn)死循環(huán)狀態(tài)。在這種情況下，能夠誤發(fā)合閘命令的概率是極低的，但從客觀上講也不能夠完全排除。另外的情況是SDRAM失效的初始階段，此時只有極少量的存儲單元出錯，CPU軟件的大部分模塊還能夠正常運行[8]。如個別關(guān)鍵存儲單元出現(xiàn)錯誤，包括硬件出口設(shè)計中自動復(fù)位時電壓波動、參數(shù)變化影響因素，盡管概率不高，但會有一定概率導(dǎo)致裝置誤出口，此時設(shè)計的對策主要是參考保護裝置控制雙重化方式，進行軟硬件系統(tǒng)的冗余設(shè)計。

2.5 小結(jié)

2.5.1 裝置異常自動復(fù)位原因

經(jīng)檢測分析確定，現(xiàn)場3YL 裝置頻繁自動復(fù)位原因，是由于系統(tǒng)板的SDRAM 存儲芯片損壞所致。裝置所采用的SDRAM 設(shè)計和芯片選型方案早已被電力行業(yè)和工控行業(yè)廣泛采用，現(xiàn)場出現(xiàn)的損壞為工程個例。

2.5.2 裝置故障與5053 開關(guān)計劃外動作關(guān)聯(lián)度分析

由于硬件故障后裝置持續(xù)運行的時間較長，且裝置的控制出口沒有做到完全旁路處理，時間及故障的積累效應(yīng)對裝置保持其運行可靠性是不利的。因目前暫未捕捉到故障裝置的出口信號，后續(xù)將繼續(xù)跟蹤，因裝置出口回路當(dāng)前設(shè)計方式可能在故障時頻繁復(fù)位期間，因內(nèi)部電壓波動、元件參數(shù)特性變化等因素，目前不排除異常出口的可能。

3 換流站選相分合閘裝置誤動故障整改措施及建議

3.1 故障應(yīng)對措施措施

要求選相合閘裝置廠家對更換下的選相合閘裝置進行測試，明確故障原因。

經(jīng)過測試之后，明確了裝置異常復(fù)位原因。但尚未重現(xiàn)裝置誤出口原因，后續(xù)將繼續(xù)開展相關(guān)檢查工作。

在廠家未明確裝置故障原因前，為防止再次出現(xiàn)選相分合閘裝置故障導(dǎo)致開關(guān)跳開的異常情況，開關(guān)復(fù)電后將采取將選相合閘裝置打至旁路且拆除分合閘出口接線的臨時措施，該措施不影響保護跳閘功能。

3.2 整改措施

3.2.1 增加壓板整改

智能選相合閘裝置旁路功能僅隔離開入功能回路，未對出口回路進行旁路或隔離。后續(xù)將結(jié)合現(xiàn)場實際情況，考慮對換流站智能選相分合閘裝置的分合閘出口回路增加壓板的整改方案[9]。

3.2.2 改進獨立雙系統(tǒng)控制方式

為避免裝置在出現(xiàn)硬件故障或運行異常時可能引起誤出口，參考保護裝置控制雙重化方式，進行軟硬件系統(tǒng)的冗余設(shè)計，對國立智能裝置進行下述優(yōu)化：增加選通板插件，使裝置由單系統(tǒng)控制方式變化為獨立雙系統(tǒng)控制方式[10]。

圖7 裝置優(yōu)化方案圖Fig.7 Device optimization plan

3.3 換流站選相分合閘裝置誤動故障整改與運維建議

圖6 增加壓板整改圖Fig.6 Increase the platen rectification chart

（1）在新改擴建工程中要求選相分合閘裝置在投旁路功能時，必須同時有隔離分合閘出口接線的措施（增設(shè)壓板或通過把手隔離）。

（2）充分研究各類型設(shè)備選相分合閘裝置功能投入需求，并在新改擴建工程中應(yīng)用。

針對選相合閘裝置開展各站點運行規(guī)程的修編，明確運規(guī)中必須包含選相分合閘裝置的故障處置流程如下：①電源故障，則檢查電源的空開是否合上；若沒有合上，則應(yīng)隔離分閘出口回路后再試合開關(guān)；試合不成功或空開在合上位置，則聯(lián)系檢修人員處理。②當(dāng)進行斷路器合閘操作時，若因負荷對側(cè)無電壓、電流互感器T3無電流等原因?qū)е逻\行燈不亮或選相分合閘裝置自身有問題，導(dǎo)致無法操作時。應(yīng)立即停止操作，排除裝置以外一、二次設(shè)備無異常，通過選相分合閘裝置“投入/退出切換把手”將裝置退出，即實現(xiàn)旁路功能，對應(yīng)斷路器的操作可根據(jù)現(xiàn)場實際要求和上級指示確定是否不通過選相分合閘裝置直接出口命令。故障排除后根據(jù)規(guī)定或者上級指示再確定是否將裝置投入。③若要對選相分合閘裝置裝置所控設(shè)備及其相關(guān)設(shè)備進行加壓注流試驗，尤其是對小組交流濾波器做注流試驗，必須先將該小組濾波器對應(yīng)斷路器的選相分合閘裝置裝置退出，將其旁路。目的是為了防止選相分合閘裝置裝置誤判該斷路器的位置狀態(tài)，待加壓注流試驗結(jié)束后再投入選相分合閘裝置裝置。④當(dāng)選相分合閘裝置發(fā)生頻繁重啟、復(fù)位以及死機情況，應(yīng)第一時間通過選相分合閘裝置“投入/退出切換把手”將裝置退出，然后將裝置電源斷開。⑤為避免誤出口，裝置上電前，應(yīng)斷開裝置分合閘出口壓板（若有）或臨時解除分合閘接線，在進行裝置上電。上電后裝置運行正常后，經(jīng)萬用表測量分合閘出口壓板（若有）或臨時解除分合閘接線無正電位才允許將接線恢復(fù)。

4 結(jié)論

對于換流站而言，選相分合閘裝置誤動故障的分析和應(yīng)對必須受到充分關(guān)注，深入分析原因，進行整改和優(yōu)化，提高換流站以及整個電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。