特高压换流站直流隔离开关烧蚀分析及改进

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(1.国家电网公司运行分公司宜宾管理处，四川 宜宾 644000； 2.国家电网公司西藏电力公司检修公司，西藏 拉萨 850000)

0 引 言

直流隔离开关是直流输电开关电器中使用最多的一种电器，它本身的工作原理及结构比较简单，但是由于使用量大，工作可靠性要求高，对特高压换流站的设计、建设和安全运行均影响较大[1]。复奉、锦苏、宾金三大特高压直流工程，其直流隔离开关分、合位信号全部由操作机构辅助开关接点给出，隔离开关分、合操作行程85%时，辅助接点转换给出信号，其接点信号的正确性直接影响到直流输电运行方式的判别，直流运行方式的正确与否直接导致控制模式及保护功能的改变[2-3]。

特高压某换流站巡检时发现某隔离开关触头有烧蚀痕迹，其主要是由于该隔离开关未完全合到位，控制系统却收到了该隔离开关的合位信号，导致该路断路器合闸时通流回路有大电流流过，从而使该隔离开关存在拉弧现象。在此背景下为了保证隔离开关一次状态与二次返回信号一致，使直流隔离开关满足“在额定电流及动、热稳定电流的位置时发出合闸信号”的条件[4]，对换流站内相关直流隔离开关接点进行了相应的改进。

1 隔离开关烧蚀情况分析

1.1 故障情况

2016年3月23日，特高压某换流站运行人员巡检过程中发现直流场中性区域金属回线转换隔离开关03001触头有异常痕迹，检修人员即进行了现场检查，发现：该隔离开关拐臂无损伤，水平度良好；隔离开关下部支柱瓷瓶外观无破损，垂直度在正常范围内；隔离开关机构箱内部无异常；隔离开关两侧触头部位发现明显烧蚀痕迹，如图1所示。因隔离开关烧蚀严重，通流接触面受损，已不具备合闸运行能力，需要对隔离开关触头进行更换。

图1 隔离开关触头烧蚀情况

1.2 故障分析

一般情况下，触头烧蚀的主要原因是在隔离开关操作过程中发生拉弧放电，造成隔离开关触头烧蚀。而拉弧放电造成触头损伤的常见原因包括隔离开关合闸不到位，触头之间接触不紧密，产生拉弧放电；带负荷分、合隔离开关等[5]。金属回线转换隔离开关03001主要在单极大地回线运行工况下承载大电流，如图2所示。而在此运行工况下巡检中并未发现拉弧、发热现象，可以排除触头之间接触不紧密引起触头烧蚀的情况。因此主要考虑此隔离开关在进行操作过程中可能发生拉弧放电的情况。

隔离开关03001为西安西电高压开关有限公司生产的ZGW1-150型直流隔离开关，其电动操作机构使用辅助开关提供分合位信号，其中分位信号使用常闭接点，合位信号使用常开接点。如图3所示，操作机构由分闸位置到合闸位置运行时，辅助开关常开接点在0%～85%行程范围内为常开，85%～100%为常闭；常闭接点在0%～15%行程范围内为常闭，15%～100%为常开。

图3 辅助开关行程

由上述可知，在隔离开关合闸过程中，其仅到达行程85%位置就已经送出合位信号，控制系统判定此隔离开关处于合闸位置。由金属回线转大地回线顺控过程可知，控制系统判定隔离开关03001与隔离开关03002均处于合位，若在执行运行方式转换前隔离开关01001或隔离开关02001已经处于合位、断路器0600已经处于分位，将会执行下一步合上断路器0300。软件内与断路器0300合闸相关的逻辑如图4，在金属回线转大地回线过程中，软件逻辑中断路器0300在收到隔离开关03001、隔离开关03002合位信号后将无延时立即合上。

图2 直流输电接线

图4 金属回线转大地回线顺控逻辑

由于隔离开关03001合闸时间为8±1 s，而断路器0300合闸时间仅为54 ms左右，由图2可知在隔离开关03001实际未合闸到位时断路器0300已经合闸。极中性母线此时已经与接地极连通，隔离开关03001的触头尚未完全接触情况下流过大电流拉弧放电，最终造成触头烧蚀。

2 辅助开关取分合位信号隐患分析

高压交流隔离开关和接地开关的国家标准中规定“除非动触头分别到达其合闸或分闸位置，并满足位置可靠性，否则不应该发出合闸和分闸位置指示和位置信号”[6]，而高压直流隔离开关和接地开关的国家标准中并没有明确规定位置指示和位置信号的准确性。

目前隔离开关所用操动机构的辅助开关与其输出轴通常都是直连的，如图5所示，即输出轴转动的角度也是辅助开关转动的角度，这样可以为后台提供准确可靠的分合闸位置信号。以输出角度为90°的操动机构为例，理想状态下，操动机构刚好转动90°，隔离开关也刚好到达准确的分合闸位置，这种情况下，辅助开关可以做到100%的位置信号反馈。但在工程应用中，往往是操动机构转动90°，隔离开关并未到达分合闸位置，这就需要对操动机构的输出角度进行调整，以保证隔离开关准确到达分合闸位置，通常调整角度在90°±10°。如果辅助开关切换角度为90°，则很有可能在分合闸位置不能发出正确的位置信号，因此如图6所示，其分合闸位置只能是一个范围，通常为30°才能保证提供分合闸信号的准确性。

