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2014年6月24日 星期二     加入收藏 | 设为主页 | 澳门梦想之城

换流站直流极保护出口继电器误动作分析

来源:null  发布日期:2021-02-02     点击数:2

换流站直流极保护出口继电器误动作分析

 

曹磊  董文婷 周为国

(国网上海市电力公司检修公司 上海 201600

 

摘要直流保护系统在直流输电系统中占重要地位,直流输电系统发生故障时,直流保护可以快速,可靠,灵敏,有选择的将故障设备或者故障区域隔离,保证直流输电设备和人身安全,防止事故扩大。直流保护出口回路中由继电器动作控制信号开出给控制系统或者断路器操作回路,因此出口继电器可靠动作直接关系到直流保护系统能否正确动作,本文对枫泾站的直流保护出口回路光耦继电器动作进行分析,并对出口继电器存在的问题提出改进办法。

关键字直流保护,继电器,光耦继电器,直流输电


 


0引言

高压直流输电作为西电东送的重要环节,将电力能源丰富地区的电,长距离大容量的输送到电力需求多的东部,在全国范围内合理调配电力资源,有利于改善自然环境,减小对环境的污染。直流换流设备价格高昂,这就要求直流保护系统本身要绝对可靠安全,能够在应该动作的故障和不正常运行情况下,可靠动作,不应该动作的情况,应可靠不动作。而直流保护系统的出口回路继电器的可靠性,直接影响保护的可靠性,若因为继电器动作不可靠,在直流输电系统无故障的情况下,误动作导致闭锁,将会严重影响直流功率的输送,由于直流保护大量采用无接点的光耦继电器,因光耦继电器的特殊性,已经发生多次继电器原因导致的事故隐患,因此提高直流保护出口继电器可靠性意义重大。

1直流保护系统介绍

枫泾站直流保护系统是采用三重化冗余配置,每一重系统的功能相同,具有其各自独立的电源回路,测量互感器的二次线圈,信号输入、输出回路,相互之间没有影响。高压直流输电运行时,三重系统同时运行,任意一重直流保护系统因故障、检修或其他原因而完全退出时,不影响其他重的直流保护,并对整个直流保护系统的三重化冗余配置正常运行没有影响。

 

1.1 三取二逻辑介绍

三重化冗余配置的直流保护系统通过双重化的三取二选择逻辑电路输出保护动作信号。双重化的三取二选择逻辑电路分别安装在直流保护系统A和直流保护系统B,而直流保护系统C上无三取二选择逻辑电路,三取二输出原理框图如图1所示。三取二选择逻辑电路是三重直流保护系统都工作正常时,至少两个系统起动保护跳闸,直流保护系统跳闸信号才能开出。在任一个直流保护系统内部故障时,自动闭锁本系统的保护出口,三取二选择逻辑自动切换到单冗余保护配置方式,输出信号将一对一传输。这些保护功能信号的开出都是通过直流保护出口回路中继电器动作开出的。直流保护的出口回路中用压板的投入和退出来实现直流保护各功能的投入和退出,当直流保护系统中某一保护功能需要退出时,将该功能的压板退出就可以实现直流保护中该功能退出。

1三取二框架图

 

2 直流保护出口回路

直流输电系统运行时,会发生各种故障和扰动,由于直流输电控制的实时性,需要保护开出的硬接点信号尽可能快地输出到极控系统,为了尽可能缩短保护动作的时间,枫泾站直流保护信号出口回路到极控系统采用了菲尼克斯公司的光耦继电器。以直流保护中双极平衡到极控的出口回路为例如图2所示。途中K301B是光耦继电器,LP31是直流保护屏上双极平衡压板,K249是在极控中的继电器。

2 双极平衡回路图

 

3.直流保护误出口案例分析

2016415日枫泾站消缺工作结束后,按照调度指令投入极I直流保护A系统,在用上压板直流线路故障恢复压板时,OWS后发直流线路再启动保护动作告警,造成了直流保护A系统的误动作,而直流保护B/C 系统的直流线路故障恢复并没有动作,由于直流保护采用三取二逻辑电路,因此直流保护没有开出到极控。随后运行人员用万用表测量直流保护A系统直流线路故障恢复压板的上下接头的电压,发现压板上下接头有电压差,当直接压板时会产生电流,使直流保护误动作,误向极控发动作信号。所以根据直流保护双极平衡出口回路图得知,直流极保护双极平衡压板投入时,直接用上LP31压板,此时即使在K301B原边没有施加激励量的情况下,K301B有尖脉封电流输出,造成极控系统中K249继电器动作,造成直流保护误动作,严重影响直流输电系统的正常安全稳定的运行。

