柔性直流背靠背换流站站用电运维优化研究

2023-03-09中国南方电网广东电网有限责任公司广州供电局陈帅帅

电力设备管理 2023年1期

中国南方电网广东电网有限责任公司广州供电局陈帅帅

1 换流站站用电系统设计

1.1 设计思路分析

背靠背柔性直流换流站的作用是实现两片电网的异步互联。500kV 交流变电站站用电电源一般取自两台不同主变压器的低压侧交流母线，外加一路来自外部变电站的备用电源。但换流站的一次交流系统最低电压等级的交流母线来自500kV交流场。

换流站站用电负荷的容量远大于常规交流变电站站用负荷容量，并且换流站站用电负荷分布比较分散，站内各个区域如交流场、直流场、阀厅、换流变区域等，很多设备都需要提供交流电源才能够正常运行[1]。背靠背换流站站用电交流系统采用三路独立的电源供电，其设计站用主接线图如图1所示。

图1 站用电主接线图

考虑到供电的可靠性和电源的冗余度，两路主用电源需要分别从两片电网获取，这样可避免一片电网“全黑”导致站用电停电，但两片电网是异步运行的，合环运行就会有短路的风险。所以背靠背换流站的站用电系统不可以像交流变电站那样短时合环运行而实现站用电不停电倒闸操作。为避免站用电系统合环运行，在进线开关和母联开关的控制回路中设置联锁，即两个进线开关合位时，母联开关不能合上。缩短倒闸操作时导致的站用电停电时间可使用站用电控制系统中的电源自投逻辑实现，即停电时切开站用变压器变高开关使低压进线开关无压无流，从而满足备自投逻辑动作条件，自动先跳开进线开关，再合上母联开关；当复电时，合上站用变压器变高开关后，变低进线检测有电压后先切开母联开关，再合上进线开关恢复正常运行方式。

1.2 站用电系统架构

站用电采用3路独立电源供电，其中主用电源2路，备用电源1路[2]。左边工作电源取自穗东侧（东侧）交流场500kV＃1 站用变压器变低501 开关，向10kV I母线供电；由于增城侧（西侧）的交流场是500kV增城变电站，所以右边工作电源取自增城站两台主变压器低压侧35kV母线，经两条35kV线路送至换流站35kV 母线，可以保证在500kV 增城变电站单台主变压器停电检修时该路电源不停电。再经35kV＃2 站用变压器变低502 开关，向10kV II 母线供电；中间路备用电源取自附近具备220kV发电厂线路接入的220kV 交流变电站110kV 线路，经110kV#3 站用变503 开关，向10kV III 母线供电。

换流站配备10 台10kV 干式变，总共5 组，每两台互为备用，#1～#8 干式变分别主要给4 个阀厅的水冷机组、空调机组、直流充电机供电。一旦一个阀厅的两台10kV 干式变电源全失，则该阀厅的水冷机组全停，进而导致该阀厅的换流阀闭锁，如果直流运行在功率传输模式，将闭锁整个直流单元。

2 故障分析与事故预想

换流站站用电系统非正常停运会导致换流阀冷却系统停运，进而引发直流闭锁并跳闸。站用电系统非正常停运故障包括发生故障时保护正确动作隔离故障、保护误动作导致停运以及倒闸操作误操作时导致停运。

2.1 发生故障时保护正确动作导致停运

换流站设计10kV 和400V 两级备自投功能[1]。为了保证在10kV母线倒闸操作时400V备自投误动作，需要确保400V母线备自投的动作延时比10kV母线备自投动作时间长且留有一定裕度。换流阀水冷机组以及阀厅空调机组的水泵都是冗余配备的，在保护正确动作的前提下，只有400V 母线在单一电源运行时发生故障或者两路电源同时故障才可能导致换流阀水冷机组全停。

由于400V两路进线电源都取自10kV不同的两条母线，在10kV母线正常运行时，400V两路电源同时故障的概率很低。但存在10kV 母线的电源故障导致10kV母线停运，造成400V两条母线全停的可能性。例如，一路站用电源检修，雷雨天气造成两路站用电源同时或相继失电；两路站用电源检修，一路站用电源发生跳闸失电；三路站用电源同时或者相继失电导致10kV 三段母线失压等都会导致两段400V母线同时失压。

对于400V 母线在单一电源运行时发生故障的概率相对较高。例如，10kV #I 母线或#II 母线中有一段母线检修，另一段母线故障；低压交流配电室400V母线的一段母线或电源在停电检修，运行母线发生故障或母线下级故障越级跳闸造成母线失电等会发生两段400V母线全停的情况。

