换流站选相分合闸装置误动故障案例分析

2018-12-19徐晟

新型工业化 2018年10期

徐晟

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东广州 510000）

0 引言

在换流站发展中引入了选相合闸装置，希望通过装置来降低合闸过程中的过电流以及过电压，通过这种方式来提高断路器的寿命，而且对于整个电力系统的稳定性而言也具有重要作用。但是在选相分闸装置于换流站的应用中也存在一些问题，经常出现故障问题，误动故障是典型代表。因此分析换流站选相分合闸装置误动故障并剖析其原因，提出应对改进策略十分必要，也具有重要意义。本文进行研究的过程中，以某换流站选相分合闸装置的运行状况为案例进行分析。

1 某换流站选相分合闸装置运行状况及误动故障分析

某换流站5053开关跳闸（5051和5052开关根据方式安排在冷备用状态），500 kV 1#站用变失电，10 kV备自投动作，由103 M带101 M运行，交流负荷未受影响，直流系统运行在5000 MW。

图1 SER信号Fig.1 SER signal

监控系统频发5053开关选相合闸装置故障信号，运行现场检查上述时段内开关选相合闸装置故障不停在进行重启，重启过程中有所有指示灯瞬时点亮的情况，5053开关跳闸，5053跳闸期间无保护跳闸信号[1]。检修人员到现场后，选相合闸装置运行指示灯常亮（正常应闪烁），对其面板菜单进行操作，发现其已死机。

图2 装置运行状况图Fig.2 device operation diagram

将现场故障装置仅提供工作电源上电运行，发现装置能够正常启动运行。但在经过连续数个小时的通电运行，装置出现类似现场的异常自动复位现象，同时出现定值出错及参数出错等异常事件，并且装置出现死机、液晶及按键无法正常工作的情况[2]。此检测异常现象与装置在现场的异常工况一致。

图3 监视系统监控情况图Fig.3 Monitoring system monitoring situation map

在装置上电运行及复位期间，为检测装置分合闸出口情况，采用示波器分别接入A 相分闸及合闸出口监视，BC 相的分合闸出口分别接入测试盒监视，监视均具备出口捕获自动保持功能。在接下来的监视过程中，未采集到装置异常出口情况。

2 某换流站选相分合闸装置误动故障分析

2.1 自动复位原因分析

装置出现频繁自动复位故障的原因有两个：一是装置电源板故障；二是装置系统板故障。装置供电可靠性直接影响工作稳定性，对于装置电源插件的故障，一般出现内部供电电压不稳定时会导致装置复位或无法上电，但不会出现定值、参数出错等异常情况。此外，将返厂装置的电源板件更换到另外一台正常装置拷机未出现复位情况，而返厂装置在更换正常的电源板拷机后数小时即复现自动复位现象[3]。因此，故障点定位进一步明确为系统板。

装置上电启动后，首先会将存贮在系统板掉电不丢失存储器件中的应用软件拷贝至速度更快的SDRAM 存储芯片中运行。应用软件运行初始化时，将装置参数、定值从掉电不丢失存储器件中复制到SDRAM 中，理解为装置软件代码及定值、参数在运行时均从SDRAM 中获取。

当软件运行代码出现错误时，会使代码执行指令出错，CPU 会产生指令出错中断，程序进入死循环，导致硬件看门狗触发装置复位，复位时重新启动后如果仍然出现异常，则再次触发复位[4]。当存储参数定值的存储单元出错时，装置定值、参数数据载入SDRAM 芯片时的检测工作无法完成，装置会出现定值出错或参数出错记录。

当软件运行数据出现错误时，如果此时只有极少量的SDRAM 存储单元出错，CPU 软件的大部分模块还能够正常运行。结合装置的程序实现及事件记录报定值、参数出错等异常情况分析，可以确定装置出现的频繁自动复位现象是系统板的SDRAM 存储芯片失效导致的[5]（图4 中红色框内芯片）。

图4 异常板件Fig.4 Abnormal board

2.2 芯片故障原因分析

结合上述异常现象及装置检测结果分析，可以确定装置异常复位的原因是SDRAM芯片损坏引起。经咨询装置选用的SDRAM芯片是SAMSUNG公司推出的成熟产品，在电力及工业领域广泛应用。但即便是工业级或军工级的电子元器件，也不可避免存在老化失效问题，而且即便是同一批次的芯片，也因为制造过程、运行环境及日常维护等因素表现出不同的失效周期。

此过程是无法通过常规的检测手段提前获知的。而且这种品质变化一般是由良好到失效的累积过程。考虑到装置已经出厂并运行有近9 年时间，且在此期间基本是持续带电运行状态，导致系统板的SDRAM 芯片进入工作可靠性下降的失效周期。

2.3 硬件出口与5053 开关异常动作分析

3YL装置控制回路出口采用继电器串接MOSFET的方式完成分合闸控制。控制芯片由可编程逻辑器件选通，CPU系统进行控制，选相不动作时为内部闭锁状态。MOSFET采用专用的隔离驱动芯片进行隔离，继电器采用光耦隔离。三相操作通过三个独立的模块进行控制[6]。装置合闸回路示意图如图5所示。

系统在上电CPU初始化阶段，CPLD将关闭控制芯片的选通信号。控制芯片处于闭锁状态，不会响应CPU指令。

图5 装置合闸回路示意图Fig.5 Schematic diagram of the device closing circuit

2.4 软件控制与5053 开关异常动作分析

2.4.1 开入板件异常

排除计划内操作情况，如外部启动信号异常或装置硬件开入板件异常，均能够使装置采集到有效的合闸启动信号，出现计划外合闸的可能，但由此方式动作时装置会产生相应的动作事件记录。但现场返厂装置进行开入信号采集测试结果正常，且无动作事件记录。

