特高压直流系统旁路开关运行风险分析及预控措施研究

何园峰，周登波，袁　也

（中国南方电网超高压输电公司 广州局，广东 广州　510405）

特高压直流系统旁路开关运行风险分析及预控措施研究

何园峰，周登波，袁也

（中国南方电网超高压输电公司 广州局，广东 广州510405）

文章指出旁路开关位置检测功能存在的隐患，提出相应的解决办法。文章结合普侨直流系统旁路开关故障实例，指出阀组解锁过程中旁路开关分位信号延误导致双阀组跳闸的风险，研究避免对侧旁路开关保护误跳的技术措施，并通过仿真试验验证其效果。

旁路开关；解锁；触发脉冲；位置检测；旁路开关保护

1　旁路开关位置检测回路运行风险及预控措施

特高压直流系统一般采用双阀组串联的结构，每个阀组配置有旁路开关，以保证单阀组投运或退出时不影响另一阀组。为实现旁路开关分闸操作与换流阀脉冲触发的精确配合，旁路开关装设有专门的位置检测回路，向控制系统快速传送位置信号。旁路开关本体装设有两个位置检测模块，两套阀组控制屏分别送24V直流电源至相应的位置检测模块。在开关分合闸过程中，操作机构连杆带动磁性划片旋转，改变位置检测模块的磁场环境和电阻值大小，从而影响位置检测回路的电流。位置检测回路电流正常范围为4～20mA，电流电压转换模块将其转换成0～10V电压信号，输入阀组控制系统［1］。

阀组控制系统接收到0～10V的电压信号后，按公式Y= U/5 V计算电压标幺值。当标幺值大于1.0（即位置检测回路电流大于10mA）且阀组旁路开关位置变化前处于合位，或收到现场总线反馈的分位信号时，组控系统判开关处于分闸状态。当标幺值小于1.0（即位置检测回路电流小于10mA）且收到现场总线反馈的合位信号时，组控系统判开关处于合闸状态。当标幺值小于0.1（即位置检测回路电流小于1mA）时，组控系统判开关位置检测回路断线故障。

现有的旁路开关位置检测回路在功能正常时，基本能实现开关位置的精确上传，保证旁路开关电流顺利转移到换流阀，但该回路的设计未充分评估检测装置故障的风险。

在开关位置检测回路发生电源丢失、回路断线等故障时，传送的电流小于1mA，组控系统判检测回路断线，现有工程中断线告警时仅发信号而不参与控制。特高压直流系统第二个阀组的解锁操作要求在自动顺控条件下执行。若下达解锁命令后报旁路开关位置检测回路断线告警，运行人员无法收回解锁命令，极易造成旁路开关灭弧失败事故。

对于两套阀组控制系统配置冗余的旁路开关位置检测回路的工程，两个检测回路同时故障的概率极低，建议将检测回路断线作为对应组控系统的低级别故障，发生断线的组控系统自动切换至备用系统运行。

对于未配置冗余的位置检测回路的工程，建议将旁路开关位置检测回路未断线作为第二个阀组解锁的联锁条件，在检测回路断线时，自动禁止第二个阀组的解锁操作。

2　旁路开关故障实例分析

2015年9月10日，普侨直流在进行极2低端阀组复电操作过程中，侨乡站旁路开关保护动作，极2低端阀组退至备用状态。普洱站极2低端阀组配合故障紧急停运过程中旁路开关保护也动作，又向侨乡站发出闭锁极2高端阀组命令，侨乡站极2高端阀组因拒绝执行闭锁而状态不定义。

旁路开关本体无独立灭弧能力，设置旁路开关保护的目的是避免开关操作到分位后，灭弧室因长时间拉弧而有爆炸的风险。普侨直流系统旁路开关保护的判据为发出分闸命令15ms后，或检测到开关在分位的情况下，流经开关电流大于219A，保护动作时间为50ms，动作后果为重合旁路开关，并将相应阀组紧急停运。保护采用西门子DISA逻辑模块，故障时间可自动累积和复归。复归速率参数取值20，即每1ms的故障时间需20ms的非故障时间复归。

侨乡站现场录波如图1。侨乡站解锁极2低端阀组，先发旁路开关分闸命令，两套阀组控制系统分别在159ms和31ms后收到分位信号。由于控制系统1主用，阀组触发脉冲在开关分闸命令发出169ms后才释放。旁路开关分闸到位后，换流阀长时间未激发冲击电流，导致旁路开关无法灭弧。旁路开关保护动作，重合旁路开关并将极2低端阀组紧急停运。

特高压直流系统解锁第二个阀组过程中，整流站先操作，逆变站后操作。普洱站先于侨乡站10ms完成极2低端阀组解锁，其旁路开关分闸正常。后为配合侨乡站极2低端阀组故障紧急停运，普洱站又闭锁极2低端阀组并合上旁路开关。普洱站旁路开关先分后合的动作特性如图2所示，整个过程可分为3个阶段。

（1）A阶段为解锁极2低端阀组时，旁路开关收到分闸命令后却未灭弧，累积的故障时间为34ms。

（2）B阶段极2低端阀组解锁成功，旁路开关电流为零，此时不满足保护判据，持续时间为166ms。

（3）C阶段为配合对站停运极2低端阀组，需合上旁路开关转移换流阀电流，保护检测旁路开关已通流但未收到合位信号，此阶段满足保护判据，累积的故障时间为25ms。

图1　侨乡换流站故障录波

图2　普洱换流站旁路开关先分后合动作特性

3个阶段旁路开关保护累积的故障时间：34ms-166ms/20+25ms=50.03ms，大于保护动作时间。普洱站极2低端阀组旁路开关保护跟跳，将本侧阀组退至备用状态，并通过站间通信向侨乡站发单阀组闭锁命令。

