柔性直流背靠背換流站站用電運維優(yōu)化研究

中國南方電網(wǎng)廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局 陳帥帥

1 換流站站用電系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計思路分析

背靠背柔性直流換流站的作用是實現(xiàn)兩片電網(wǎng)的異步互聯(lián)。500kV 交流變電站站用電電源一般取自兩臺不同主變壓器的低壓側(cè)交流母線，外加一路來自外部變電站的備用電源。但換流站的一次交流系統(tǒng)最低電壓等級的交流母線來自500kV交流場。

換流站站用電負荷的容量遠大于常規(guī)交流變電站站用負荷容量，并且換流站站用電負荷分布比較分散，站內(nèi)各個區(qū)域如交流場、直流場、閥廳、換流變區(qū)域等，很多設(shè)備都需要提供交流電源才能夠正常運行[1]。背靠背換流站站用電交流系統(tǒng)采用三路獨立的電源供電，其設(shè)計站用主接線圖如圖1所示。

圖1 站用電主接線圖

考慮到供電的可靠性和電源的冗余度，兩路主用電源需要分別從兩片電網(wǎng)獲取，這樣可避免一片電網(wǎng)“全黑”導(dǎo)致站用電停電，但兩片電網(wǎng)是異步運行的，合環(huán)運行就會有短路的風(fēng)險。所以背靠背換流站的站用電系統(tǒng)不可以像交流變電站那樣短時合環(huán)運行而實現(xiàn)站用電不停電倒閘操作。為避免站用電系統(tǒng)合環(huán)運行，在進線開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)的控制回路中設(shè)置聯(lián)鎖，即兩個進線開關(guān)合位時，母聯(lián)開關(guān)不能合上。縮短倒閘操作時導(dǎo)致的站用電停電時間可使用站用電控制系統(tǒng)中的電源自投邏輯實現(xiàn)，即停電時切開站用變壓器變高開關(guān)使低壓進線開關(guān)無壓無流，從而滿足備自投邏輯動作條件，自動先跳開進線開關(guān)，再合上母聯(lián)開關(guān)；當(dāng)復(fù)電時，合上站用變壓器變高開關(guān)后，變低進線檢測有電壓后先切開母聯(lián)開關(guān)，再合上進線開關(guān)恢復(fù)正常運行方式。

1.2 站用電系統(tǒng)架構(gòu)

站用電采用3路獨立電源供電，其中主用電源2路，備用電源1路[2]。左邊工作電源取自穗東側(cè)（東側(cè)）交流場500kV＃1 站用變壓器變低501 開關(guān)，向10kV I母線供電；由于增城側(cè)（西側(cè)）的交流場是500kV增城變電站，所以右邊工作電源取自增城站兩臺主變壓器低壓側(cè)35kV母線，經(jīng)兩條35kV線路送至換流站35kV 母線，可以保證在500kV 增城變電站單臺主變壓器停電檢修時該路電源不停電。再經(jīng)35kV＃2 站用變壓器變低502 開關(guān)，向10kV II 母線供電；中間路備用電源取自附近具備220kV發(fā)電廠線路接入的220kV 交流變電站110kV 線路，經(jīng)110kV#3 站用變503 開關(guān)，向10kV III 母線供電。

換流站配備10 臺10kV 干式變，總共5 組，每兩臺互為備用，#1～#8 干式變分別主要給4 個閥廳的水冷機組、空調(diào)機組、直流充電機供電。一旦一個閥廳的兩臺10kV 干式變電源全失，則該閥廳的水冷機組全停，進而導(dǎo)致該閥廳的換流閥閉鎖，如果直流運行在功率傳輸模式，將閉鎖整個直流單元。

2 故障分析與事故預(yù)想

換流站站用電系統(tǒng)非正常停運會導(dǎo)致?lián)Q流閥冷卻系統(tǒng)停運，進而引發(fā)直流閉鎖并跳閘。站用電系統(tǒng)非正常停運故障包括發(fā)生故障時保護正確動作隔離故障、保護誤動作導(dǎo)致停運以及倒閘操作誤操作時導(dǎo)致停運。

2.1 發(fā)生故障時保護正確動作導(dǎo)致停運

換流站設(shè)計10kV 和400V 兩級備自投功能[1]。為了保證在10kV母線倒閘操作時400V備自投誤動作，需要確保400V母線備自投的動作延時比10kV母線備自投動作時間長且留有一定裕度。換流閥水冷機組以及閥廳空調(diào)機組的水泵都是冗余配備的，在保護正確動作的前提下，只有400V 母線在單一電源運行時發(fā)生故障或者兩路電源同時故障才可能導(dǎo)致?lián)Q流閥水冷機組全停。

由于400V兩路進線電源都取自10kV不同的兩條母線，在10kV母線正常運行時，400V兩路電源同時故障的概率很低。但存在10kV 母線的電源故障導(dǎo)致10kV母線停運，造成400V兩條母線全停的可能性。例如，一路站用電源檢修，雷雨天氣造成兩路站用電源同時或相繼失電；兩路站用電源檢修，一路站用電源發(fā)生跳閘失電；三路站用電源同時或者相繼失電導(dǎo)致10kV 三段母線失壓等都會導(dǎo)致兩段400V母線同時失壓。

對于400V 母線在單一電源運行時發(fā)生故障的概率相對較高。例如，10kV #I 母線或#II 母線中有一段母線檢修，另一段母線故障；低壓交流配電室400V母線的一段母線或電源在停電檢修，運行母線發(fā)生故障或母線下級故障越級跳閘造成母線失電等會發(fā)生兩段400V母線全停的情況。

