云广特高压直流一起双极三阀组相继闭锁分析

邵震,袁鹏,林睿

(中国南方电网超高压输电公司,广州市,510405)

0 引言

2010年 8月 19日 12:56:10,楚穗直流双极功率由3 500 MW调整至3 750 MW过程中,穗东站极2的 2套直流测量系统因外部干扰而出现异常,时分复用(time division multiplexing,TDM)总线切换不成功,2套直流保护不可用造成极 2闭锁。穗东站极 2发出紧急停运(emergency shut off,ESOF)命令后47ms,楚雄站双极直流线路行波保护动作,极 2发出ESOF闭锁命令后64 ms,穗东站极1直流线路行波保护动作。从极 2闭锁与极 1线路保护动作的时间分析,满足“极控判断某极任 1阀组闭锁后 900 s内,不允许另1极直流线路重启”的条件,造成双极闭锁。本次事故造成云南、广东 500 kV交流断面大幅越限,楚雄换流站稳控装置动作,切除小湾电厂 3台机组和天二电厂 2台机组。

1 事故过程分析

故障时逆变侧电压电流波形参见图1和图 2故障录波图。

第1阶段,12:56:10.244～254,穗东站极2直流测量系统因极1的直流线路遭受雷击(已找到线路雷击故障点)而出现异常,由于测量数据通过交叉冗余配置的 2套 TDM总线送至直流保护、极控等系统,穗东站极 2直流保护系统、极控系统随即多次判断TDM总线异常,并启动TDM总线切换。

第2阶段,12:56:10.258,因 2套极测量系统均故障,穗东站极 2直流保护系统1、2判断TDM总线1、2均故障,穗东站极 2极控启动 ESOF,投入旁通对;12:56:10.307,楚雄站极 2极控收到来自穗东站的ESOF请求,并启动极2高、低端阀组闭锁顺序。

第 3阶段,穗东站极 2投入旁通对期间,两侧线路保护动作。12:56:10.315,楚雄站极2直流保护系统1、2行波保护动作。12:56:10.334,穗东站极1直流保护系统1、2行波保护动作;12:56:10.409,穗东站极2投入旁通对后,电压突变量保护动作。12:56: 10.343,楚雄站、穗东站极 1极控监视功能启动闭锁(根据稳定控制措施,极控判断某极任 1阀组闭锁后900 s内,不允许另 1极直流线重启)[1]。

本次楚穗直流双极相继闭锁事故为极1线路遭受雷击后,因 2极导线同塔架设,线路间存在较强感应电压,导致极 2线路电压出现短暂波动,并导致测量屏内的 2套测量装置受到干扰,极 2的 2套保护判断测量系统均不可用,从而造成极 2闭锁。极 1线路遭受雷击后,行波保护启动并开始检测保护动作的 3个判据是否同时满足,在故障开始后的几十 ms内,因电流电压频繁波动,保护动作判据尚无法完全满足;在极 2闭锁移相过程中,保护判据满足,极 1线路行波保护动作,闭锁极 1。同时满足“极控判断某极任 1阀组闭锁后 900 s内,不允许另 1极直流线重启”的条件,最终造成双极三阀组相继闭锁。

2 云广特高压直流测量系统简介

云广特高压直流测量系统[2]每侧包括公用测量、极测量、高端阀组测量、低端阀组测量四个部分。

每部分测量系统的模拟量输入包括:光纤信号输入、100 V(或1 A)电信号输入;100 V(或1 A)电信号端口为换流变电流互感器(current transformer,CT)电流量和电压互感器(phase voltage transformers,PT)电压量输入,直流滤波器CT电流量输入。100 V(或1 A)电信号通过电流电压变换模块变成 ±10 V的弱信号送入测量板卡IM 5。光纤信号输入端口为直流场线路电流、中性线电流、直流电压等通过OPTO5传感器及光纤通道至光测量板卡LO5。

每部分测量系统的模拟量输出包括:TDM总线输出(光纤)、±10 V的LO5模拟量输出(电缆)。±10 V模拟量输出端口由测量数据输出到安稳系统(暂未使用)。

TDM总线输出为测量数据通过光纤将测量数据送到直流保护系统、极控系统、故障录波系统及其他测量系统。光纤端口不受电磁干扰的影响,换流变CT和PT等交流量输入端口受直流线路扰动影响较少。针对本次穗东站在线路电压扰动时测量系统故障,重点分析与直流系统联系密切的直流滤波器的交流量输入端口对测量系统的影响。

