一起風機電源故障引起的調相機跳閘事故分析

摘要：針對某特高壓換流站TTS-300-2型調相機由于風機電源故障，引發調相機勵磁系統故障，使得調變組保護A、B屏保護動作，造成調相機跳閘的事故，分析了風機電源發生故障的原因，并提出了相應的改進措施。

關鍵詞：調相機;風機電源;勵磁系統

0 引言

當電網系統運行時受到大的擾動，會造成換流站母線電壓大幅波動，濾波器等無功補償裝置無法及時向系統提供所需的動態無功補償，導致換流閥換相失敗，進而導致直流系統閉鎖，危及電網系統的安全、穩定運行。調相機具有容量大、可靠性高、動態維持電壓能力強等特點，能夠通過強勵向電網提供大量的動態無功功率，從而保證電網系統的安全、穩定運行。

1 事故簡介

1.1 ? ?設備異常情況

某特高壓換流站TTS-300-2型2號調相機勵磁系統報文顯示風機故障、整流柜退出、勵磁系統故障，調變組保護A、B屏開關量保護動作，調相機并網開關5102斷路器分閘，滅磁開關跳閘。

該換流站2號調相機為上海電氣生產的TTS-300-2雙水內冷調相機，勵磁系統生產廠家為德國西門子，調變組保護A屏為南瑞繼保生產的PCS-985QG保護屏，調變組保護B屏為北京四方生產的CSC-300保護屏。

1.2 ? ?事故發生前系統運行方式

該換流站1、2號調相機處于正常運行方式，1號調相機5101處于開關合位，2號調相機5102開關處于合位，2臺機勵磁系統均為自并勵運行方式。某日00：14接網調通知，調整泰州換流站交流系統電壓至520 kV;01：30左右，泰州換流站交流系統電壓由524 kV調整至520 kV，1號、2號調相機為深度進相運行狀態。

1.3 ? ?事故現場檢查情況

1.3.1 ? ?調相機DCS后臺報文

（1）02：06：23，調相機DCS后臺報文顯示“2號機勵磁系統風機停運1”“2號機勵磁系統風機停運2”“2號機主勵磁系統總報警1”“2號機主勵磁系統總報警2”;

（2）02：06：30，風機停運7 s后，DCS后臺報文顯示“2號功率柜故障1”“2號功率柜故障2”;

（3）02：06：31，風機停運8 s后，DCS后臺報文顯示“2號勵磁B通道為運行通道”;

（4）02：06：44，風機停運21 s后，調相機DCS后臺報文顯示“2號機調變組保護B開關量4保護開入（勵磁故障）”“2號機調變組保護A開關量4保護開入（勵磁故障）”“2號機調變組保護A-保護跳閘”“2號機調變組保護B-保護跳閘”“2號機主勵磁系統故障1”“2號機主勵磁系統故障2”;

（5）02：06：45，調相機DCS后臺報文顯示“2號機調變組保護A保護啟動”“2號機調變組保護A開關量4保護動作”“2號機調變組保護A跳高壓1側斷路器”“2號調變組保護A跳滅磁開關”“2號調變組保護A跳SFC”“2號調變組保護A開關量啟動”“2號機調變組保護B保護啟動”“2號機調變組保護B開關量4保護動作”“2號機調變組保護B跳高壓1側斷路器”“2號調變組保護B跳滅磁開關”“2號調變組保護B跳SFC”“2號調變組保護B開關量啟動”“5102斷路器保護PCS921AG保護啟動”。

1.3.2 ? ?調變組保護

2號調相機調變組保護A、B柜保護跳閘指示燈亮，保護報文顯示“開關量4保護動作”，出口跳高壓側并網開關5102斷路器及勵磁系統滅磁開關。

1.3.3 ? ?勵磁系統

現場檢查風機/風壓開關、馬達斷路器、電源切換接觸器和繼電器、端子等風機相關回路及器件外觀，檢查結果無異常。勵磁調節器報警畫面顯示：（1）02：06：23.584，報風機故障;（2）02：06：30.876，報整流1、2柜故障，調節器自動切換至備用通道;（3）02：06：38.284，備用通道仍然報風機故障;（4）02：06：45.592，報整流1、2、3柜故障，發勵磁系統故障聯跳令。

2 事故原因分析

2.1 ? ?勵磁系統風機電氣回路與邏輯

西門子勵磁系統共有3臺功率柜，每臺功率柜有2個風機互為備用，6臺風機電源全部取自同一條400 V母線，3個功率柜共用1個電源切換裝置，切換裝置向上接2路電源，一路取自勵磁變低壓側（調相機機端電壓），經過熔絲再通過隔離變變為400 V，作為主用電源;另一路取自調相機站用電400 VⅡ段，作為備用電源。主用電源回路配有電源切換繼電器（低電壓動作值360 V，返回值365 V，延時0.1 s），當監測的主用電源回路電壓正常時，接觸器Q05吸合，Q06分開;當主回路電壓異常，電源切換繼電器動作，則Q05分開，Q06吸合，主回路電壓恢復至返回值以上時，再切回至主電源，西門子勵磁系統風機供電回路如圖1所示。由于該回路中3臺功率柜僅有1臺電源切換裝置，當主電源發生故障，同時電源切換裝置發生故障時，會導致3臺功率柜全部退出，引發調相機跳閘。