2.2 保護誤動或者拒動導(dǎo)致停運

粵中站試運行期間，站用電倒閘操作中一起保護不正確動作導(dǎo)致一條400V 母線停電的事件。倒閘操作前，站用電系統(tǒng)運行于正常運行方式。10臺10kV 干式變所，400V 母線負荷分配情況如表1所示。

表1 400V母線負荷分配情況

由表1可知，主用的水泵電機主要都由#1、#3、#5、#7干式變所帶，其備用電源帶負荷較輕的電機運行，單元二增城側(cè)#5干式變多帶站里生活用水的機組以及一些重要場所的備用照明，所以#5干式變的負荷要比#1、#3、#7干式變的負荷要重。當(dāng)?shù)归l操作開始切開35kV站用變變開關(guān)時，10kV母線備自投動作，切開35kV 站用變變低開關(guān)后，合上10kV II母線和III母線的母聯(lián)開關(guān)。此時10kV I母線帶的#5干式變變低開關(guān)的過流保護動作跳開。

查看定值發(fā)現(xiàn)保護裝置過流II 段定值整定為0.81A（二次值），延時0.5s。電流互感器變比為5000/1A，則故障電流為4115A，電流最大相和最小相相差215A。由交流場負荷可知，照明用的單相負荷非常小，而且設(shè)計時都考慮三相均衡分布。所以說明故障跳閘是由于運行于#6 干式變所帶400V母線的電機除水冷主循環(huán)泵電機外全部切換至#5干式變供電，而電機零起時產(chǎn)生勵磁涌流造成的跳閘。且由于#5干式變負荷較重，疊加上勵磁涌流才剛好達到過流II 段動作定值并在0.5s 內(nèi)未返回。當(dāng)水冷機組和空調(diào)機組負荷切換至#6干式變的時候，保護沒有動作跳閘，由此說明此次電機的切換造成的勵磁涌流在0.5s內(nèi)降到保護動作定值以內(nèi)。

2.3 倒閘操作時誤操作導(dǎo)致停運

如果在倒閘操作時發(fā)生誤操作，會導(dǎo)致負荷丟失或者設(shè)備故障。由于相應(yīng)的斷路器、隔離開關(guān)和接地刀閘之間的控制回路都已經(jīng)設(shè)置聯(lián)鎖，且一次設(shè)備之間也已經(jīng)設(shè)置機械閉鎖，所以發(fā)生誤操作較大的可能性就是誤分合斷路器。可能出現(xiàn)的誤操作包括以下，一是由于站用電系統(tǒng)倒閘操作是靠站用電備自投進行停復(fù)電的，如果在進線開關(guān)停電的時候備自投在退出狀態(tài)，母聯(lián)開關(guān)將無法自動合上，進而導(dǎo)致一段母線失壓。二是停電時誤切站用變變低進線開關(guān)，這時備自投閉鎖，母線開關(guān)不會合上，導(dǎo)致一段母線失壓。三是誤分斷路器或帶地線送電導(dǎo)致站用電進線電源失壓。

3 運維策略優(yōu)化

3.1 針對站用電源失去冗余后

開展10kV #I M 或#II M 母線檢修前，應(yīng)確認另外一段母線無異常、缺陷，并進行一次巡視、紅外測溫、紫外成像檢查，以確定母線是否具備停電條件。在一段10kV 母線或電源停電檢修，提高400V 運行母線所帶負荷以及上級電源的運維等級，加強對無冗余運行設(shè)備巡視和測溫的頻率，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷或者有無過負荷并盡快消除，防止事故進一步發(fā)展。在只有400V 一段母線電源供電時，應(yīng)停止一切有可能影響站用電供電的工作，防止人為原因造成無冗余設(shè)備失去供電。盡快恢復(fù)單元400V 站用電兩段母線正常供電，使設(shè)備再次進入有冗余狀態(tài)。

3.2 針對保護誤動或拒動導(dǎo)致停運

對于上述分析的過流II 段保護不正確動作，是由于勵磁涌流疊加基數(shù)較高的負荷電流導(dǎo)致保護動作出口。一般對于感性和容性負荷，在合閘角度未到達一定惡劣的情況下，勵磁涌流在幾個周期內(nèi)很快就衰減下來，只要過流保護的定值和延時適當(dāng)，很容易就躲過勵磁涌流造成的保護誤動，但增加過流保護的延時要考慮斷路器的熱穩(wěn)定性。考慮負荷基數(shù)大的原因，可以適當(dāng)調(diào)高#5干式變變電開關(guān)的過流保護動作定值。

為了保證其繼電保護的可靠性和開關(guān)機構(gòu)可靠動作特性，可以適當(dāng)縮短其檢修周期。為了減少站用電停電對高壓直流運行的影響，可以在每年直流停電大修的窗口伺機開展停電檢修工作。

3.3 針對誤操作導(dǎo)致停運

一是嚴格執(zhí)行公司針對誤操作制定的規(guī)章制度，對于生產(chǎn)一線的員工要組織學(xué)習(xí)以往因為誤操作導(dǎo)致的事故案例，使操作人員對誤操作的嚴重性有深刻的認識，使其杜絕倒閘操作時的麻痹性，提高其專注性。二是倒換母線前應(yīng)確認備自投功能正常。三是加強運行人員的培訓(xùn)以加深其對設(shè)備的熟悉程度，使其對生產(chǎn)設(shè)備的運行方式有充分了解。

4 結(jié)語

本文通過介紹粵中換流站站用電系統(tǒng)整體構(gòu)架，闡述其功能和運行方式，并且聯(lián)系起近期故障事件分析處理，提出有關(guān)提升站用電供電可靠性的運維建議。