3 干扰原因分析

3.1 干扰路径分析

在本次故障中,直流滤波器电流发生畸变,如图 3所示。直流滤波器高压侧差电流(DC filter current high voltage side DIFF,IFHD)[3]通过OPTO5光接口模块分别接入测量系统1和测量系统2,OPTO5安装在直流场电流互感器接口箱,该信号不会引入电磁干扰。

图3 故障时刻直流滤波器相关电流录波Fig.3 Current recording of DC filter at fault occurring time

直流滤波器高压侧和电流[3](DC filter current high voltage side SUM,IFHS)及低压侧电流[3](DC filter current low voltage side,IFL)通过1 A的模拟电流信号分别接入测量系统 1和测量系统 2,在测量屏内通过电流电压变换模块接入测量机箱,该信号回路是引入电磁干扰的可能回路。

测量系统1和测量系统2通过交叉冗余的TDM总线与 2套直流保护系统连接,如图 4所示。

当直流滤波器主回路出现大的穿越性电流时,在CT二次回路感应出成比例的电流(图 5中横向箭头),该电流经长电缆到达测量系统屏柜的T11电流电压变换模块,这个突变的电流在 T11模块上感应出 1个很强的电磁场,通过传变、耦合及空间电磁场对测量系统产生干扰,通过极 2测量系统 1和系统 2的测量板卡IM 5(在测量机箱的-D01插槽)的模拟量输入端口感应进来,导致 TDM总线信号出现短时的干扰,受到短暂干扰的 TDM总线信号又引起了多个光纤测量通道的永久性中断,测量系统1(=22Q00+ Q1)的3个通道,测量系统2(=22Q00+Q2)的5个通道报故障,2套极测量系统均不可用,导致极 2的ESOF。

图4 直流滤波器电流输入回路图Fig.4 Diagram of current input circuit of DC filter

图5 直流滤波器电流回路干扰途径图Fig.5 Current circuit EM I path chart of DC filter

3.2 仿真验证

常规500 kV直流线路故障时的实时数字仿真装置(real time digital simulator,RTDS)仿真试验波形如图6所示。在直流线路故障时,直流滤波器回路存在很大的穿越电流,与本次故障时直流电压电流波形相似。

图6 仿真录波Fig.6 Transient recording of simulation

4 电流电压变换模块抗干扰性能测试

电磁干扰通常分为传导干扰和辐射干扰[4-5]。从上述分析可以看出,穗东换流站极 2测量系统的电流电压变换模块对测量系统的干扰存在多个干扰途径,其中传导干扰和辐射干扰最终导致电流电压变换模块性能改变,因此有必要对电流电压变换模块的抗传导干扰和抗辐射干扰性能进行测试。

4.1 传导干扰测试

(1)直流滤波器上流过较大的浪涌电流,通过与CT相连的电缆通过电流电压变换模块变换后进入测量机箱,电流电压变换模块原理图如图 7所示。通过测试,在电流电压变换模块 1—3端口、4—6端口、7—9端口分别加入 15 A电流时,均可以产生最大为11 V的瞬时电压,超过最大工作电压。

图7 电压电流变换模块原理图Fig.7 Princip le diagram sof current and voltage converter module

(2)阀厅避雷器可能存在入地电流,造成与地网连接的电缆屏蔽层出现电位差,进而在电缆缆芯和屏蔽层间感应出较大电位差,也会导致较大传导干扰进入测量机箱。基于计算,在阀厅避雷器存在500 A入地电流时,在电缆缆芯和屏蔽层间可以产生 80 V的电压。通过测试,在电流电压变换模块1-S端口、4-S端口、7-S端口分别施加这一电压时,均可以产生超过 10 V的瞬时电压,超过最大工作电压,如图 8所示。

图8 二次屏柜侧电缆缆芯与屏蔽层间电位差Fig.8 Potential differences between secondary cable core and shielding layer on the side of cubicle

传导干扰产生的接入测量机箱的瞬时电压虽然远低于一般电子设备信号端口可以耐受的电磁兼容水平,但有可能造成测量软件逻辑混乱,该类故障可通过将装置断电重启即可消除。

4.2 辐射干扰测试

(1)电流电压变换模块通过电流时会产生空间辐射场。通过测试,在电流电压变换模块 1—3端口、4—6端口、7—9端口分别施加 15 A电流时,可以产生超过13 V/m的瞬时电场强度,超过IEC 61000-4-6标准允许的电子设备允许耐受射频干扰水平(10 V/m)。