侨乡站收到单阀组闭锁命令时，其极2低端阀组已跳闸，只能对高端阀组执行闭锁操作。根据特高压直流系统最后一个阀组的闭锁策略，应由整流站先闭锁，逆变站在检测电流为零后闭锁。此时普洱站极2高端阀组并未闭锁，极2电流正常，侨乡站极2高端阀组不具备闭锁条件，因此处于不定义状态。

事故过程中极2两侧阀组状态变化和保护动作情况如图3所示。

图3　两站阀组状态变化和保护动作特性

3　旁路开关故障预控措施研究

在普侨直流系统两侧旁路开关保护连续跳闸事故中，侨乡站旁路开关保护动作的原因为主控制系统收到开关分位信号严重滞后。在2014年4月2日穗东站解锁极2高端阀组时，也曾发生因旁路开关分位信号延迟导致解锁失败的事故，只是那次未引起对侧旁路开关保护的误动。针对旁路开关位置信号延迟的重大隐患，本文提出以下技术改进措施和运行维护建议，避免其对特高压直流系统的阀组解锁操作造成风险：

在知识经济时代日益完善的背景下，很多企业在管理时，都通过发挥信息技术上的优势完善管理制度，并取得了不错的效果。但是我们也需要看到目前很多企业在具体的经济管理活动中，依旧存在各种各样的问题。这些问题影响了企业的经营效益和服务效率，具体表现在以下几点：

（1）建议每套阀组控制屏的N11模块将开关位置转换成电压信号后，同时送入两套组控系统，实现回路交叉冗余。在第二个阀组解锁过程中，控制系统以先送到的分位信号为准，避免单个位置传感器故障导致跳闸。

（2）建议第二个阀组解锁操作前，在停电状态下试分合旁路开关，比较其送至各套控制系统和保护系统的位置信号，信号时差过大时应慎重开展解锁操作。

普洱站旁路开关保护发生误动，其原因为在设计保护功能时未考虑旁路开关分后即合的特殊工况，两次故障时间累积后可能超过保护动作延时。针对旁路开关误动风险，本文提出以下两条保护逻辑改进措施：

（1）将旁路开关保护逻辑模块的复归速率参数由20改为10，提高非故障情况下的保护复归速度。

（2）在旁路开关操作至合位时，将旁路开关保护闭锁5ms，将合闸操作过程中累积的故障时间清零。

4　仿真试验分析

为验证旁路开关保护逻辑改进措施的效果，本文将程序修改前后发生旁路开关位置传感器故障的工况进行仿真。具体试验内容和试验结果如表1所示。

表1　旁路开关保护逻辑修改措施验证试验

分析仿真试验结果，可得出以下结论：

（1）保护逻辑修改前，阀组解锁过程中若整流站旁路开关位置传感器故障，两站旁路开关保护相继动作后，同极另一阀组也将闭锁，扩大了事故范围。

（2）保护逻辑修改前，阀组解锁过程中若逆变站旁路开关位置传感器故障，其跳闸过程与普侨直流事故过程一致，两站旁路开关保护相继动作，同极另一阀组状态不定义。

（3）保护逻辑修改后，不管哪侧旁路开关位置传感器故障，均只有本侧旁路开关保护动作，对侧旁路开关保护不发生误动，也不会影响同极另一阀组的正常运行。

通过仿真试验可知，两条保护逻辑改进措施能有效防止一侧旁路开关保护动作后，另一侧旁路开关保护误动的风险，避免了事故范围扩大。

5　结语

阀组旁路开关是特高压直流系统中极为重要的设备，而旁路开关位置检测回路是系统运行的薄弱环节。当前的检测回路设计和旁路开关保护方面的缺陷，给现场的运行维护工作带来了许多隐患。

本文分析了特高压直流系统中旁路开关位置检测回路的功能特性，针对可能出现的回路断线风险提出预控措施。结合普侨直流系统旁路开关故障实例，对旁路开关分位信号延迟的风险提出技术改进措施和日常维护意见。针对旁路开关保护功能设计缺陷，本文提出两条逻辑修改建议，通过仿真试验证明其有效性，目前第二条建议已运用于楚穗和普侨特高压直流系统工程实践。

［1］张爱玲，刘涛，李少华.云广特高压工程紧急停运及旁路开关操作控制策略研究［J］.电力系统保护与控制，2011（13）：121-125.

［2］张志朝，刘茂涛，徐攀腾，等.云广直流工程阀组旁路开关位置检测回路设计优化［J］.南方电网技术，2011（6）：25-28.

Study on preventive measures and analysis of bypass switch operation risk of HVDC system

He Yuanfeng， Zhou Dengbo， Yuan Ye
（Guangzhou Bureau of CSG EHV Power Transmission Company， Guangzhou 510405， China）

The paper points out the hidden danger of the position detection function of the bypass switch， and puts forward the corresponding solutions. The risk of tripping both groups position caused by the bypass switch delays is pointed out by a example of bypass switch fault in Puqiao direct current system when we unblock the second group of a pole. Technical measures preventing malfunction of bypass switch protection were studied and its effects were verifed by emulation experiments in this paper.

bypass switch； unlock； fring pulses； position detection； bypass switch protection

何园峰（1984— ），男，湖北孝感，工程师；研究方向：特高压直流输电系统研究及运行维护。