±500kV天广直流极1换流阀误导通事件分析

李其书 梁云龙 林志明 朱星钊 罗鸿 叶吉春

（中国南方电网超高压输电公司天生桥局）

±500kV天广直流极1换流阀误导通事件分析

李其书 梁云龙 林志明 朱星钊 罗鸿 叶吉春

（中国南方电网超高压输电公司天生桥局）

通过对天广直流极1换流阀的误导通情况对极控系统、VBE系统、TE板、换流阀及其运行环境等各方面进行分析，找出将极1操作至闭锁时导致出现换流阀出现误导通的原因，为今后高压直流输电系统运行维护提供经验。

高压直流；误导通；换流阀；极控；VBE系统

0 引言

换流阀是直流输电工程的核心设备，通过依次将三相交流电压连接到直流端得到期望的直流电压并实现对功率的控制。换流阀主要由晶闸管、阻尼电容、均压电容、阻尼电阻、均压电阻、饱和电抗器、晶闸管控制单元等零部件组成。其中，晶闸管是换流阀的核心部件，它决定了换流阀的通流能力，通过将多个晶闸管元件串联可得到希望的系统电压，晶闸管的触发方式分为电触发和光触发两种。

1 事故经过

2014年7月14日以及2015年5月18日、21日、27日，天广直流系统发生了4次换流阀误导通事件，4次事件换流阀异常导通均是发生在直流极1由备用状态操作至闭锁状态过程中。事件发生后，针对换流阀出现异常误导通的可能性，分别从极控系统、VBE系统、换流阀TE板、阀厅温湿度等方面开展研究，最终找出导致换流阀出现异常误导通的根本原因，故障信息见表1～表2。

表1 故障时天生桥站SER信息

表2 故障时对端广州站SER信息

2 故障真实存在的判断及异常导通回路

异常导通时两站所有直流电流测量点电流基本一致，且与天生桥站阀侧交流线电流包络线一致，故判断测量系统无故障，异常导通的故障状态真实存在，两站异常导通时录波如图1～图4所示。

图1 异常导通时天生桥站星型换流变交流侧电流

图2 异常导通时天生桥站角型换流变交流侧电流

图3 异常导通时天生桥站直流高压侧IdH电流

图4 异常导通时天生桥站α角采样

天生桥站三相IacD和IacY均有正负电流，并且电流与正常运行时基本一致，可以明确：在备用至闭锁过程中，晶闸管按照正常控制顺序导通，整个过程维持了10个周波。

由备用转为闭锁命令发出后，进线开关2033合上，天生桥站极1换流阀随即导通。从波形上看，广州站IDH、IDL、IDN与天生桥站采样值一样，说明两站极1导通形成回路，如图5所示。

图5 异常导通时极1电流回路

因此可以确定，天广直流在天生桥站极1由备用至闭锁操作过程中，天生桥站换流阀按照正常顺序导通，导通后在广州站极1形成了电流通路。故障最大电流达到4500A，持续约200ms后由两站交直流过流保护动作跳闸。

3 极控系统解锁流程及逻辑分析

3.1 备用到闭锁流程

如图6所示，将极1操作至闭锁状态前，首先应该满足闭锁准备就绪条件：①极1处于连接状态（05105、0010、00102合位，051057、001027分位）；②极1直流场状态对应正常（大地、金属回线或OLT大地回线方式接线）；③极1阀冷却系统正常；④极1换流变分接头处于初始位置；⑤极1已在备用状态或极1备用顺控未执行或极1闭锁顺控未执行；⑥顺控自动模式。

图6 极1闭锁准备就绪条件

1）在极1满足上述闭锁准备就绪条件后，运行人员才能发出极1闭锁状态指令。闭锁指令发出后，换流变冷却器启动，交流进线开关2033合上，换流变充电。本次事件中，极1闭锁命令发出前，闭锁准备就绪条件已满足。

2）极控检测到换流变交流侧三相电压任一相电压＞150.144kV，发UNDERVOTTAGE MODE OFF给VBE系统，VBE开放对阀的监视功能，反之禁止对阀任何监视功能。

3）极控PCP检测到换流变阀侧星型三相电压、角型三相电压中的最大值大于0.8pu，即184kV，极控通过硬接线发CB-ON信号给VBE系统，VBE收到极控系统发来的这两个信号后，报“UNDERVOLTAGE MODE OFF”及“HV BREAKER CLOSED”信号，启动阀自检模式。

