高鐵峰 馬天逵

0 引言

換流站的直流側(cè)和交流側(cè)均裝設(shè)有斷路器，其中直流斷路器主要負(fù)責(zé)直流電流的轉(zhuǎn)換或開(kāi)斷，起到故障切除、運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換以及檢修隔離等目的[1-3]。充電裝置作為直流斷路器的重要組成部分，一旦發(fā)生故障，會(huì)直接導(dǎo)致直流斷路器無(wú)法正常開(kāi)斷直流電流，甚至?xí)绊懼绷飨到y(tǒng)運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換[4]。本文介紹了直流斷路器充電裝置的基本原理，以某換流站為例重點(diǎn)分析了充電裝置故障產(chǎn)生的原因及其可能導(dǎo)致的后果。

1 直流斷路器充電裝置基本原理及測(cè)控回路

充電裝置本質(zhì)上是一個(gè)小型的整流濾波電路。其輸入為230 V交流電，輸出為20 kV左右的直流電。充電過(guò)程由充電測(cè)控回路實(shí)現(xiàn)。首先測(cè)量直流斷路器電容器兩端的電壓并逐層上送至極控制保護(hù)系統(tǒng)（PCP），將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量值低于設(shè)定值時(shí)，PCP下發(fā)充電指令。指令經(jīng)直流場(chǎng)終端柜（DFT）內(nèi)的PS853板卡送至直流斷路器的充電機(jī)控制箱，吸合箱內(nèi)的對(duì)應(yīng)繼電器K1-K4，充電機(jī)啟動(dòng)，給電容器充電。當(dāng)電容器兩端電壓達(dá)到設(shè)定值后，充電停止。

2 故障原因分析

查看直流斷路器充電裝置故障告警的控制系統(tǒng)Hidraw邏輯回路圖可知[5]，發(fā)出“P WN Q1 Charging Voltage Faulty”事件需滿足以下3個(gè)信號(hào)均為0，即：P WN Q21 CLOSED IND、P WN Q22 CLOSED IND和P WN Q1 CHARGING DEVICE OK，如1所示。

以極1為例，WN Q21和WN Q22分別為直流接地刀閘001007和001027，直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)兩把刀閘均在拉開(kāi)狀態(tài)，因此P WN Q21 CLOSED IND和P WN Q22 CLOSED IND信號(hào)為0。如發(fā)出0010開(kāi)關(guān)充電壓低告警，說(shuō)明此時(shí)第三個(gè)信號(hào)為0，即0010電容器端口電壓小于4.5kV，隨后發(fā)出WN Q1 CAPACITOR VOLTAGE INCREASE指令，即電容器充電指令。見(jiàn)圖1中輸出信號(hào)14。只有對(duì)電容器充電至電壓大于5.5kV時(shí)，告警才能復(fù)歸。

3 故障后果分析

如圖1所示，0010開(kāi)關(guān)儲(chǔ)能電容器端口電壓低時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)：1．WN Q1 CAPACITOR VOLTAGE INCREASE為1，即電容器充電指令；2．P WN Q1 CHARGING DEVICE OK為0，即充電裝置異常信號(hào)。下面對(duì)第二個(gè)信號(hào)即充電裝置異?？赡芤鸬母鞣N后果進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.1 對(duì)中性線開(kāi)關(guān)可用性及允許分閘的影響

圖2為中性線開(kāi)關(guān)可用性邏輯圖，給出了0010開(kāi)關(guān)可用（P_WN_Q1_OK）和0010開(kāi)關(guān)允許分閘（P_WN_Q1_PERMIT_OP EN）兩個(gè)重要信號(hào)的判定條件。其中，“0010開(kāi)關(guān)可用”的判定條件是開(kāi)關(guān)的控制方式、SF6壓力、油壓等情況，以及充電裝置正常，即P WN Q1 CHARGING DEVICE OK信號(hào)為1?！?010開(kāi)關(guān)允許分閘”的判定條件還包括了極閉鎖信號(hào)、0010開(kāi)關(guān)閉鎖信號(hào)，以及中性線電流值和直流線路電壓值。

通過(guò)對(duì)圖2邏輯的分析還可看出，當(dāng)IDNE中性線電流小于2 500 A時(shí)，充電裝置異常不會(huì)導(dǎo)致0010開(kāi)關(guān)不可用或不允許分閘。反之若IDNE中性線電流大于2 500 A，充電裝置異常會(huì)導(dǎo)致0010開(kāi)關(guān)不可用同時(shí)不允許其分閘操作。

進(jìn)一步分析，當(dāng)正常極閉鎖后進(jìn)行極隔離操作時(shí)，極閉鎖信號(hào)為1，IDNE絕對(duì)值也會(huì)小于2 500 A，此時(shí)直流線路電壓低于參考值15 kV。如果0010充電裝置故障，“P WN Q1 OK”和“P WN Q1 PERMET OPEN”信號(hào)仍然為1，0010開(kāi)關(guān)為可用狀態(tài)且允許拉開(kāi)。因此可得出以下結(jié)論：正常極閉鎖并進(jìn)行極隔離操作，0010開(kāi)關(guān)充電裝置故障不會(huì)對(duì)0010開(kāi)關(guān)操作有影響。

