高壓直流斷路器充電故障分析

高鐵峰 馬天逵

0 引言

換流站的直流側和交流側均裝設有斷路器，其中直流斷路器主要負責直流電流的轉換或開斷，起到故障切除、運行方式轉換以及檢修隔離等目的[1-3]。充電裝置作為直流斷路器的重要組成部分，一旦發生故障，會直接導致直流斷路器無法正常開斷直流電流，甚至會影響直流系統運行方式轉換[4]。本文介紹了直流斷路器充電裝置的基本原理，以某換流站為例重點分析了充電裝置故障產生的原因及其可能導致的后果。

1 直流斷路器充電裝置基本原理及測控回路

充電裝置本質上是一個小型的整流濾波電路。其輸入為230 V交流電，輸出為20 kV左右的直流電。充電過程由充電測控回路實現。首先測量直流斷路器電容器兩端的電壓并逐層上送至極控制保護系統（PCP），將測量值與設定值進行比較，當測量值低于設定值時，PCP下發充電指令。指令經直流場終端柜（DFT）內的PS853板卡送至直流斷路器的充電機控制箱，吸合箱內的對應繼電器K1-K4，充電機啟動，給電容器充電。當電容器兩端電壓達到設定值后，充電停止。

2 故障原因分析

查看直流斷路器充電裝置故障告警的控制系統Hidraw邏輯回路圖可知[5]，發出“P WN Q1 Charging Voltage Faulty”事件需滿足以下3個信號均為0，即：P WN Q21 CLOSED IND、P WN Q22 CLOSED IND和P WN Q1 CHARGING DEVICE OK，如1所示。

以極1為例，WN Q21和WN Q22分別為直流接地刀閘001007和001027，直流系統正常運行時兩把刀閘均在拉開狀態，因此P WN Q21 CLOSED IND和P WN Q22 CLOSED IND信號為0。如發出0010開關充電壓低告警，說明此時第三個信號為0，即0010電容器端口電壓小于4.5kV，隨后發出WN Q1 CAPACITOR VOLTAGE INCREASE指令，即電容器充電指令。見圖1中輸出信號14。只有對電容器充電至電壓大于5.5kV時，告警才能復歸。

3 故障后果分析

如圖1所示，0010開關儲能電容器端口電壓低時會產生兩個信號：1．WN Q1 CAPACITOR VOLTAGE INCREASE為1，即電容器充電指令；2．P WN Q1 CHARGING DEVICE OK為0，即充電裝置異常信號。下面對第二個信號即充電裝置異常可能引起的各種后果進行詳細分析。

3.1 對中性線開關可用性及允許分閘的影響

圖2為中性線開關可用性邏輯圖，給出了0010開關可用（P_WN_Q1_OK）和0010開關允許分閘（P_WN_Q1_PERMIT_OP EN）兩個重要信號的判定條件。其中，“0010開關可用”的判定條件是開關的控制方式、SF6壓力、油壓等情況，以及充電裝置正常，即P WN Q1 CHARGING DEVICE OK信號為1。“0010開關允許分閘”的判定條件還包括了極閉鎖信號、0010開關閉鎖信號，以及中性線電流值和直流線路電壓值。

通過對圖2邏輯的分析還可看出，當IDNE中性線電流小于2 500 A時，充電裝置異常不會導致0010開關不可用或不允許分閘。反之若IDNE中性線電流大于2 500 A，充電裝置異常會導致0010開關不可用同時不允許其分閘操作。

進一步分析，當正常極閉鎖后進行極隔離操作時，極閉鎖信號為1，IDNE絕對值也會小于2 500 A，此時直流線路電壓低于參考值15 kV。如果0010充電裝置故障，“P WN Q1 OK”和“P WN Q1 PERMET OPEN”信號仍然為1，0010開關為可用狀態且允許拉開。因此可得出以下結論：正常極閉鎖并進行極隔離操作，0010開關充電裝置故障不會對0010開關操作有影響。

3.2 特殊情況下引起另一極功率回降

通過繼續查找P WN Q1 CHARGING DEVICE OK的信號路徑，發現該信號為0還將引起另一極功率回降，如3所示。OPEN SW RUNB TOP為另一極功率回降，該信號出口必須同時滿足以下4個條件：0010開關分閘順控指令、0010開關為合閘狀態、0010開關充電裝置故障和IDNE絕對值大于等于1 450 A。由此可見，在極1閉鎖后，在IDNE仍大于1 450 A的階段，在執行順控拉開0010開關時，若充電裝置存在故障，則會導致極2的功率回降。

進一步對0010開關分閘順控指令進行分析，邏輯如圖4所示。可見要輸出0010開關分閘順控指令只需滿足以下三種條件之一即可：0010開關手動分閘命令、0010開關分閘命令、NBSF給0010開關的分閘命令。

圖1 0010開關充電故障HiDraw回路圖

圖2中性線開關可用性邏輯圖

圖3功率回降邏輯圖

下面分別對三個條件進行分析。條件一：向前尋找“0010開關手動分閘命令”的來源，如圖5所示，可知直流斷路器手動分閘指令的必要條件之一為0010允許分閘。由上述分析可知，當IDNE小于2 500 A時，0010允許分閘，條件一可以滿足；大于2 500 A時，0010不允許分閘，條件一不滿足。

條件二：向前尋找“0010開關分閘命令”的來源，如圖6所示。路徑1：極閉鎖后，IDL小于60A，則順控拉開極母線刀閘，之后執行拉開0010開關。當IDL大于60A時，UDL小于15 kV，則執行大電流拉開0010開關指令，發出0010分閘命令。路徑2：“IDNE HIGH”指的是IDNE大于300A且IDL小于60 A，極隔離過程中，發出0010分閘命令。因此，不論IDNE為何值條件二均滿足。

條件三在NBS能拉開但無法隔離電流時才起作用，不在本文討論范圍內。

綜上，不論IDNE為何值，P WN Q1 OPEN SEQ信號均為1。因此，在極1閉鎖后，IDNE仍大于1 450 A條件下，在執行順控過程中需拉開0010開關時，若充電裝置存在故障，則會導致極2的功率回降。

對以上分析進行總結，隔離過程中根據極母線電流IDL和中性線電流IDNE的大小，0010開關充電裝置異常會導致不同的后果。IDL＜60 A時，充電裝置異常不影響正常極隔離。IDL＞60 A時存在三種情況：IDNE＜1 450 A時，極母線電流下降到60A后拉開極母線刀閘；1 450 A＜IDNE＜2 500 A時，引起極2功率回降，極母線電流下降到60 A后拉開極母線刀閘；IDNE＞2 500 A時，將導致0010開關不可用，無法正常拉開，影響極隔離順控。

對于0010開關狀態分閘順控指令中的手動分閘和NBSF狀況引起功率的功率回降的狀況與P WN Q1 OPEN ORD類似，不再贅述。

4 結語

本文簡要介紹了直流斷路器充電裝置的基本原理，在此基礎上歸納了直流斷路器充電裝置的故障原因。進一步分析了故障可能導致的后果，即正常極閉鎖并進行極隔離操作，0010開關充電裝置故障不會對0010開關操作有影響；在特定情況下可能影響極隔離順控操作或引起另一極功率回降。為換流站的充電裝置故障原因分析和排除提供了技術見解。

圖4 0010開關順控邏輯圖

圖5 0010電機分閘指令

圖6 0010開關分閘指令