4）阀自检时，VBE发送阀检测信号至TE板，TE板检测到阀无故障后会向VBE发送回报信号，当VBE收到所有TE板返回的信号均正常，则产生VALVE_ CHECK_OK（阀自检正常）信号给极控系统。

本次事件中，VBE系统未报出“HV BREAKER CLOSED”信号，但不排除其启动了自检模式，可能的条件：极控误发CB-ON信号给VBE系统且VBE系统未能报出“HV BREAKER CLOSED”信号。

5）极控系统收到VBE系统发送的VALVE_CHECK_ OK时，同时满足以下条件时极1即完成闭锁状态指令，进入闭锁状态：①极1进线刀闸合位；②极1已充电；③极1闭锁顺控指令；④极1高压端已连接；⑤极1低压端状态正常（大地回线或金属回线或OLT大地回线方式接线）；⑥极1换流变冷却系统运行；⑦极1阀冷系统运行；⑧极1直流滤波器已连接。

本次事件中，在进线开关合上后，极控检测到换流变交流侧三相电压至少有一相大于150.144kV并发送给VBE系统，VBE系统收到该信号并报出“UNDERVOTTAGE MODE OFF”，持续63ms后消失并再次进入低电压模式。而极控中CB-ON信号的发出有1.1s的延时，极控程序未能发出该信号给VBE系统，VBE也未报“HV BREAKER CLOSED”信号。

结合SER和录波可以看出，2033合闸后短时间内电压大于150kV，但由于阀被异常导通，触发角过大，无功消耗大，220kV交流场电压过低，最低达70kV。

3.2 闭锁到解锁流程

直流进入闭锁状态后，极控将对直流系统进行自检，确认是否满足RFO状态（Ready For Operation）的缩写，即极进入准备解锁运行的状态，图7为极控满足RFO的判定条件：

图7 天生桥站极1 RFO判断逻辑

换流变已充电时间超过10s（不满足）；极处于闭锁状态（不满足）；交流滤波器可用；无保护禁止解锁信号；电流指令正常（大于180A）；直流滤波器已连接；阀冷却系统正常；闭锁顺序未发出中止起动命令；保护未发出中止起动命令；接地极正确连接；直流场正确连接（必须在大地回线或金属回线方式）；与另一极整流侧/电流模式正确；与另一站模式进行比较（包括整流、逆变、联合、独立）；阀自检正常；（不满足）PCP系统正常；分接头位置正常；对站不在OLT。在极控系统RFO状态未满足之前，工作站无法操作解锁命令。

在极控系统站间通讯正常的情况下，当两站极控系统RFO满足后，主控站运行人员输入功率/电流爬升速率、功率/电流指令，解锁指令发出准备就绪。

双极极控在接收到解锁命令后，极控将发送CONV_ DBLK信号至VBE系统，并且将逐渐调整发送至VBE的触发脉冲角度，同时极控主机程序中解锁逻辑将确保逆变站在整流站之前解锁。逆变侧进入解锁流程后，将连接交流滤波器，极控发令逆变侧移相164度解锁，解锁状态指示信号出现200ms后解除移相命令。整流侧在接收到逆变侧已解锁状态指示后，整流侧投入交流滤波器，极控发出整流侧164度解锁，200ms后解除移相命令，触发角由164°开始减小，直流电压开始上升。

综上分析，在正常情况下，在备用状态将极转为解锁过程中，当换流变进线开关合上后，按时间的先后顺序，监控后台及VBE应依次报出以下信号：

2033合上；极1充电（UNDERVOLTAGE MODEOFF ）；HV BREAKER CLOSED（VBE）；START OF VALVE CHECK（VBE）；VALVE CHECK O.K. （VBE）；阀自检正常 （PCP）；极1 进入闭锁状态（DCC）；解锁运行状态准备就绪（PCP）；极解锁（PCP）。

本次事件中，除了头两个信号，其他信号均未产生。按照极控正常的顺控流程，本次换流阀的异常导通肯定不是极控系统发出的控制命令，因为导通条件完全不满足，因此排除极控系统故障或误发控制命令的可能。

4 VBE系统流程及逻辑分析

VBE系统由六个晶闸管控制单元（TC）、一个晶闸管监测单元（TM）、一个电源单元及相关的继电器组成。主要功能为：接收极控触发信号，同步触发每个阀内各晶闸管；监视阀及相应TE板的运行，并与TE板进行信息交换；监测阀避雷器；阀漏水监测。