2.4.2 数据采集异常

如果是由于SDRAM异常，导致采集信息出现从0到1的变化，装置能够进行合闸控制。但此现象只适用于单个开入信号上升沿启动的情况，且保留有动作事件记录。现场装置采用双开入可靠同步启动方式，分别检测合闸启动、合闸启动校验等4个启动信号。需要合闸启动及校验信号从0到1变化，再从1变化为0的过程后才认为启动命令有效。因此，由芯片异常而导致采集信号变化误启动的可能性极小。

2.4.3 软件执行异常

芯片异常后导致合闸命令数据变化或指令正好跳转至合闸出口执行的分析如下：假设SDRAM异常，使得CPU极低概率下跳至出口指令，由出口控制过程可知，硬件出口设计是由继电器和MOSFET串联，必需二者均有效接通的情况下，控制出口才有效，并且这只是一相出口接通的可能。程序是基于实时嵌入式操作系统和高级语言开发的，只要CPU和存储器有轻微的数据错误，马上会导致软件系统崩溃，从而进入异常处理中断触发装置复位或死机[7]。

根据以上推论，3YL装置在SDRAM出现异常时，CPU很快就会进入异常中断函数，呈现死循环状态。在这种情况下，能够误发合闸命令的概率是极低的，但从客观上讲也不能够完全排除。另外的情况是SDRAM失效的初始阶段，此时只有极少量的存储单元出错，CPU软件的大部分模块还能够正常运行[8]。如个别关键存储单元出现错误，包括硬件出口设计中自动复位时电压波动、参数变化影响因素，尽管概率不高，但会有一定概率导致装置误出口，此时设计的对策主要是参考保护装置控制双重化方式，进行软硬件系统的冗余设计。

2.5 小结

2.5.1 装置异常自动复位原因

经检测分析确定，现场3YL 装置频繁自动复位原因，是由于系统板的SDRAM 存储芯片损坏所致。装置所采用的SDRAM 设计和芯片选型方案早已被电力行业和工控行业广泛采用，现场出现的损坏为工程个例。

2.5.2 装置故障与5053 开关计划外动作关联度分析

由于硬件故障后装置持续运行的时间较长，且装置的控制出口没有做到完全旁路处理，时间及故障的积累效应对装置保持其运行可靠性是不利的。因目前暂未捕捉到故障装置的出口信号，后续将继续跟踪，因装置出口回路当前设计方式可能在故障时频繁复位期间，因内部电压波动、元件参数特性变化等因素，目前不排除异常出口的可能。

3 换流站选相分合闸装置误动故障整改措施及建议

3.1 故障应对措施措施

要求选相合闸装置厂家对更换下的选相合闸装置进行测试，明确故障原因。

经过测试之后，明确了装置异常复位原因。但尚未重现装置误出口原因，后续将继续开展相关检查工作。

在厂家未明确装置故障原因前，为防止再次出现选相分合闸装置故障导致开关跳开的异常情况，开关复电后将采取将选相合闸装置打至旁路且拆除分合闸出口接线的临时措施，该措施不影响保护跳闸功能。

3.2 整改措施

3.2.1 增加压板整改

智能选相合闸装置旁路功能仅隔离开入功能回路，未对出口回路进行旁路或隔离。后续将结合现场实际情况，考虑对换流站智能选相分合闸装置的分合闸出口回路增加压板的整改方案[9]。

3.2.2 改进独立双系统控制方式

为避免装置在出现硬件故障或运行异常时可能引起误出口，参考保护装置控制双重化方式，进行软硬件系统的冗余设计，对国立智能装置进行下述优化：增加选通板插件，使装置由单系统控制方式变化为独立双系统控制方式[10]。

图7 装置优化方案图Fig.7 Device optimization plan

3.3 换流站选相分合闸装置误动故障整改与运维建议

图6 增加压板整改图Fig.6 Increase the platen rectification chart

（1）在新改扩建工程中要求选相分合闸装置在投旁路功能时，必须同时有隔离分合闸出口接线的措施（增设压板或通过把手隔离）。

（2）充分研究各类型设备选相分合闸装置功能投入需求，并在新改扩建工程中应用。

针对选相合闸装置开展各站点运行规程的修编，明确运规中必须包含选相分合闸装置的故障处置流程如下：①电源故障，则检查电源的空开是否合上；若没有合上，则应隔离分闸出口回路后再试合开关；试合不成功或空开在合上位置，则联系检修人员处理。②当进行断路器合闸操作时，若因负荷对侧无电压、电流互感器T3无电流等原因导致运行灯不亮或选相分合闸装置自身有问题，导致无法操作时。应立即停止操作，排除装置以外一、二次设备无异常，通过选相分合闸装置“投入/退出切换把手”将装置退出，即实现旁路功能，对应断路器的操作可根据现场实际要求和上级指示确定是否不通过选相分合闸装置直接出口命令。故障排除后根据规定或者上级指示再确定是否将装置投入。③若要对选相分合闸装置装置所控设备及其相关设备进行加压注流试验，尤其是对小组交流滤波器做注流试验，必须先将该小组滤波器对应断路器的选相分合闸装置装置退出，将其旁路。目的是为了防止选相分合闸装置装置误判该断路器的位置状态，待加压注流试验结束后再投入选相分合闸装置装置。④当选相分合闸装置发生频繁重启、复位以及死机情况，应第一时间通过选相分合闸装置“投入/退出切换把手”将装置退出，然后将装置电源断开。⑤为避免误出口，装置上电前，应断开装置分合闸出口压板（若有）或临时解除分合闸接线，在进行装置上电。上电后装置运行正常后，经万用表测量分合闸出口压板（若有）或临时解除分合闸接线无正电位才允许将接线恢复。