每臺風機對應一個風壓開關，當風機運行后，風壓變大，功率柜風壓開關動作，AVR控制器判斷風機運行正常;當風機停運時，主控制器在檢測到風壓開關為零并持續7 s后切換到備用風機，若備用風機風壓開關為零且持續7 s，則發出整流橋報警信號，并切換通道至備用控制器;備用控制器同樣檢測一遍風壓仍未恢復，勵磁系統則報嚴重故障，發跳閘指令。

根據調相機DCS后臺事件報文，結合AVR控制器就地告警信息可以判斷，2號機組勵磁系統風機停運，引起勵磁整流柜退出，導致勵磁系統發勵磁系統故障跳閘指令，調變組保護收到跳閘開入量后，保護出口跳機。

導致風機停運的原因可能有：風機電源丟失、風機自身故障、風機壓差檢測開關故障、通風回路堵塞等，而此次故障的6臺風機全部停止，可排除風機本體、壓差檢測開關、通道回路、濾網堵塞等引起故障的可能性，檢查重點應為風機共有的電源回路。故障前由于機組進相運行，機端電壓只有18.88 kV，經過兩級降壓后，理論上主回路電源電壓為377.6 V，但由于勵磁變低壓側電源受整流諧波等擾動影響，再加上電源切換繼電器精度影響，初步分析可能會導致電源切換繼電器動作，造成2路電源來回切換。

2.2 ? ?現場檢測試驗情況及分析

現場檢查風機、風壓監視開關、馬達斷路器、電源切換接觸器和繼電器、端子等風機相關回路及器件外觀，結果無異常。通過對電源切換繼電器進行單體校驗，動作電壓動作值、返回值均正確，接觸器動作行為均正確。

采用站用電電源就地手動逐個啟動6臺風機，檢查風機轉向、啟動及風壓監視等反饋，檢查結果均正常，無異響及反轉情況，可見風機本身無故障，作為備用電源的站用電回路正常。

拆掉電壓切換繼電器與主回路連接，使用繼電保護儀輸出三相電壓至電壓切換繼電器，更改電壓切換繼電器低電壓定值為180 V（繼保儀單相最高輸出120 V），在不啟動風機的情況下校驗該電壓切換繼電器低電壓動作值為157 V，返回值為182 V，且2路電源的接觸器（Q05、Q06）切換正常，可以證明電壓切換繼電器及切換功能都正常。

使用調壓器模擬機端電壓降低的實際工況。首先把電壓切換繼電器低電壓定值恢復至360 V，調壓器3路電壓接至電壓切換繼電器，只啟動1臺風機，將調壓器輸出電壓由400 V逐漸降低，當電壓調整至切換電壓動作定值為360 V左右時，電壓切換繼電器動作，風機從主電源切至備用電源，此時主電源由于甩負荷變空載，電壓回升至367 V左右，滿足切回主電源的條件（切回動作定值365 V），風機從備用電源回切至主電源，主電源電壓降低，重復切換動作行為。由于切換動作延時僅0.1 s，經過反復的高速切換，最后主備風機電源接觸器卡在中間位置，無法吸合，2路電源均丟失，風機發生故障退出。

將電源切換繼電器延時由0.1 s修改為1.0 s，主電源返回切換電壓值由365 V提高到380 V，重復上述試驗，在主電源電壓下降及上升過程中，由于返回切換電壓值提高，躲過了主電源受擾波動電壓范圍，且切換周期延長后，電壓切換繼電器動作可靠性提高，主備接觸器未高速反復切換，風機切換均穩定且啟動與反饋正常。

3 事故結論

根據故障報文波形分析和繼電器、風機、回路檢查結果，并通過外接調壓器進行風機加壓、降壓試驗模擬故障時的工況可知，故障發生時機組為進相運行狀態，機端電壓、勵磁變低壓側電壓降低，導致風機電源主回路電壓降低至電源切換臨界值附近（電源切換臨界值為360 V，切回臨界值為365 V），機端電源受整流諧波、風機啟停（風機啟動時電流較大，會使有阻抗的載流元件壓降增大，反之風機停止電流為零時電壓升高）等因素擾動，電壓在切換和切回臨界電壓值附近波動，電源切換繼電器反復來回快速切換后，導致電源切換接觸器卡死在中間位置（試驗時重現了該現象），無法吸合，導致2路電源均丟失，6臺風機全部停轉，功率柜隨之全部退出，從而跳機。

綜上可知，風機主電源在進相時易受機端電源等因素擾動，風機電源切換繼電器低電壓動作值設置偏大、返回值偏小、延時設置過小是造成此次跳機事件的直接原因。此外，風機回路設計未實現完全獨立冗余，存在單一元件故障導致跳機的風險。

4 改進措施

（1）機端電壓在進相時會顯著降低，導致風機供電不穩定，建議將風機電源改為2路站用電，不再采用機端電源。

（2）西門子勵磁系統風機電源切換回路無冗余，存在單一元件故障導致系統跳機的風險，建議風機1使用主電源，風機2使用備用電源，風機切換功能通過PCS-9425實現，低電壓動作值320 V，延時1 s，每個功率柜內2臺風機電源回路實現完全的獨立冗余。

5 結語

本文通過分析某調相機勵磁系統風機電源出現故障的原因，找出了勵磁系統風機電源切換回路及電源配置中存在的設計缺陷，提出了相應的整改措施，提高了調相機勵磁系統風機電源的可靠性，對后續調相機工程建設具有一定的借鑒意義。

收稿日期：2020-08-27

作者簡介：高春（1990—），男，福建福清人，助理工程師，研究方向：電力運行。