图8 VBE系统结构图

其中A1～A6为晶闸管控制单元（TC）模块，其功能为接收来自极控的触发信号，触发晶闸管，实现与TE板通信，监视晶闸管级的运行状态。A8为晶闸管监测单元（TM）模块，其功能为接收、处理晶闸管及换流阀状态信息，将其送至后台，同时还将其产生的跳闸信号送至直流控制保护系统。

TE板共七个模块，包括：光接收模块（接收来自VBE的触发脉冲)；光发射模块（向VBE发出回检信号、保护性触发信号等）；电压监视模块（监视晶闸管两端电压）；运算模块（收到VBE触发信号后进行处理，发出门极触发脉冲）；触发脉冲放大模块（将运算模块发出的门极触发脉冲进行放大）；BOD模块（晶闸管正向过压保护性触发）；供电模块（从阀组中取电供TE板使用）。

图9 TE板功能模块示意图

TE板保护性触发电路并联在晶闸管两端，监视晶闸管电压，在达到一定电压限定值时触发晶闸管，起到保护作用。

TE板保护性触发原理：为避免出现晶闸管过压损坏，阀控配置中均有保护性触发功能（BOD/BTC）。在天广直流中，保护性触发功能是由TE板提供的，如果来自VBE的光脉冲丢失，为防止对应的晶闸管由于过电压损坏，TE板检测阀两端的正向电压超过设定的保护值时，紧急保护触发该晶闸管。

如果TE板检测到晶闸管两端的电压超过7200V（允许范围是7200～ 7500V），TE板将发一个触发信号给晶闸管，并发一个该晶闸管保护性触发的信号给VBE。TE板在收到双触发脉冲后500μs内进行保护性触发检测，在这个时间内任何反馈给VBE的信号都认为是保护性触发信号。因为保护性触发的晶闸管的电压必须要上升到7200V，所以相应的阀导通比正常要延迟，此时，有比较大的直流分量流过换流变二次绕组，为了避免换流变线圈过热，在一个阀中如果有四个晶闸管保护性触发，VBE将闭锁相应的极。

本次误导通事件中，损坏的TE板基本确定为保护性触发的供电及储能回路。由于晶闸管导通时间不完全一致，存在一部分晶闸管先导通，少部分未导通的晶闸管两端承受了很大电压，依靠保护性触发进行了导通。故障发生时，较晚导通的晶闸管两端产生了大电压，由于C58电容管脚间爬电距离不足，导致C58电容拉弧放电造成烧毁。

5 阀厅环境对于换流阀运行的影响

换流阀作为将交流电转换为直流电的核心元件，对于运行环境的要求非常严格，不仅对于运行的环境温度、湿度有严格说明，从运行经验上看，整个阀厅的洁净度对于换流阀及其附属控制单元影响也十分巨大。

表3 换流阀运行环境参数

在此次停电检修期间，换流站内均为阴雨天气，空气湿度比较大，加上检修过程中需要多次开启阀厅大门，致使外面粉尘大量进入阀厅，阀厅空气环境恶化，不满足TE板对运行环境的要求，致使BTC回路动作电压降低，以致在换流变充电过程中出现换流阀误导通现象。

6 结论及建议

1）通过此次换流阀误导通采集数据及现场检查情况，结合极控系统、VBE系统、换流器及其组件动作原理及过程进行梳理，未发现极控系统、VBE系统存在导致换流阀误导通的可能性。

2）通过TE板仿真计算，加压实验以及对BTC动作电压门槛值进行EMTDC仿真，发现天广直流换流变充电过程中四次换流阀异常导通的原因为：天广直流TE板设计存在缺陷，未采取防污秽及防潮措施，长时间运行后TE板表面污秽严重，在高湿度环境下，造成BTC回路动作电压降低，导致换流变充电过程中换流阀误导通。

3）在检修过程中注意检测阀厅空气的湿度，湿度过高时采取必要除湿措施，降低阀厅空气湿度，同时计划好物资的搬运工作，尽量减少开启阀厅大门的次数，以免粉尘进入阀厅。

4）明确TE板运维要求，定期对TE板进行清扫、除污，保证TE板表面干净。

5）将此次换流阀误导通情况通知相应厂家，在设计环节充分考虑TE板防污秽及防潮措施，以免在出现类似原因的误导通事件。

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2016-09-25）