南桥换流站阀水冷却系统电源开关保护分析

2012-04-12肖烨辉

电力与能源 2012年3期

肖烨辉，朱宁

（1.上海市电力公司检修公司，上海 200063；2.国电联合动力技术有限公司，北京 100039）

国家电网公司于2011年10月开展对直流换流站阀水冷却系统隐患排查，南桥换流站以直流大修为契机，进行深度排查工作，查出阀水冷却系统380 V电源开关与阀水冷却系统电动机控制中心（MCC）的进线开关，在保护配合上存在不足。通过分析南桥站阀水冷却系统380V电源开关上级和下级配合情况，对当前保护整定值进行了修正，消除了隐患，并为其他常规换流站在阀水冷却系统电动机的保护整定提供参考和借鉴。

1 隐患排查

目前，我国直流输电工程大多采用由半控型晶闸管组建的换流阀。换流阀是直流输电系统中的核心设备，长期工作在高电压、大电流下运行，产生的大量损耗将转变为热量，如不及时、有效地释放热量，阀体发热会严重影响正常工作及寿命。为此，对换流阀采取水冷却方式，由冷却水带走晶闸管工作损耗所产生的大量热量。

阀水冷却系统由主水回路和水处理回路组成。这两部的核心设备都涉及到电动机，如主循环泵（为主水回路提供系统循环动力）、冷却塔风扇（加快空气对流以提高对内冷水系统散热管的降温效果）、冷却塔喷淋泵（对散热管进行冷却）和外冷补给水深度处理系统中的数台超滤反渗透动力设备等。这些电动机的运行和健康状况，都会直接或间接地影响到高压晶闸管换流阀的高效安全运行。

由于某换流站极1主循环泵开关配置了过流保护，曾于2010年12月3日2台主泵定期切换时，过流定值未能躲过由变频切换到工频时的启动电流值，造成两套内冷水循环泵开关相继跳闸，极1强迫停运。为此，按照《国家电网公司防止直流换流站单、双极强迫停运21项反事故措施》中“水冷动力柜内主循环泵开关保护应只配置速断和过负荷保护，不再配置过流保护，保护的定值要能够躲过主泵切换过程中的冲击电流”的要求，在南桥换流站直流大修期间，对投运期间无法打开的4个电动机控制柜内部进行了排查，记录了极1-MCC-P1和极1-MCC-P2柜进线开关；极2－MCC-P1和极2-MCC-P2柜进线开关的电子脱扣器整定值；记录了馈线1M Q414，3M Q414，9M Q315，7M Q415开关的电子脱扣器整定值。经深度隐患排查，发现阀水冷却系统380 V电源开关的保护存在隐患。

2 排查分析

2.1 主循环泵开关接线

南桥换流站的内冷水系统每极有2台主循环泵，1台运行，1台备用。每台主循环泵由阀水冷却系统的电动机控制中心提供单路380 V交流电源；MCC-P1柜为主泵1提供单路电源，MCC-P2柜为主泵2提供单路电源，主泵运行切换通过软件控制。以极1为例，MCC-P1柜的上级电源是1M，MCC-P2柜的上级电源是3 M。MCC-P3柜为喷淋泵、冷却塔风扇、外冷水系统的变频泵等负载提供冗余两路电源，电源的切换通过ATS双路电源切换装置来实现。站用电及电动机控制柜接线示意图，如图1所示。

图1 站用电及电动机控制柜接线

4个电动机控制柜内的进线开关连接电网的终端负载，全部由电动机所构成，其中负荷最大的是内冷水系统的主循环泵。为了尽量减少换流站直流单极和双极闭锁的风险，配置了电流速断保护（即瞬时短路保护），一旦发生电动机的定子绕组相间短路、单相接地、一相匝间短路等故障，及时加以切除；同时还配置了反时限过负荷保护（即过载保护），一旦发生电动机堵转、温度超标、过电流、绝缘老化等故障，及时加以切除。

