500kV长清变电站测控装置故障分析

赵书楠 吕天光

1.山东电力超高压公司 山东 济南 250021；2.山东大学电气工程学院 山东 济南 250002

1 故障概述

4月13日下午2时27分左右，山东500kV长清变5022、21F、22F开关跳闸，监控系统后台显示5042、5022、5023、500kV母线、220kV1A2A母线、长文线、母联I、石长Ⅲ线、长兴Ⅱ线、长许I、长许Ⅱ线、22F、1号2号所变、35kV2母线共计14台测控装置信息异常，显示为双位置信号错误。我方人员现场通过检查后台事件记录，发现伴随5022、21F、22F开关跳闸，后台报“直流总屏绝缘一故障”、“直流总屏控母Ⅰ段电压异常”、“直流总屏控母Ⅰ段负母线绝缘降低”、“直流瞬间接地”信号。经过现场测控屏检查现把故障表象列出，如表1所示。

经过现场检查情况，发现D25测控装置遥信模块大面积出现故障，随即调用库存，在现场更换故障的D25装置遥信模块。监控系统5042、5022、5023、220kV1A2A母线、长文线、母联Ⅰ、石长Ⅲ线、长兴Ⅱ线测控装置恢复正常运行；现场发生第二次开关跳闸事故。

22时58分左右，现场5021、5022、21F、22F四个开关跳闸，监控系统长文线、分段21F、分段22F、长许Ⅱ线测控装置电源直流空开跳开；现场空开合上时，发现有直流接地的现象，具体情况见下表2：

表1 站内第一次故障跳闸时测控装置故障情况表

表2 站内第二次故障跳闸时测控装置故障情况表

2 现场检查

在现场两次开关跳闸后，发现长文线间隔在第一次更换了遥信模块后，再次出现遥信模块被损坏的现象，故重点对长文线间隔两次出现异常情况进行检查，通过电源测试和对装置遥信外回路进行绝缘检查，发现该间隔的遥信模块存在故障，更换故障的遥信模块后，长文线测控装置恢复正常运行。之后对长许I线、长许Ⅱ线、分段22F、1号2号所用变、35kV母线、500kV母线间隔进行故障恢复，现场所有测控装置恢复正常运行。

在现场的故障装置恢复正常运行以后再次对剩余的间隔进行检测，发现5021、5031、220kV1B2B母线测控装置的遥信板发生故障，通过更换遥信回路保险后，故障恢复。

经过现场检查和初步分析：引起现场测控装置遥信模块大面积的被损坏，主要是由外部直流回路有强电串入所致；为了对现场故障原因有更加清楚的分析，故对现场长文线间隔的遥信模块和500kV母线间隔的电源模块进行严格检查测试，以便准确的分析故障原因。

3 硬件检测

1）硬件检测目的

（1）为了更加清楚的分析监控系统测控装置遥信模块大面积出现故障的原因，找出引起测控装置故障的原因；

（2）通过对测控装置故障硬件的故障原因分析，查找500kV长清变开关跳闸故障原因，制定防范措施，防止类似问题发生，保障电网安全稳定运行。

2）硬件检测对象

（1）500KV母线间隔测控装置电源模块；

（2）220KV长文线间隔测控装置遥信模块。

3）检测顺序

（1）电源模块检测

电源模块示意图，如图1所示。

图1 D25电源板示意图

根据上面测控装置的电源模块图，经过检测，测控装置D25电源模块被损坏的故障原因是：RV3/14V275压敏电阻出现损坏，用万用表测量电阻值为1100欧姆（正常为无穷大），更换压敏电阻后故障恢复。

（2）遥信模块检测

遥信模块示意图2所示。

根据下面测控装置的遥信模块图，经过检测，测控装置D25遥信模块被损坏的故障原因是：RV34/14V275压敏电阻出现损坏，用万用表测量电阻值为51欧姆（正常为无穷大），更换压敏电阻后故障恢复。

图2 D25遥信板示意图

4 故障原因定位及分析

1）遥信回路工作原理

遥信回路工作原理，如图3所示。

图3 D25遥信回路原理图

根据上面的遥信回路原理图，当遥信外部回路空接点闭合时，电流是从DC+出去，经保险F1→光电耦合器U→电阻R1→遥信接点→返回到DC-；光电耦合器U会输出一个信号给测控装置，产生SOE事件。