对直流保护出口回路详细进行测试分析,得到以下测试结果:

1)打开压板后,不经放电,直接合压板将导致直流保护误动作误输出。

2)打开压板后,经过放电,30分钟内合上压板不会导致直流保护误动作误输出。

3)打开压板后,经过放电,1小时后合上压板将直流保护误动作误输出。

 

4.问题原因分析

为了详细分析直流保护误动作误出口的原因,根据光耦继电器原理搭建测试电路,模拟直流保护出口回路到极控的现场接线,测试电路如下图3和图4所示。测量LP31压板两端电压,发现压板下桩头带有-57V直流电压,上桩头带有30V左右悬浮电压并迅速衰减到0V,当投入该压板,上桩头可能已充电至15V以上,达到极控光耦继电器动作值而误出口。

        3 极保护信号测试电路

4极控信号测试电路

分析光耦继电器误动作误输出的原因,原光耦继电器的内部结构,如下图3所示:

5 光耦继电器测试分析原理图

对构建光耦继电器原理图进行分析,如图3所示,A模块压板在正常闭合时,且其输入无施加电压即MOSFET管关断时,U11+14 = 110VA模块内部电容C1的电压也为110V。当压板断开后,发生以下两种工作过程:

1)在打开压板同时,分布电容CfC1串接至110V直流回路,Cf开始充电,Cf电压逐渐上升靠近静态点电压,C1电压是逐渐下降靠近静态点电压,C1电容值较大,C1电压下降的幅度也较大。

2)回路被切断,但由于MOSFET存在漏源极间存在漏电流IDSS(约0.11uA25°C),则电容C1存贮的电荷开始通过MOSFET回路放电,随放电时间增加C1两端电压U11+14110V逐渐变小,则14端对电源负端(-55V)电压U14G或对大地电压U14E则逐渐升高,而U14G = +110V - U11+14。放电时间越长,U11+14越小,U14G的电压就越高,C1的电容就会被放的越多。

在同时进行的1)、2)共同作用的充放电过程中,当Cf间电压U14G达到一定阀值,且合上压板时,则由于负载投入,Cf开始加速放电,C1间电压较低,则电路又同时重新对C1进行充电,而此时负载回路为低阻抗回路,所以充电电流大且流向下一级回路,从而导致信号误输出。

经过模拟测试和分析,光耦继电器测试结果如下:

1)放电后30分钟内合上压板不会导致误输出的原因为:放电后,C1间电压升高,充电电流减小,不会导致误出口。

2)直接合压板导致信号误输出原因为:C1充电、Cf放电导致出口。

3)放电1小时后合上压板将导致信号误输出原因为:1小时内,C1间电容电压再次变小,再合压板时C1充电、Cf放电导致出口。

由于光耦继电器本身具有固有电容C1,同时该点存在因电缆引起的分布电容Cf,二者串接到直流110V直流回路,在用万用表测量放电后电路会重新进入电容充电过程,导致14端子处对地电压逐渐升高,当投入压板时引起光耦继电器动作,引起直流保护误动作误出口。

 

5.出口回路改造方案

由于光耦继电器内电容存在,在压板投入时会对继电器内的电容充电,从而形成充电电流,而这时的充电电流足够大使得下级极控的继电器动作,造成保护误动作。而固态继电器作为和光耦继电器相似的继电器,如果用在直流保护上是否满足要求,是否存在误输出的可能,是否满足极控需求等问题,需要对固态继电器进行测试分析。为测试固态继电器是否会发生误出口,将图3中的光耦继电器换成固态继电器后的现场接线进行试验分析:

