特高压固定串补控保系统光隔端子故障分析及改进_刘涛.pdf

30电工电气电工电气 (2023 No.3)作者简介：刘涛(1984)，男，高级工程师，本科，从事超、特高压变电站运维和检修工作。刘涛1，李凤旭2，鲁盼1，乔振朋1，杨征1(1 国网河南省电力公司直流中心，河南 郑州 450051；2 华能（浙江）能源开发有限公司玉环分公司，浙江 玉环 317604)摘 要：介绍了某特高压串补工程控保系统 220 V 光隔端子发生的两次危急缺陷，指出该工程现场运用的数百个同型号产品均有类似故障的可能。对该型光隔电路进行电气分析和热分析，认为部分元件功耗偏大、布局集中、散热设计不合理是导致故障的根本原因。提出降低输入电流以减小功耗同时改善散热布置的改进方案。试验证明改进后的光隔端子运行可靠性显著提升，满足工程需求。关键词：特高压串补；控保系统；光隔端子；散热中图分类号：TM723；O433.1 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2023)03-030-04 Abstract:Two defects of 220 V optical isolated terminals happening in the control and protection system of an UHV series compensation project are introduced,and the possibility of similar defects occurring to hundreds of products with the same model used in this project is pointed out.After making electrical and thermal analysis of the optical isolated circuit,the authors think that the root causes of these defects are the large power consumption,centralized layout and unreasonable heat dissipation design of some elements.Therefore,an improved scheme to decrease power consumption by reducing input currents and to optimize heat dissipation layout is proposed.Tests show that the improved optical isolated terminals can have better operation reliability and meet the engineering requirements.Key words:UHV series compensation;control and protection system;optical isolated terminal;heat dissipationLIU Tao1,LI Feng-xu2,LU Pan1,QIAO Zhen-peng1,YANG Zheng1（1 State Grid Henan DC Center,Zhengzhou 450051,China;2 Huaneng(Zhejiang)Energy Development Co.,Ltd.Yuhuan Branch,Yuhuan 317604,China）Fault Analysis and Improvement of Optical Isolated Terminals in UHVSeries Compensation Control and Protection System特高压固定串补控保系统光隔端子故障分析及改进某特高压固定串补工程测控装置投运于 2019 年11 月，其 220 V 开关量输入回路采用直流 220 V 光隔端子。光隔端子将来自于设备场区的直流 220 V开关量信号转换为测控装置可采样的直流 24 V 信号。3 面串补测控屏柜内运行该型光隔端子总计515 个，投运 1 年内产生了两起光隔端子故障导致的危急缺陷。故障回路对特高压串补的安全运行至关重要，光隔端子的故障严重威胁特高压电网的安全稳定运行1-2。1 故障发生1.1 第1次光隔故障2020 年 7 月 20 日 17 时，变电站监控后台出现“特高压串补 T623 旁路开关 A 相位置指示不定态”告警。监控系统该旁路开关为双位置开入，双位置开入不一致即显示为不定态，T623 旁路开关此时分位运行，其分闸位置接点应闭合，合闸位置接点应断开。至串补保护小室测控屏端子排分别检查 T623 旁路开关 A 相分闸位置和合闸位置的直流220 V 开入，发现合闸位置开入的-110 V 电位正常，分闸位置开入的+110 V 电位正常；检查分闸位置开入的直流 220 V 转直流 24 V 光隔端子时发现其开入指示灯错误熄灭，测量该光隔端子直流 24 V 侧错误为断开状态。由此判断该光隔端子故障导致“特高压串补T623旁路开关A相位置指示不定态”告警。