一起風(fēng)機(jī)電源故障引起的調(diào)相機(jī)跳閘事故分析

摘要：針對某特高壓換流站TTS-300-2型調(diào)相機(jī)由于風(fēng)機(jī)電源故障，引發(fā)調(diào)相機(jī)勵磁系統(tǒng)故障，使得調(diào)變組保護(hù)A、B屏保護(hù)動作，造成調(diào)相機(jī)跳閘的事故，分析了風(fēng)機(jī)電源發(fā)生故障的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：調(diào)相機(jī);風(fēng)機(jī)電源;勵磁系統(tǒng)

0 引言

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)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(bǔ)償裝置無法及時向系統(tǒng)提供所需的動態(tài)無功補(bǔ)償，導(dǎo)致?lián)Q流閥換相失敗，進(jìn)而導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖，危及電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。調(diào)相機(jī)具有容量大、可靠性高、動態(tài)維持電壓能力強(qiáng)等特點，能夠通過強(qiáng)勵向電網(wǎng)提供大量的動態(tài)無功功率，從而保證電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

1 事故簡介

1.1 ? ?設(shè)備異常情況

某特高壓換流站TTS-300-2型2號調(diào)相機(jī)勵磁系統(tǒng)報文顯示風(fēng)機(jī)故障、整流柜退出、勵磁系統(tǒng)故障，調(diào)變組保護(hù)A、B屏開關(guān)量保護(hù)動作，調(diào)相機(jī)并網(wǎng)開關(guān)5102斷路器分閘，滅磁開關(guān)跳閘。

該換流站2號調(diào)相機(jī)為上海電氣生產(chǎn)的TTS-300-2雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)，勵磁系統(tǒng)生產(chǎn)廠家為德國西門子，調(diào)變組保護(hù)A屏為南瑞繼保生產(chǎn)的PCS-985QG保護(hù)屏，調(diào)變組保護(hù)B屏為北京四方生產(chǎn)的CSC-300保護(hù)屏。

1.2 ? ?事故發(fā)生前系統(tǒng)運行方式

該換流站1、2號調(diào)相機(jī)處于正常運行方式，1號調(diào)相機(jī)5101處于開關(guān)合位，2號調(diào)相機(jī)5102開關(guān)處于合位，2臺機(jī)勵磁系統(tǒng)均為自并勵運行方式。某日00：14接網(wǎng)調(diào)通知，調(diào)整泰州換流站交流系統(tǒng)電壓至520 kV;01：30左右，泰州換流站交流系統(tǒng)電壓由524 kV調(diào)整至520 kV，1號、2號調(diào)相機(jī)為深度進(jìn)相運行狀態(tài)。

1.3 ? ?事故現(xiàn)場檢查情況

1.3.1 ? ?調(diào)相機(jī)DCS后臺報文

（1）02：06：23，調(diào)相機(jī)DCS后臺報文顯示“2號機(jī)勵磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)停運1”“2號機(jī)勵磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)停運2”“2號機(jī)主勵磁系統(tǒng)總報警1”“2號機(jī)主勵磁系統(tǒng)總報警2”;

（2）02：06：30，風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)停運21 s后，調(diào)相機(jī)DCS后臺報文顯示“2號機(jī)調(diào)變組保護(hù)B開關(guān)量4保護(hù)開入（勵磁故障）”“2號機(jī)調(diào)變組保護(hù)A開關(guān)量4保護(hù)開入（勵磁故障）”“2號機(jī)調(diào)變組保護(hù)A-保護(hù)跳閘”“2號機(jī)調(diào)變組保護(hù)B-保護(hù)跳閘”“2號機(jī)主勵磁系統(tǒng)故障1”“2號機(jī)主勵磁系統(tǒng)故障2”;