4个电动机控制柜内的进线开关，均配置了ABB公司SACE PR212／P电子脱扣器，其保护功能包括过载保护、延时短路保护和瞬时短路保护。过载保护整定值为I1＝0.4In，T1＝6 s；延时短路保护整定值为I2＝10In，T2＝0.5 s；瞬时短路保护整定值为I3＝8In。

从电动机保护力求简单和可靠的原则出发，无时限脱扣的速断和反时限长延时过负荷即可满足要求。由于进线开关所带负荷处在电网末端，不需要考虑与下级保护在时限上的配合问题。

2.2 电动机电流速断保护

电动机电流速断保护的动作电流，应按照躲开供电网络为全电压和转子回路中启动电阻Re为零时，异步电动机的启动电流的特性来整定，如图2所示。

图2 异步电动机的启动电流特性

图中Ist为启动电流；Ist，max为最大启动电流；Tst为异步电动机的启动时间。

外冷水系统电动机负载电流速断保护的动作电流：

式中：Krel为可靠系数，取1.4～1.8；Ist.max为最大启动电流，通常为（4～8）In。

由于外冷水系统的电动机负载的最大额定功率为11 k W，大部分属于轻载型启动，因此Krel和Ist.max都取低值。同理，由于4台主循环泵负载的最小额定功率为45 k W，属于重载型启动，故取Krel＝1.6，Ist.max＝7，则主循环泵1电动机的启动电流整定为850.86 A；泵2电动机的启动电流整定为1051.57 A；泵3电动机的启动电流整定为850.86 A；泵4电动机的启动电流整定为926.46 A。

由于MCC柜进线开关的电流整定值由外冷水系统电流整定值加上泵电动机的启动电流整定值，所以极1-MCC-P1柜进线开关的电流整定值为2445.04 A；极1-MCC-P2柜进线开关的电流整定值为2645.75A；极2-MCC-P1柜进线开关的电流整定值为2445.04 A；极2-MCC-P2柜进线开关的电流整定值为2520.64 A。

以上速断保护动作电流的整定，是以躲过主循环泵未采用软起动器启动、主循环泵和外冷水系统电动机负载同时启动时产生的启动电流来整定。动作时限为电子脱扣器的固有动作时间T小于或等于25 ms。通过对主水流量跳闸逻辑的验证，速断保护的零时限动作时间加上切至备用泵的时间，小于主水流量低保护的动作时间。

根据电子脱扣器（PR212／P）可选档位（取大不取小），极1-MCC-P1柜开关、极1-MCC-P2柜开关、极2-MCC-P1柜开关、极2-MCC-P2柜开关计算的瞬时短路保护为I3＝4In，而当前的瞬时短路保护为I3＝8In。也就是说，当前电流速断保护的动作值是计算值的2倍，结果偏大，无法起到保护电动机的作用。

2.3 反时限过负荷保护

电动机的过负荷分为短时性和长时性两种，只有长时性的过负荷才会对电动机造成危害。例如：由正常启动所引起的过电流是短时性的，当达到额定转速后会自行消失。电动机过负荷保护通常采用反时限过流继电器来构成，其动作电流按照躲过电动机的额定电流整定，动作时间按照躲过电动机带负荷启动的时间。

外冷水系统电动机负载反时限过负荷保护的动作电流：

式中：Krel为可靠系数，当保护动作于信号时，取1.05；当动作于跳闸时，取1.1～1.2；Kre为继电器返回系数，一般取0.8～0.9；In为电动机的额定电流。

同理计算，泵1电动机的反时限过负荷保护的动作电流整定为92.85 A；泵2电动机的反时限过负荷保护的动作电流整定为114.75 A；泵3电动机的反时限过负荷保护的动作电流整定为92.85 A；泵4电动机的反时限过负荷保护的动作电流整定为101.10 A。