由于现场无该光隔端子备品，而且更换此光隔需将该光隔端子组(10 支)整体拆除，此时串补装置在运行状态，因此现场无法更换；只能暂时将该 1D4特高压固定串补控保系统光隔端子故障分析及改进产品与应用31 电工电气电工电气 (2023 No.3)开入接线移接至该端子排下部 1D41 备用光隔端子。1.2 第2次光隔故障2020 年 8 月 15 日 10 时，监控后台持续反复出现“特高压串补旁路开关 T624 合闸压力正常”复归和告警，最终该信号为复归状态结束。正常运行 T624 旁路开关应“合闸压力正常”，合闸压力低时应“合闸压力正常”信号复归。现场检查 T624旁路开关油位指示正常，油压正常，因此排除一次设备故障的可能，应为二次回路故障所致。至对应串补测控屏检查该“合闸压力正常”开入为+110 V 正常，该光隔端子 1D150 指示灯点亮正常，测量其直流 24 V 侧错误为断开状态。因此判断该光隔端子的故障致使该告警现象出现，光隔端子故障过程中，接点反复抖动致使监控后台持续出现告警及复归现象。串补装置在运行状态，现场无法更换；只能暂时将该 1D150 开入接线移接至该端子排下部 1D163 备用光隔端子。以上特高压串补测控装置两起光隔端子故障均为危急缺陷，可能导致特高压串补保护控制装置误动作或拒动作，严重影响特高压串补装置的安全稳定运行。该型光隔端子投运不足 1 年连续发生两次危急缺陷，产品可能存在家族性缺陷，应及时整改。2 初步检查情况2020 年 10 月，特高压串补装置停电检修期间，对相应串补测控屏运行期间发生故障的 1D4 和1D150 光隔端子进行了检查。拆除 1D4 和 1D150 光隔端子，发现其电路板正反面均已较严重灼烧。同时发现该端子排相当数量的正常运行光隔端子也有不同程度的灼烧痕迹，如图 1 所示，图中深黑色即为被烧损部位。现场共有该型号的光隔端子515个，其中运行中(有接线)的光隔离端子 319 个，有灼烧痕迹的光隔端子主要集中于运行中端子；非运行端子由于无论正常运行还是停电期间均无电压，因此没有灼烧问题。有灼烧现象但暂无故障的光隔端子功能暂时满足运行要求，但其可靠性已严重下降，如不及时更换，随着运行时间的增加，均会发生故障，严重威胁着特高压串补控保系统运行的稳定性和可靠性。应对该型光隔端子发热原因进行分析并改进，及时将该型光隔端子全部更换，确保特高压串补控保系统运行的稳定性和可靠性。3 端子发热分析3.1 回路分析运行中的特高压串补控保系统光隔端子为某公司生产的 PCR214-L 型光隔端子。对发热的部位进行可视分析，如图 2、图 3 所示。由图 2、图 3 可知，该光隔端子发热点在 D1、D2两个齐纳二极管附近。该光隔端子电路原理如图 4所示。图1 现场光隔端子灼烧情况图2 故障光隔端子背面图烧损部位图3 故障光隔端子正面图R4R2R1R3IC1D2D1图4 故障光隔电路原理图X1R1D1V1D2R2R4R3X3X2X4+110 V+12 V-110 V-12 VIC1特高压固定串补控保系统光隔端子故障分析及改进32电工电气电工电气 (2023 No.3)图中：X1 X4为接线端子；D1、D2为 ZMM 系列齐纳二极管；R1、R2、R4为限流电阻，阻值均为43 k；R3为限压电阻，阻值为 13 k；V1为 LED 状态指示灯；IC1为 MOSFET 光电继电器。从发热位置来看，该光隔端子发热点在输入回路的 D1、D2和R1部位。对该回路进行分析，该光隔端子额定输入电压为直流 220 V，电路为单一的串联回路，D1和 D2反向串接在电路中，由回路器件耐压参数可知，该回路电压输入范围最高可达 390 V。根据 ZMM 系列齐纳二极管数据手册可知，ZMM43 齐纳电压为 40 46 V，ZMM62 齐纳电压为 58 66 V，不计光隔内阻，输入直流 234 V 时(串补工程实际输入电压)，计算回路电流3.754.20 mA。计算D1的功率为0.1680.173 W，D2的 功 率 为 0.244 0.248 W。D1与 D2的最大功率均为 0.5 W，因此在输入直流 234 V 运行情况下，D1与 D2是处于额定工作状态下的，不会发生过载情况。3.2 光隔端子电气试验对 PCR214-L 型光隔端子进行电气试验，模拟实际运行工况，输入电压为直流 234 V，每隔10 min 对 D1与 D2的两端电压及回路电流进行测量，共分 3 次测量，PCR214-L 型光隔端子电气试验数据如表 1 所示。由表 1 可知，光隔端子在此工况下的 D1和 D2电压及回路电流正常，均为额定工况，该光隔端子电路工作正常，原理设计不存在问题。3.3 光隔端子热试验模拟 PCR214-L 型光隔端子额定运行工况，进行该端子热试验。输入电压为直流 234 V，环境温度为 20，每隔 60 min 对光隔端子进行温度测量，总计测量 10 次，热试验数据如表 2 所示。由表 2 可知，光隔端子在额定工况下的相对温升明显，持续高于环境温度约 25，该型光隔端子的热设计存在不合理。结合对 PCR214-L 型光隔端子的外壳设计和 PCB 布局可知，该型光隔端子PCB 板上发热元件(D1、D2、R1和R2)较集中，尤其是两个齐纳二极管发热集中；从外壳设计来看，该型光隔端子的外壳散热孔明显较少，且外壳较厚。该型光隔端子热设计不合理主要体现在 PCB 板发热元件集中，导致热集中，且外壳散热设计不合理，导致热累积，长期运行工况下，集中发热量较大，造成局部温度过高而烧损3。4 改进方案及试验4.1 改进方案综合上述分析及试验结论，可以通过降低该光隔端子输入回路电流从而降低其热效应的方法进行改进4-5。