3.2 特殊情況下引起另一極功率回降

通過(guò)繼續(xù)查找P WN Q1 CHARGING DEVICE OK的信號(hào)路徑，發(fā)現(xiàn)該信號(hào)為0還將引起另一極功率回降，如3所示。OPEN SW RUNB TOP為另一極功率回降，該信號(hào)出口必須同時(shí)滿足以下4個(gè)條件：0010開(kāi)關(guān)分閘順控指令、0010開(kāi)關(guān)為合閘狀態(tài)、0010開(kāi)關(guān)充電裝置故障和IDNE絕對(duì)值大于等于1 450 A。由此可見(jiàn)，在極1閉鎖后，在IDNE仍大于1 450 A的階段，在執(zhí)行順控拉開(kāi)0010開(kāi)關(guān)時(shí)，若充電裝置存在故障，則會(huì)導(dǎo)致極2的功率回降。

進(jìn)一步對(duì)0010開(kāi)關(guān)分閘順控指令進(jìn)行分析，邏輯如圖4所示?？梢?jiàn)要輸出0010開(kāi)關(guān)分閘順控指令只需滿足以下三種條件之一即可：0010開(kāi)關(guān)手動(dòng)分閘命令、0010開(kāi)關(guān)分閘命令、NBSF給0010開(kāi)關(guān)的分閘命令。

圖1 0010開(kāi)關(guān)充電故障HiDraw回路圖

圖2中性線開(kāi)關(guān)可用性邏輯圖

圖3功率回降邏輯圖

下面分別對(duì)三個(gè)條件進(jìn)行分析。條件一：向前尋找“0010開(kāi)關(guān)手動(dòng)分閘命令”的來(lái)源，如圖5所示，可知直流斷路器手動(dòng)分閘指令的必要條件之一為0010允許分閘。由上述分析可知，當(dāng)IDNE小于2 500 A時(shí)，0010允許分閘，條件一可以滿足；大于2 500 A時(shí)，0010不允許分閘，條件一不滿足。

條件二：向前尋找“0010開(kāi)關(guān)分閘命令”的來(lái)源，如圖6所示。路徑1：極閉鎖后，IDL小于60A，則順控拉開(kāi)極母線刀閘，之后執(zhí)行拉開(kāi)0010開(kāi)關(guān)。當(dāng)IDL大于60A時(shí)，UDL小于15 kV，則執(zhí)行大電流拉開(kāi)0010開(kāi)關(guān)指令，發(fā)出0010分閘命令。路徑2：“IDNE HIGH”指的是IDNE大于300A且IDL小于60 A，極隔離過(guò)程中，發(fā)出0010分閘命令。因此，不論IDNE為何值條件二均滿足。

條件三在NBS能拉開(kāi)但無(wú)法隔離電流時(shí)才起作用，不在本文討論范圍內(nèi)。

綜上，不論IDNE為何值，P WN Q1 OPEN SEQ信號(hào)均為1。因此，在極1閉鎖后，IDNE仍大于1 450 A條件下，在執(zhí)行順控過(guò)程中需拉開(kāi)0010開(kāi)關(guān)時(shí)，若充電裝置存在故障，則會(huì)導(dǎo)致極2的功率回降。

對(duì)以上分析進(jìn)行總結(jié)，隔離過(guò)程中根據(jù)極母線電流IDL和中性線電流IDNE的大小，0010開(kāi)關(guān)充電裝置異常會(huì)導(dǎo)致不同的后果。IDL＜60 A時(shí)，充電裝置異常不影響正常極隔離。IDL＞60 A時(shí)存在三種情況：IDNE＜1 450 A時(shí)，極母線電流下降到60A后拉開(kāi)極母線刀閘；1 450 A＜IDNE＜2 500 A時(shí)，引起極2功率回降，極母線電流下降到60 A后拉開(kāi)極母線刀閘；IDNE＞2 500 A時(shí)，將導(dǎo)致0010開(kāi)關(guān)不可用，無(wú)法正常拉開(kāi)，影響極隔離順控。

對(duì)于0010開(kāi)關(guān)狀態(tài)分閘順控指令中的手動(dòng)分閘和NBSF狀況引起功率的功率回降的狀況與P WN Q1 OPEN ORD類(lèi)似，不再贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了直流斷路器充電裝置的基本原理，在此基礎(chǔ)上歸納了直流斷路器充電裝置的故障原因。進(jìn)一步分析了故障可能導(dǎo)致的后果，即正常極閉鎖并進(jìn)行極隔離操作，0010開(kāi)關(guān)充電裝置故障不會(huì)對(duì)0010開(kāi)關(guān)操作有影響；在特定情況下可能影響極隔離順控操作或引起另一極功率回降。為換流站的充電裝置故障原因分析和排除提供了技術(shù)見(jiàn)解。

圖4 0010開(kāi)關(guān)順控邏輯圖

圖5 0010電機(jī)分閘指令

圖6 0010開(kāi)關(guān)分閘指令