(2)在测量系统内的导线会产生空间辐射场,导线距离近时互感产生的感应电压也可能较大,这也是辐射干扰的原因之一。

5 穗东换流站二次接地网存在问题

采用带有屏蔽层的控制电缆且将屏蔽层接地是抑制电磁干扰有效手段[6-9],文献[10]对穗东换流站二次接地网存在问题进行了分析,存在最主要的问题是各继保室和主控室接地铜网均直接与一次地网多点连接,并未将继保室和主控室接地铜网连接后通过1点与一次地网连接。而在《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》中对保护屏抗干扰作了明确规定:保护屏柜下部应设有截面不小于100mm2接地铜排,屏上设有接地端子,并用截面不小于4mm2的多股铜线连接到该接地铜排上,接地铜排应用截面不小于50 mm2的铜缆与保护室内的二次接地网相连。装设静态保护的保护屏间应用专用接地铜排直接连通,各行专用接地铜排首末端同时连接,然后在该接地网的 1点经铜排与控制室接地网连通。

在与施工单位、设计院沟通后得知,原先国内厂家保护屏柜到场后,屏柜内接地铜排通过绝缘子与保护屏柜隔离,这样的设计是符合反措要求的。但许继、西门子相关的保护屏柜内的接地铜排没有与保护屏柜通过绝缘子隔离,造成屏柜二次接地铜排与一次接地网多点连接。设计院为让站内所有保护屏柜二次保护屏柜接地统一,取消了国内厂家保护柜内绝缘子,让二次接地铜排与保护屏柜直接相连。这样的结果直接导致二次接地与一次接地混用,不符合反措要求,增加了保护动作的不确定性。

6 结论

辐射干扰、传导干扰超过了 IEC标准规定的电子设备允许值,均是造成本次故障的可能原因,建议目前的解决方案如下:

(1)针对电流电压变换模块引起的辐射干扰,为2套测量系统的电流电压变换模块加金属壳的方案,防止辐射干扰对测量机箱的影响。从长远考虑,电流电压变换模块采用铁壳,铁壳上使用网状散热孔,模块内各绕组间加网状金属隔板,实现避免对外辐射和内部绕组相互干扰的目的。

(2)针对电流电压变换模块引起的传导干扰,为2套测量系统的电流电压变换模块输入端口加入低通滤波器,使得传导干扰不会进入测量机箱。

(3)最终解决方案建议将电流电压变换模块放在就地,变换之后增加OPTO5测量模块,将测量量通过光纤送至LO5,但该方案需要在测量机箱内增加LO5板卡、在就地增加OPTO5和光纤通道,但工作量较大。

(4)对测量系统屏柜内部电缆走线进行整改,屏柜内电流电压变换模块的输入与输出电缆放在不同的线槽内,使输入回路远离输出回路。

(5)穗东换流站二次接地铜网按反措要求进行改造,提高二次设备抗干扰能力。

[1]CSG Technology Research Center.Pole control C/P design specification of Yunnan-Guangdong line±800 kV DC transm ission project[R].Guangzhou:CSG Technology Research Center,2007.

[2]CSG Technology Research Center.DC measuring C/P design specification of Yunnan-Guangdong line±800 kV DC transm ission project[R].Guangzhou:CSG Technology Research Center,2007.

[3]CSG Technology Research Center.DC protecion and DC filter protection C/Pdesign specification of Yunnan-Guangdong line±800kV DC ttransmission project[R].Guangzhou:CSG Technology Research Center,2007.

[4]卞先彬,杨文英,徐乐,等.延时继电器电磁辐射干扰分析[J].通用低压电器,2009(11):14-16.

[5]朱宏涛,杨文英,王淑娟,等.传导干扰对电磁继电器工作特性的影响分析[J].江苏电器,2008(6):5-10.

[6]刘帆,陈柏超,卞利钢.变电站二次电缆屏蔽层接地方式探讨[J].电网技术,2003,27(2):63-67.

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[10]邓光武,汪洋,周翔胜,等.穗东换流站二次设备接地方式的改进研究[J].南方电网技术,2010,4(2):75-78.