改进后的光隔电路原理图如图 5 所示。改进后的光隔端子电路原理与原电路原理基本一致。改进后的电路R1、R2阻值均为 51 k，R3为 13 k，增大了回路串联阻值；D1、D2齐纳二极管额定功耗均为 1 W，额定承载电压为 60 V，提高了二极管承受功耗能力；D3为 IN4007 型限压二极管，IC1为 TLP181 型光耦合元件，输出电流降为原电路约 20%；为提高输出能力6，增加 NPN 型三极管 T1。X1、X2间输入回路电流约为 0.98 mA，明显低于原光隔输入电流(3.75 mA)。4.2 改进光隔热试验进行热试验验证，设置环境温度为 20，每隔 60 min 进行一次精确测温，总计测量 10 次，数据如表 3 所示。通过表 3 试验数据可知，20 环境温度下，改进电路后的光隔端子热试验最高温度为 25，温升最大为 5，热效应明显得到改善。改进后光隔端子正面照片如图 6 所示。表1 光隔端子电气试验数据序号D1电压/VD2电压/V回路电流/mA144.565.33.67244.365.53.65344.565.33.67表2 光隔端子热试验数据时间/min60120180240300360420480540600温度/50524948485350555459图5 改进后的光隔电路原理图X1R1D1D2D3V1R2R3R4X3X2X4+110 V+12 V-110 V-12 VIC1T1cbe表3 改进后光隔端子热试验数据时间/min60120180240300360420480540600温度/25252422222324252525特高压固定串补控保系统光隔端子故障分析及改进33 电工电气电工电气 (2023 No.3)从图 6 可以看出，改进后的光隔端子较原型号光隔 PCB 板在电子元件选型、布局方面均有明显的改进。5 变电站现场整改及验证5.1 运行光隔更换及验证2020 年 10 月，特高压串补停电检修期间，使用改进后的新型光隔端子对原运行光隔端子总计515 个进行更换。更换完毕，对 515 个新的光隔端子逐一进行 10 次开关量动作及复归试验，均可靠动作和复归，未发现异常。至 2022 年 10 月，改进后的 515 个光隔端子连续稳定运行约 24 个月，再未发生光隔端子故障的情况。5.2 试验光隔验证运行中的 515 个光隔端子仅 90 余个正常运行时为常亮状态，其余 420 余个为备用(无接线)或正常运行不带电状态，90 个常亮状态的光隔元件基本分散布置于 515 个光隔端子排中，发热点不集中，有利于散热，考核验证环境相对宽松。鉴于此，为严格考核、验证改进后的光隔端子发热及散热性能，2020 年 10 月，对原有 515 个光隔端子更换的同时，在特高压串补保护屏内闲置位置集中安装、压紧布置了 100 个改进后的光隔端子，使用直流 220 V 运行电源将 100 个端子 220 V 强电开入侧全部短接(正常运行全部点亮)，使散热点更为集中，散热条件更为不利。跟踪检测至 2022 年 10 月，连续稳定运行约 24 个月，以上 100 个试验光隔端子再未发生故障的情况。综合以上现场运行和试验验证情况，改进后的光隔端子有效降低了元件功耗，减小了发热量，提高了该型光隔端子的运行安全可靠性。6 结语1)光隔端子发热元件功耗偏大、布置集中、散热设计不合理是导致该型光隔端子频繁烧损的根本原因。2)解决光隔端子频繁烧损的有效措施是采用功耗更小的电阻、二极管等元件，改善发热元件布局，优化散热条件。实验室 10 h 及现场 24 个月的跟踪监测结果证明，改进后的光隔端子性能满足要求。3)根据电力自动化行业近 20 年来运行经验，继电保护装置 220 V 强电开入插件技术成熟，性能稳定可靠，完全满足继电保护装置技术要求7-9。建议继电保护装置开关量输入回路均采用成熟可靠的开入插件，不建议采用布置于端子排的独立光隔端子。参考文献1 乔中伟，钱敏，郭松伟，等.二次电缆对地分布电容对强电开入回路的影响研究 J.电力系统保护与控制，2018，46(13)：161-165.2 赵康伟.继电保护装置采用光隔开入引起误动的思考 J.华北电力技术，2005(8)：38-39.3 宋小舟，王柳，智全中.继电保护装置光隔开入测试方法的研究 J.电网技术，2010，34(6)：44-47.4 左航，李小鹏，徐方维，等.基于有理函数逼近的光耦合隔离放大器宽频域建模方法 J.电力系统保护与控制，2021，49(9)：113-120.5 潘明俊，张明，李霆霆，等.基于 J-TEXT 装置的光耦合隔离放大器设计与分析 J.核聚变与等离子体物理，2015，35(3)：265-271.6 杨广羽，马玉新，傅亚光，等.光电耦合 MOS 栅固态继电器回路研究与误触发改进措施 J.电力系统保护与控制，2016，44(15)：135-141.7 刘涛，郭果.特高压固定串补火花间隙拒触发事故分析及解决方案 J.电力自动化设备，2021，41(1)：218-224.8 李应文，段继儒，刘涛.特高压固定串补 MOV 防爆能力提升方案 J.水电能源科学，2021，39(1)：155-159.9 刘涛，裴东良，杨征，等.特高压变电站隔离刀闸二次回路若干问题分析及改进 J.电工电气，2020(10)：32-38.修稿日期：2022-11-21图6 改进后的光隔端子正面照片R4R2R1T1IC1D3D1D2R3特高压固定串补控保系统光隔端子故障分析及改进