西开公司、阿海珐公司、平高公司生产的直流场隔离开关均采用辅助开关取分合位信号方案，而辅助开关为保证可靠性，均留有部分裕度，在隔离开关行程的85%～90%就会送出分合位信号。

辅助开关取分合位信号方案，在一次设备未到位时就送出分合位信号，对设备安全稳定运行有重大隐患，对一次设备本身及直流保护系统的安全稳定运行有严重影响。

图5 隔离开关及辅助开关结构

图6 辅助开关时序

2.1 对一次设备的影响

在合闸过程中，若未合闸到位，送出合位信号，控制系统判定隔离开关已经合闸，而一次设备还未拥有安全通过额定电流及动、热稳定电流的能力，可能造成隔离开关触头的烧蚀，引起隔离开关发热、操作寿命减少甚至触头烧毁。

2.2 对保护系统的影响

1)误判运行方式导致保护误退出

单极金属回线方式下误判运行方式将使整流站双极保护系统内3套金属回线纵差保护(MRLDP)、逆变站双极保护系统内3套金属回线接地保护(MRCGFP)、金属回线横差保护(MRTDP)退出运行，导致金属回线无主保护运行。站内接地极运行时，误判运行方式将导致双极保护系统内3套站接地过流保护(SGOCP)与后备站接地过流保护(BUSGOCP)退出运行，导致站内接地极无保护运行。

双极控制系统中金属回线指示的判定涉及多个直流场断路器与隔离开关的分合位指示。如图7所示，金属回线指示需同时满足断路器0400合位(整流站)、隔离开关04001合位、隔离开关81202与隔离开关01002合位(极Ⅰ金属回线运行)、隔离开关81201与隔离开关02002合位(极Ⅱ金属回线运行)。

以金属回线纵差保护(MRLDP)为例，金属回线纵差保护投入，即“金属回线纵差保护使能(MRLDP_ENABLED)”信号为1，这需要“金属回线指示(MR_IND)”为1，因此，任一隔离开关的分合位信号不准确，都可能导致保护系统误判运行方式，相应保护退出运行。

2)保护定值选择错误

隔离开关分合位信号不准确可能导致极保护系统内3套接地极开路保护(ELOCP)定值选择错误，有误动闭锁直流风险。

如图8所示，极保护内接地极开路保护(ELOCP)，

需要利用“金属回线指示(MR_IND)”信号和是否为整流站选择保护定值。相同的，任一“金属回线指示(METALLIC_RETURN_IND)”判据隔离开关的分合位信号不准确，都可能引起动作定值、输入量选择错误造成保护误动。

3 隔离开关辅助接点改进

接点改进主要为弃用原辅助开关的分合位信号，在隔离开关操作机构箱内增加限位开关，在隔离开关完全运行到位时送出分合位信号，保证分合位信号的准确性，消除隐患。

以西安西电高压开关有限公司隔离开关改进为例，改造前隔离开关分、合位信号均由辅助开关给出，辅助开关在分、合闸行程85%即给出分合位信号，如图9所示，其中SP1为分闸限位开关，SP2为合闸限位开关。限位开关采用LX19K型行程开关，行程开关有一对常开接点和一对常闭接点。当分合闸未到位时，相应限位开关在受压状态，常开接点闭合，常闭接点断开。

改造后不再使用辅助开关提供分闸、合闸信号，改为使用限位开关提供分合位信号，如图10所示。每台隔离开关机构箱新增两个行程开关。其中送入A套系统的分位、合位信号使用原有行程开关未使用的常开接点，与分合闸限位信号互异；送入B套系统的分位、合位信号使用新增行程开关的常开接点。相应地，将压住行程开关的挡板加长。

图7 金属回线指示判定逻辑

图8 金属回线指示判定逻辑

图10 改造后限位开关

图11 三重化改造前后

改造完成后，对所有隔离开关多次进行操作试验。首先进行就地操作，确保改造完成的隔离开关可完全分闸到位、合闸到位，分合闸状态下送出的分合位信号正确可靠；再进行远方分合闸试验，确保改造后的隔离开关远控功能正常，同时利用Hidraw检查直流控保软件内隔离开关分合位指示与现场一次设备状态一致。最后，在金属回线转大地回线过程中，使用摄像机摄录金属回线转换隔离开关03001分合闸过程，多次回看录像，未发现明显的拉弧放电现象，改造效果良好。

另外，由于现有直流保护用隔离开关分合闸指示通过控制主机送入保护系统，因此，主机控制系统内隔离开关分合闸指示错误，将同时导致3套保护系统内保护误动作、误退出或误选定值，不满足三重化冗余配置的要求。因此，可对接入保护系统的隔离开关分合位信号进行三重化改造。如图11所示，3套保护系统独立采集隔离开关分合位信号，保证

每套保护系统信号回路的独立，以满足三重化冗余配置要求。

4 结 语

通过对换流站金属回线转换隔离开关03001在操作过程中发生拉弧放电，导致触头烧蚀的缺陷分析，查找到隔离开关触头烧蚀的原因为使用85%行程的辅助开关，在隔离开关未完全合闸到位情况下即送出合位信号，造成隔离开关触头拉弧烧蚀。并分析了此类隐患可能对一次设备以及直流控制保护系统的影响；同时简述了可行的解决方案，并且用于实际改造，改造效果良好，为国内其他换流站提供了借鉴。