2）故障定位

根据压敏电阻的工作原理，结合压敏电阻的应用电子电路，引起压敏电阻烧坏的原因是电源模块和遥信模块信号回路的电压值超过了压敏电阻技术参数要求，并且持续时间较长。

3）压敏电阻（14V275）的工作原理及特性

压敏电阻器是利用半导体材料的非线性伏安特性而制成的一种电压敏感元件。图4给出了压敏电阻器的伏安特性曲线，可以看出，它是一条对称的非线性曲线当外加电压较低时，流过电阻的电流很小，压敏电阻器呈高阻状态；当外加电压达到或超过压敏电压Uc时，压敏电阻器的阻值急剧下降并迅速导通，其工作电流会增加几个数量级，从而有效地保护了电路中的其他元件不会因过压而损坏。

图4 压敏电阻器的伏安特性曲线

压敏电阻的等效电路，如图5所示。

图5 压敏电阻组成的等效电路

从图中可以看出，压敏电阻器的限制电压可由下式确定:Vc=VsZv/（Zs+Zv）， 式中：Vc限制电压；Vs-浪涌电压；Zv-压敏电阻器的阻抗，它可以从正常值的几兆欧降到几欧，甚至小于1Ω；Zs-电路总阻抗。从上式可见，Zv在瞬间流过很大电流时，瞬间过电压大部分降落在Zs上，而用电被保护电器得到的电压在其耐压之下，因而能起到保护作用。

压敏电阻器的工作特性曲线如图6所示，通过它可以更明确看出压敏电阻器对过电压的保护作用。直线段为电路总阻抗Zs所确定的负载线，曲线是压敏电阻器伏安特性曲线，两者的交点Q即为保护工作点，它对应的限制电压为Vc，它是使用了压敏电阻后加在用电器具上的工作电压。Vs为浪涌电压，它已超过了用电器具的耐压值Vl。加入压敏电阻后，工作电压V小于Vl，有效地保护了用电器具。

图6 压敏电阻器的工作特性曲线

4）电压叠加分析

根据上面图3，正常情况下DC-对大地的电压是直流-110VDC，DC+对大地之间的电压是+110V，DC+和DC-之间的电压保持在220VDC。如有交流220VAC从遥信回路串到DC-上时，会强行把DC-端的电平改变，这样DC-和大地之间的电压就变成了220VAC，如下图7所示：

图7 交流串入DC－时的控制系统电压波形图

因220VAC是交流电压有效值，所以DC-端对大地之间的电压最大为+310VDC，最小为-310VDC，是一个50Hz交变波形。由于这个电压的幅度没有超过压敏电阻14V275的承受电压，所以接在DC-和地线之间的压敏电阻（电源板上的RV2和遥信板上的RV37）不会损坏；由于DC+和DC-之间的电压是直流电源电压220VDC，所以DC+和大地之间的电压就变成两个电压的叠加，从波形上看就是把220VAC的波形往上抬高了220VDC，如下图8所示：

图8 交流串入DC＋时的控制系统电压波形图

从图8可以看出来，DC+对大地之间的负向最大电压为-90V，DC+对大地之间的正向最大电压为+530V，也是一个50Hz交变的波形，由于530V的电压已经大大的超过了压敏电阻14V275的承受电压，所以接在DC+和地线之间的压敏电阻（电源板上的RV3和遥信板上的RV34）会损坏，最后导致直流系统出现的正端接地。

同样的分析道理，如果220V交流电压是从遥信回路或电源模块的DC+串入，那么电源板上会直接将压敏电阻RV2烧坏，在遥信模块会直接将压敏电阻RV37烧坏，最后导致直流系统的负端接地。

5 检测结论

通过在现场排查和工厂检测的实际情况，对现场故障现象的分析总结，最终定位山东长清变D25电源模块和遥信模块故障均由遥信外回路串入高电压引起。

其预防措施如下：

1）加强对现场信号外回路监管，避免外部线路出现破损；

2）现场定期对直流回路进行检测和维护；

3）对220kV测控装置的遥信电源和装置电源进行隔离。

［1］张伯虎.电子元器件:性能检测应用［M］.北京：金盾出版社，2009.

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