2.2 保护误动或者拒动导致停运

粤中站试运行期间，站用电倒闸操作中一起保护不正确动作导致一条400V 母线停电的事件。倒闸操作前，站用电系统运行于正常运行方式。10台10kV 干式变所，400V 母线负荷分配情况如表1所示。

表1 400V母线负荷分配情况

由表1可知，主用的水泵电机主要都由#1、#3、#5、#7干式变所带，其备用电源带负荷较轻的电机运行，单元二增城侧#5干式变多带站里生活用水的机组以及一些重要场所的备用照明，所以#5干式变的负荷要比#1、#3、#7干式变的负荷要重。当倒闸操作开始切开35kV站用变变开关时，10kV母线备自投动作，切开35kV 站用变变低开关后，合上10kV II母线和III母线的母联开关。此时10kV I母线带的#5干式变变低开关的过流保护动作跳开。

查看定值发现保护装置过流II 段定值整定为0.81A（二次值），延时0.5s。电流互感器变比为5000/1A，则故障电流为4115A，电流最大相和最小相相差215A。由交流场负荷可知，照明用的单相负荷非常小，而且设计时都考虑三相均衡分布。所以说明故障跳闸是由于运行于#6 干式变所带400V母线的电机除水冷主循环泵电机外全部切换至#5干式变供电，而电机零起时产生励磁涌流造成的跳闸。且由于#5干式变负荷较重，叠加上励磁涌流才刚好达到过流II 段动作定值并在0.5s 内未返回。当水冷机组和空调机组负荷切换至#6干式变的时候，保护没有动作跳闸，由此说明此次电机的切换造成的励磁涌流在0.5s内降到保护动作定值以内。

2.3 倒闸操作时误操作导致停运

如果在倒闸操作时发生误操作，会导致负荷丢失或者设备故障。由于相应的断路器、隔离开关和接地刀闸之间的控制回路都已经设置联锁，且一次设备之间也已经设置机械闭锁，所以发生误操作较大的可能性就是误分合断路器。可能出现的误操作包括以下，一是由于站用电系统倒闸操作是靠站用电备自投进行停复电的，如果在进线开关停电的时候备自投在退出状态，母联开关将无法自动合上，进而导致一段母线失压。二是停电时误切站用变变低进线开关，这时备自投闭锁，母线开关不会合上，导致一段母线失压。三是误分断路器或带地线送电导致站用电进线电源失压。

3 运维策略优化

3.1 针对站用电源失去冗余后

开展10kV #I M 或#II M 母线检修前，应确认另外一段母线无异常、缺陷，并进行一次巡视、红外测温、紫外成像检查，以确定母线是否具备停电条件。在一段10kV 母线或电源停电检修，提高400V 运行母线所带负荷以及上级电源的运维等级，加强对无冗余运行设备巡视和测温的频率，及时发现设备存在的缺陷或者有无过负荷并尽快消除，防止事故进一步发展。在只有400V 一段母线电源供电时，应停止一切有可能影响站用电供电的工作，防止人为原因造成无冗余设备失去供电。尽快恢复单元400V 站用电两段母线正常供电，使设备再次进入有冗余状态。

3.2 针对保护误动或拒动导致停运

对于上述分析的过流II 段保护不正确动作，是由于励磁涌流叠加基数较高的负荷电流导致保护动作出口。一般对于感性和容性负荷，在合闸角度未到达一定恶劣的情况下，励磁涌流在几个周期内很快就衰减下来，只要过流保护的定值和延时适当，很容易就躲过励磁涌流造成的保护误动，但增加过流保护的延时要考虑断路器的热稳定性。考虑负荷基数大的原因，可以适当调高#5干式变变电开关的过流保护动作定值。

为了保证其继电保护的可靠性和开关机构可靠动作特性，可以适当缩短其检修周期。为了减少站用电停电对高压直流运行的影响，可以在每年直流停电大修的窗口伺机开展停电检修工作。

3.3 针对误操作导致停运

一是严格执行公司针对误操作制定的规章制度，对于生产一线的员工要组织学习以往因为误操作导致的事故案例，使操作人员对误操作的严重性有深刻的认识，使其杜绝倒闸操作时的麻痹性，提高其专注性。二是倒换母线前应确认备自投功能正常。三是加强运行人员的培训以加深其对设备的熟悉程度，使其对生产设备的运行方式有充分了解。