（5）02：06：45，調(diào)相機(jī)DCS后臺報文顯示“2號機(jī)調(diào)變組保護(hù)A保護(hù)啟動”“2號機(jī)調(diào)變組保護(hù)A開關(guān)量4保護(hù)動作”“2號機(jī)調(diào)變組保護(hù)A跳高壓1側(cè)斷路器”“2號調(diào)變組保護(hù)A跳滅磁開關(guān)”“2號調(diào)變組保護(hù)A跳SFC”“2號調(diào)變組保護(hù)A開關(guān)量啟動”“2號機(jī)調(diào)變組保護(hù)B保護(hù)啟動”“2號機(jī)調(diào)變組保護(hù)B開關(guān)量4保護(hù)動作”“2號機(jī)調(diào)變組保護(hù)B跳高壓1側(cè)斷路器”“2號調(diào)變組保護(hù)B跳滅磁開關(guān)”“2號調(diào)變組保護(hù)B跳SFC”“2號調(diào)變組保護(hù)B開關(guān)量啟動”“5102斷路器保護(hù)PCS921AG保護(hù)啟動”。

1.3.2 ? ?調(diào)變組保護(hù)

2號調(diào)相機(jī)調(diào)變組保護(hù)A、B柜保護(hù)跳閘指示燈亮，保護(hù)報文顯示“開關(guān)量4保護(hù)動作”，出口跳高壓側(cè)并網(wǎng)開關(guān)5102斷路器及勵磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)。

1.3.3 ? ?勵磁系統(tǒng)

現(xiàn)場檢查風(fēng)機(jī)/風(fēng)壓開關(guān)、馬達(dá)斷路器、電源切換接觸器和繼電器、端子等風(fēng)機(jī)相關(guān)回路及器件外觀，檢查結(jié)果無異常。勵磁調(diào)節(jié)器報警畫面顯示：（1）02：06：23.584，報風(fēng)機(jī)故障;（2）02：06：30.876，報整流1、2柜故障，調(diào)節(jié)器自動切換至備用通道;（3）02：06：38.284，備用通道仍然報風(fēng)機(jī)故障;（4）02：06：45.592，報整流1、2、3柜故障，發(fā)勵磁系統(tǒng)故障聯(lián)跳令。

2 事故原因分析

2.1 ? ?勵磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)電氣回路與邏輯

西門子勵磁系統(tǒng)共有3臺功率柜，每臺功率柜有2個風(fēng)機(jī)互為備用，6臺風(fēng)機(jī)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(cè)（調(diào)相機(jī)機(jī)端電壓），經(jīng)過熔絲再通過隔離變變?yōu)?00 V，作為主用電源;另一路取自調(diào)相機(jī)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(dāng)監(jiān)測的主用電源回路電壓正常時，接觸器Q05吸合，Q06分開;當(dāng)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(fù)至返回值以上時，再切回至主電源，西門子勵磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)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(dāng)主電源發(fā)生故障，同時電源切換裝置發(fā)生故障時，會導(dǎo)致3臺功率柜全部退出，引發(fā)調(diào)相機(jī)跳閘。

每臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)一個風(fēng)壓開關(guān)，當(dāng)風(fēng)機(jī)運行后，風(fēng)壓變大，功率柜風(fēng)壓開關(guān)動作，AVR控制器判斷風(fēng)機(jī)運行正常;當(dāng)風(fēng)機(jī)停運時，主控制器在檢測到風(fēng)壓開關(guān)為零并持續(xù)7 s后切換到備用風(fēng)機(jī)，若備用風(fēng)機(jī)風(fēng)壓開關(guān)為零且持續(xù)7 s，則發(fā)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(fēng)壓仍未恢復(fù)，勵磁系統(tǒng)則報嚴(yán)重故障，發(fā)跳閘指令。

根據(jù)調(diào)相機(jī)DCS后臺事件報文，結(jié)合AVR控制器就地告警信息可以判斷，2號機(jī)組勵磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)停運，引起勵磁整流柜退出，導(dǎo)致勵磁系統(tǒng)發(fā)勵磁系統(tǒng)故障跳閘指令，調(diào)變組保護(hù)收到跳閘開入量后，保護(hù)出口跳機(jī)。

導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停運的原因可能有：風(fēng)機(jī)電源丟失、風(fēng)機(jī)自身故障、風(fēng)機(jī)壓差檢測開關(guān)故障、通風(fēng)回路堵塞等，而此次故障的6臺風(fēng)機(jī)全部停止，可排除風(fēng)機(jī)本體、壓差檢測開關(guān)、通道回路、濾網(wǎng)堵塞等引起故障的可能性，檢查重點應(yīng)為風(fēng)機(jī)共有的電源回路。故障前由于機(jī)組進(jìn)相運行，機(jī)端電壓只有18.88 kV，經(jīng)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(cè)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(dǎo)致電源切換繼電器動作，造成2路電源來回切換。

