魯西站廣西側柔性直流橋臂功率模塊旁路跳閘事件分析及整改措施

摘 要：針對魯西流站調試運行期間發生的一起廣西側柔性直流橋臂功率模塊旁路數量超出冗余數量造成直流跳閘的事件，根據廣西側柔性直流閥塔功率模塊結構，水冷結構，分析了事件的原因，對柔性直流閥塔水冷系統設計提出了整改建議，以避免類似事件再次發生。

關鍵詞：魯西換流站；柔性直流；功率模塊

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.008

0 引 言

魯西背靠背直流工程是南方電網公司重點工程，是目前世界上首次采用柔性直流與常規直流組合模式的背靠背工程，柔直單元容量達1000兆瓦，直流電壓達±350千伏，電壓和容量均為世界最高水平。工程率先采用柔性直流加常規直流組合模式。柔性直流是新一代的直流輸電技術，較常規直流控制更為靈活，電能質量更高，配套換流站占地更小。工程最終規模3000兆瓦，本期建設1×1000兆瓦常規直流單元+1×1000兆瓦柔性直流單元。工程2015年3月正式開工，2016年8月30日建成投運。

1 跳閘過程

2016年08月21日11時20分，常規直流帶負荷1000MW，柔性直流帶10MW解鎖；11時24分，魯西換流站在進行調度遠方控制柔性直流功率升降試驗，柔性直流下達500MW功率命令，功率變化率為100MW/min；11時29分，柔性直流帶負荷500MW，常規直流500MW運行。2016年08月21日11時54分，廣西側柔性直流C相上橋臂旁路模塊個數迅速由1個上升至31個，廣西側柔性直流閥控系統發“跳閘：CU模塊故障數過多 出現”，±350kV換流單元三由解鎖狀態轉為備用狀態。

2 廣西側柔性柔性直流系統介紹

±350kV/1000MVA柔性直流輸電換流閥，每個橋臂由 468個MMC功率模塊組成，其中有30個為冗余功率模塊，整個換流閥6個橋臂共2808個功率模塊，單個功率模塊的直流側電容額定電壓為1.6kV。在系統滿足輸送1000MW有功功率的同時，還具有300Mvar （即30%無功支持）無功輸出能力。功率模塊是換流閥的核心元件，主要由IGBT、電容器，旁路晶閘管，旁路真空接觸器，高位自取能電源，電壓傳感器、PMC（功率模塊控制板卡），底板、鈑金支撐件、水冷板、外殼等組成。閥段主要是由工字梁、水管、光纜槽及6個功率模塊組成。每個閥塔有4層，每層有4個閥段。柔直廣西側閥塔進出水方式為二進二出，共30個閥塔。每個閥塔設置了單獨的內冷水進出水檢修閥門。

3 事故原因分析

根據功率模塊結構及其工作原理，某一功率模塊發生故障時將其旁路，而其余模塊繼續工作；功率模塊晶閘管觸發電路的電源來自功率模塊內部電容C，當功率模塊發送故障后，經過一定時間晶閘管驅動電路將無法獲得電能，同時，當功率模塊發生故障后，兩只IGBT均被閉鎖，功率模塊輸出的電壓取決于電流方向且無法控制，因此需要加入快速開關，以實現功率模塊旁路。 旁路開關采用不可逆機械開關（開關時間小于5ms）。

2016年08月21日11時54分，廣西側柔性直流C相上橋臂旁路模塊個數迅速由1個上升至31個，閥控上報文全部為IGBT1過流故障。檢查確認C相上橋臂31個子模塊旁路全部為可靠旁路，用功率模塊測試儀對故障的模塊進行測試顯示為下管IGBT損壞。針對上述情況進一步檢查發現，由于C相上橋臂1號閥塔（CU-1）冷卻內冷水的出水管檢修閥門沒有打開，C相上橋臂1號閥塔的冷卻內冷水無法正常循環，功率模塊無法正常散熱，功率模塊發熱造成下管IGBT損壞，造成模塊旁路，8月21日11時51分41秒至11時54分04秒期間，功率模塊共被旁路31個，達到跳閘個數，柔性直流閉鎖跳閘。

4 整改建議

原因調查清楚后，是由于運維人員在廣西側柔直換流閥進行消缺后未按照設備運行的正常狀態開啟閥塔的內冷水出水閥門導致該閥塔運行后無法散熱，最終導致功率模塊損壞，柔性直流閉鎖跳閘。魯西換流站廣西側共有30個閥塔，30個閥塔間水路連接采用并聯設計，每個閥塔采用2進2出的DN50管道，每1條管道均配置了檢修閥門。

現場閥冷運行數據，進閥流量230L/S，進閥壓力0.38MPa，回水壓力0.16MPa。魯西站廣西側共有30個并聯閥塔，單個閥塔壓損較小，如其中一個閥塔進出水閥門未打開或閥塔堵塞，無法從閥冷運行數據上進行判斷。在大型停電定檢、消缺后難免存在人為未打開閥塔的冷卻水進出水閥門，造成類似的直流閉鎖，設備損壞的事件。提出如下整改方案。

方案一：魯西站廣西側閥廳管路設計時，閥塔進出水處預留有儀表閥門和接口，為了減少現場工作量，方便現場對運行壓力進行觀察，在每個閥塔進出水的管道上安裝壓力表，每個閥塔共安裝4個壓力表，儀表安裝于下圖中法蘭接口位置。正常工作時，每個閥塔的進出水壓力差基本一致（即流量基本一致），當壓力差降低或上升時，說明閥組運行流量偏小，需要檢修維護。

方案二：在每個閥塔進出水的管道上安裝一個壓差表，每個閥塔共安裝2個壓差表，儀表安裝于法蘭接口位置。正常工作時，每個閥塔的進出水壓差值基本一致（即流量基本一致），當壓力差降低或上升時，說明閥組運行流量偏小，需要檢修是否正常。

方案三：在每個閥塔進出水蝶閥上安裝一件行程開關，可檢測閥門檢測狀態，當閥門開關時，能作出相應的提示，當閥門不在開位狀態時可報警，可5個閥塔作為一組信號進行上傳。

參考文獻：

[1]魯西換流站運行規程[M].興義：南方電網超高壓輸電公司天生橋局，2016.

[2]魯西換流站廣西側柔性直流換流閥維護手冊[M].西安：西安西電電力系統有限公司，2016.

作者簡介：郝良收（1987-），男，山東菏澤人，本科，助理工程師，研究方向：高壓直流系統運行維護，主要從事電力系統高壓直流系統運行維護。