极1-MCC-P1柜进线开关的反时限过负荷保护的动作整定值为271.20 A；极1-MCC-P2柜进线开关的反时限过负荷保护的动作整定值为393.10 A；极2-MCC-P1柜进线开关的反时限过负荷保护的动作整定值为371.20 A；极2-MCCP2柜进线开关的反时限过负荷保护的动作整定值为379.45 A。

根据电子脱扣器（PR212／P）可选档位（取大不取小），极1-MCC-P1柜开关、极1-MCC-P2柜开关、极2-MCC-P1柜开关、极2-MCC-P2柜开关计算的过载保护为I1＝0.6In，而当前的过载保护为I1＝0.4In，T1＝6 s。为了确保“能够躲过主泵切换过程中的冲击电流”，反时限过负荷保护的动作时间应该大于电动机带负荷时启动的时间，取T2＝6 s。将计算整定结果与当前整定值比较，当前启动电流整定值偏小，而动作时限一样。

2.4 上级电源开关保护

极1-MCC-P1馈线开关、极1-MCC-P2馈线开关、极2-MCC-P1馈线开关、极2-MCC-P2馈线开关，是MCC柜内进线开关的上级电源开关。4个馈线开关均配置ABB公司的电子脱扣器（PR222DS／P），其保护功能包括过载保护、延时短路保护和瞬时短路保护。

馈线开关与进线开关是一对一的连接关系，无其他支流，它的保护范围包括两个开关之间的电缆引线在内，同时也作为进线开关的后备保护，应考虑与下级保护有一个时限上的配合。当进线开关拒动时，延时跳闸。鉴于电子脱扣器（PR222DS／P）除过载保护外，其他保护功能均可关闭，因此只保留反时限过载保护的功能。

由于负载未增加，因此动作电流与进线开关的整定值保持一致，只在动作时间上添加一个延时，取△T＝2 s，则极1-MCC-P1馈线开关的动作电流为371.20 A；极1-MCC-P2馈线开关的动作电流为393.10 A；极2-MCC-P1馈线开关的动作电流为371.20 A；极2-MCC-P2馈线开关的动作电流为379.45 A。馈线开关过载动作时间为T2＋△T＝8 s。

根据电子脱扣器（PR222DS／P）可选档位（取大不取小），极1-MCC-P1馈线（1M Q414）、极1－MCC-P2馈线（3M Q414）、极2-MCC-P1馈线（9M Q315）、极2-MCC-P2馈线（7M Q415）计算的过载保护为I1＝0.6In，T1＝8 s；而当前的过载保护为I1＝280A，T1＝3 s。

将计算整定结果与当前整定值比较，当前整定的启动时间太短，存在比进线开关先跳闸的情况，即越级跳开关。

3 反事故措施

按照“水冷动力柜内主循环泵开关保护应只配置速断和过负荷保护，不再配置过流保护，保护的定值要能够躲过主泵切换过程中的冲击电流”的反事故措施要求，采取了两项技术措施。一是，停用4个电动机控制柜内的进线开关的延时短路保护功能。二是，鉴于近几次大修已对部分电动机进行了更换，所以对已经开启的电流速断保护和反时限过负荷保护，重新进行整定计算，以确保“保护的定值躲过主泵切换过程中的冲击电流”。考虑到部分设备存在一主一备的情况，在统计负荷的计算电流时，引入设备利用率K，以提高其准确性，而喷淋泵、冷却塔风扇等外水冷系统负载的计算电流In为227.74 A。

4 改进建议

经过深度隐患排查，建议停用4个进线开关的延时短路保护功能；停用4个馈线开关的延时短路保护和电流速断保护功能。建议参考按相关资料进行计算的保护整定值，如表1所示，最终整定值应由相关部门经过严格核算后为准。换流站水冷系统的380 V电源开关的电子脱扣器选型和整定时，当采用Tmax T5H630塑壳断路器、所接负载为电动机时，建议配置PR222MP型电子脱扣器，以实现对电动机的全面保护，选型时应查阅厂家说明书和现场应用业绩作为参考。