2.2 ? ?現(xiàn)場檢測試驗情況及分析

現(xiàn)場檢查風(fēng)機(jī)、風(fēng)壓監(jiān)視開關(guān)、馬達(dá)斷路器、電源切換接觸器和繼電器、端子等風(fēng)機(jī)相關(guān)回路及器件外觀，結(jié)果無異常。通過對電源切換繼電器進(jìn)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(fēng)機(jī)，檢查風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向、啟動及風(fēng)壓監(jiān)視等反饋，檢查結(jié)果均正常，無異響及反轉(zhuǎn)情況，可見風(fēng)機(jī)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(hù)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(fēng)機(jī)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(diào)壓器模擬機(jī)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(fù)至360 V，調(diào)壓器3路電壓接至電壓切換繼電器，只啟動1臺風(fēng)機(jī)，將調(diào)壓器輸出電壓由400 V逐漸降低，當(dāng)電壓調(diào)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(fēng)機(jī)從主電源切至備用電源，此時主電源由于甩負(fù)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(fēng)機(jī)從備用電源回切至主電源，主電源電壓降低，重復(fù)切換動作行為。由于切換動作延時僅0.1 s，經(jīng)過反復(fù)的高速切換，最后主備風(fēng)機(jī)電源接觸器卡在中間位置，無法吸合，2路電源均丟失，風(fēng)機(jī)發(fā)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(fù)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(fù)切換，風(fēng)機(jī)切換均穩(wěn)定且啟動與反饋正常。

3 事故結(jié)論

根據(jù)故障報文波形分析和繼電器、風(fēng)機(jī)、回路檢查結(jié)果，并通過外接調(diào)壓器進(jìn)行風(fēng)機(jī)加壓、降壓試驗?zāi)M故障時的工況可知，故障發(fā)生時機(jī)組為進(jìn)相運行狀態(tài)，機(jī)端電壓、勵磁變低壓側(cè)電壓降低，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)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(jī)端電源受整流諧波、風(fēng)機(jī)啟停（風(fēng)機(jī)啟動時電流較大，會使有阻抗的載流元件壓降增大，反之風(fēng)機(jī)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(fù)來回快速切換后，導(dǎo)致電源切換接觸器卡死在中間位置（試驗時重現(xiàn)了該現(xiàn)象），無法吸合，導(dǎo)致2路電源均丟失，6臺風(fēng)機(jī)全部停轉(zhuǎn)，功率柜隨之全部退出，從而跳機(jī)。

綜上可知，風(fēng)機(jī)主電源在進(jìn)相時易受機(jī)端電源等因素擾動，風(fēng)機(jī)電源切換繼電器低電壓動作值設(shè)置偏大、返回值偏小、延時設(shè)置過小是造成此次跳機(jī)事件的直接原因。此外，風(fēng)機(jī)回路設(shè)計未實現(xiàn)完全獨立冗余，存在單一元件故障導(dǎo)致跳機(jī)的風(fēng)險。

4 改進(jìn)措施

（1）機(jī)端電壓在進(jìn)相時會顯著降低，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)供電不穩(wěn)定，建議將風(fēng)機(jī)電源改為2路站用電，不再采用機(jī)端電源。

（2）西門子勵磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)電源切換回路無冗余，存在單一元件故障導(dǎo)致系統(tǒng)跳機(jī)的風(fēng)險，建議風(fēng)機(jī)1使用主電源，風(fēng)機(jī)2使用備用電源，風(fēng)機(jī)切換功能通過PCS-9425實現(xiàn)，低電壓動作值320 V，延時1 s，每個功率柜內(nèi)2臺風(fēng)機(jī)電源回路實現(xiàn)完全的獨立冗余。

5 結(jié)語

本文通過分析某調(diào)相機(jī)勵磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)電源出現(xiàn)故障的原因，找出了勵磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)電源切換回路及電源配置中存在的設(shè)計缺陷，提出了相應(yīng)的整改措施，提高了調(diào)相機(jī)勵磁系統(tǒng)風(fēng)機(jī)電源的可靠性，對后續(xù)調(diào)相機(jī)工程建設(shè)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。