试验工况是打开压板,不经放电,直接合压板,此时冲击幅度最大、时间最长。

5合压板波形

试验结果:图5中的蓝色为A通道电压波形,红色为B通道电压波形。从波形中可以看到尖峰脉冲的峰值大约80V左右, 宽度大约20us,储存的能量很小,没有造成下级极控中光耦继电器误动作。从对固态继电器(内部电容3nF)、光耦继电器(内部电容100nF)固有参数对比来看,光耦继电器和固态继电器内部都存在寄生电容,只是大小不同。固态继电器由于电容小,储存的能量很小,释放电流小,不会造成下级继电器误动作。仿真系统上对选用的固态继电器进行了多次测试,包括直接合压板以及放电1小时之后合压板等情况,均不会造成下一级光耦继电器动作出口。从而验证了固态继电器不会误动作出口,满足直流保护的要求。

对固态继电器和光耦继电器进行比较,通过搭建测试电路对光耦继电器和固态继电器的开通延时、关断延时、输入端电容实测值、输出端电容实测值、整体动作时间等的相关数据进行测试,详细的测试数据见表1进行了以下测试:

型号

开通延时

关断延时

输入端电容值

输出端电容值

动作时间

固态继电器

360us

630us

2.1nF

3.1nF

388us

光耦继电器

106us

20ms

0.3nF

109.3nF

130us

对固态继电器试验(内部电容3nF)、光耦继电器(内部电容100nF)的对比试验来看,光耦继电器的动作时间为106us,固态继电器的动作时间为360us。动作时间和开通时间都在微妙级而直流保护出口信号在极控软件中的采样周期为毫秒级,固态继电器在理论上对极控功能影响不大,满足极控的采样要求。

通过仿真测试电路的验证:固态继电器在直流保护出口回路中任意的用上压板不会造成直流保护误动作,动作时间满足直流保护和极控系统的要求,所可以将HCM200平台直流保护“三取二”模块后动作出口信号到极控系统的光耦继电器(PLC-OSC-24DC/300DC/1)采用固态继电器(SLO-24CRA)替代。通过对枫泾站直流保护动作输出到极控系统的信号梳理,具体的优化方案如下表3所示。

序号

信号回路名称

信号原出口方式

优化后信号出口方式

1

移相闭锁

光耦继电器

固态继电器

2

增大熄弧角

光耦继电器

固态继电器

3

禁止投旁通对

光耦继电器

固态继电器

4

直流线路故障恢复

光耦继电器

固态继电器

5

VBE点火脉冲

光耦继电器

固态继电器

6

平衡双极操作

光耦继电器

固态继电器

7

移相重启一次

光耦继电器

固态继电器

8

降电流

光耦继电器

固态继电器

9

启动极控系统冗余切换

光耦继电器

固态继电器

10

禁止阀解锁

光耦继电器

固态继电器

11

强制额定功率运行

光耦继电器

固态继电器

12

功率回降

光耦继电器

固态继电器

 

6.总结

本文通过枫泾站直流保护A系统误动作事件,发现直流保护出口回路光耦继电器误动作的隐患,通过分析光耦继电器和固态继电器内部结构和参数,从模拟测试电路得出如下结论:

1.光耦继电器内部存在电容以及电缆分布电容的原因,当保护压板上桩头较长时间悬空时,会产生悬浮电位,可能在上下桩头间产生足够的压差,当投入压板时导致光耦继电器动作,造成直流保护系统的误动作。

2.固态继电器相比于光耦继电器内部电容小,正常运行时,投退直流保护压板不会造成直流保护误动作

3.固态继电器动作时间为微妙级满足直流保护系统和极控系统的毫秒级动作时间要求。

通过分析和测试得出可以对直流保护出口回路进行改造,将保护“三取二”模块至极控系统出口的光耦继电器替换为固态继电器,这样可以提高直流保护系统的可靠性,保证直流输电系统安全稳定的运行。

 

参考文献:

[1]  赵畹君.高压直流输电工程技术.中国电力出版社.2012

[2]  陶瑜.直流输电控制保护系统分析及应用. 中国电力出版社.2014

[3]  菲尼克斯光耦继电器说明书

[4]  高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社2010

[5]  国网上海市电力公司检修公司特高压交直流运检中心.枫泾换流站资料汇编-直流控制保护[R].2012

[6]  国网上海市电力公司检修公司特高压交直流运检中心.枫泾换流站隐患排查报告[R].2014

作者简介:

曹磊(1988—),男,硕士研究生,工程师,从事直流输电的换流站运维检修工作;

周为国(1990—),男,本科,助理工程师,从事直流输电的换流站运维检修工作;

董文婷(1992—),女,硕士研究生,工程师,从事直流输电的换流站运维检修工作;

 


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