肖燁輝，朱 寧

（1.上海市電力公司檢修公司，上海 200063；2.國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司，北京 100039）

國家電網(wǎng)公司于2011年10月開展對直流換流站閥水冷卻系統(tǒng)隱患排查，南橋換流站以直流大修為契機，進行深度排查工作，查出閥水冷卻系統(tǒng)380 V電源開關(guān)與閥水冷卻系統(tǒng)電動機控制中心（MCC）的進線開關(guān)，在保護配合上存在不足。通過分析南橋站閥水冷卻系統(tǒng)380V電源開關(guān)上級和下級配合情況，對當(dāng)前保護整定值進行了修正，消除了隱患，并為其他常規(guī)換流站在閥水冷卻系統(tǒng)電動機的保護整定提供參考和借鑒。

1 隱患排查

目前，我國直流輸電工程大多采用由半控型晶閘管組建的換流閥。換流閥是直流輸電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，長期工作在高電壓、大電流下運行，產(chǎn)生的大量損耗將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，如不及時、有效地釋放熱量，閥體發(fā)熱會嚴(yán)重影響正常工作及壽命。為此，對換流閥采取水冷卻方式，由冷卻水帶走晶閘管工作損耗所產(chǎn)生的大量熱量。

閥水冷卻系統(tǒng)由主水回路和水處理回路組成。這兩部的核心設(shè)備都涉及到電動機，如主循環(huán)泵（為主水回路提供系統(tǒng)循環(huán)動力）、冷卻塔風(fēng)扇（加快空氣對流以提高對內(nèi)冷水系統(tǒng)散熱管的降溫效果）、冷卻塔噴淋泵（對散熱管進行冷卻）和外冷補給水深度處理系統(tǒng)中的數(shù)臺超濾反滲透動力設(shè)備等。這些電動機的運行和健康狀況，都會直接或間接地影響到高壓晶閘管換流閥的高效安全運行。

由于某換流站極1主循環(huán)泵開關(guān)配置了過流保護，曾于2010年12月3日2臺主泵定期切換時，過流定值未能躲過由變頻切換到工頻時的啟動電流值，造成兩套內(nèi)冷水循環(huán)泵開關(guān)相繼跳閘，極1強迫停運。為此，按照《國家電網(wǎng)公司防止直流換流站單、雙極強迫停運21項反事故措施》中“水冷動力柜內(nèi)主循環(huán)泵開關(guān)保護應(yīng)只配置速斷和過負(fù)荷保護，不再配置過流保護，保護的定值要能夠躲過主泵切換過程中的沖擊電流”的要求，在南橋換流站直流大修期間，對投運期間無法打開的4個電動機控制柜內(nèi)部進行了排查，記錄了極1-MCC-P1和極1-MCC-P2柜進線開關(guān)；極2－MCC-P1和極2-MCC-P2柜進線開關(guān)的電子脫扣器整定值；記錄了饋線1M Q414，3M Q414，9M Q315，7M Q415開關(guān)的電子脫扣器整定值。經(jīng)深度隱患排查，發(fā)現(xiàn)閥水冷卻系統(tǒng)380 V電源開關(guān)的保護存在隱患。

2 排查分析

2.1 主循環(huán)泵開關(guān)接線

南橋換流站的內(nèi)冷水系統(tǒng)每極有2臺主循環(huán)泵，1臺運行，1臺備用。每臺主循環(huán)泵由閥水冷卻系統(tǒng)的電動機控制中心提供單路380 V交流電源；MCC-P1柜為主泵1提供單路電源，MCC-P2柜為主泵2提供單路電源，主泵運行切換通過軟件控制。以極1為例，MCC-P1柜的上級電源是1M，MCC-P2柜的上級電源是3 M。MCC-P3柜為噴淋泵、冷卻塔風(fēng)扇、外冷水系統(tǒng)的變頻泵等負(fù)載提供冗余兩路電源，電源的切換通過ATS雙路電源切換裝置來實現(xiàn)。站用電及電動機控制柜接線示意圖，如圖1所示。

圖1 站用電及電動機控制柜接線

4個電動機控制柜內(nèi)的進線開關(guān)連接電網(wǎng)的終端負(fù)載，全部由電動機所構(gòu)成，其中負(fù)荷最大的是內(nèi)冷水系統(tǒng)的主循環(huán)泵。為了盡量減少換流站直流單極和雙極閉鎖的風(fēng)險，配置了電流速斷保護（即瞬時短路保護），一旦發(fā)生電動機的定子繞組相間短路、單相接地、一相匝間短路等故障，及時加以切除；同時還配置了反時限過負(fù)荷保護（即過載保護），一旦發(fā)生電動機堵轉(zhuǎn)、溫度超標(biāo)、過電流、絕緣老化等故障，及時加以切除。

4個電動機控制柜內(nèi)的進線開關(guān)，均配置了ABB公司SACE PR212／P電子脫扣器，其保護功能包括過載保護、延時短路保護和瞬時短路保護。過載保護整定值為I1＝0.4In，T1＝6 s；延時短路保護整定值為I2＝10In，T2＝0.5 s；瞬時短路保護整定值為I3＝8In。

從電動機保護力求簡單和可靠的原則出發(fā)，無時限脫扣的速斷和反時限長延時過負(fù)荷即可滿足要求。由于進線開關(guān)所帶負(fù)荷處在電網(wǎng)末端，不需要考慮與下級保護在時限上的配合問題。

2.2 電動機電流速斷保護

電動機電流速斷保護的動作電流，應(yīng)按照躲開供電網(wǎng)絡(luò)為全電壓和轉(zhuǎn)子回路中啟動電阻Re為零時，異步電動機的啟動電流的特性來整定，如圖2所示。

圖2 異步電動機的啟動電流特性

圖中Ist為啟動電流；Ist，max為最大啟動電流；Tst為異步電動機的啟動時間。

外冷水系統(tǒng)電動機負(fù)載電流速斷保護的動作電流：

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.4～1.8；Ist.max為最大啟動電流，通常為（4～8）In。

由于外冷水系統(tǒng)的電動機負(fù)載的最大額定功率為11 k W，大部分屬于輕載型啟動，因此Krel和Ist.max都取低值。同理，由于4臺主循環(huán)泵負(fù)載的最小額定功率為45 k W，屬于重載型啟動，故取Krel＝1.6，Ist.max＝7，則主循環(huán)泵1電動機的啟動電流整定為850.86 A；泵2電動機的啟動電流整定為1051.57 A；泵3電動機的啟動電流整定為850.86 A；泵4電動機的啟動電流整定為926.46 A。

由于MCC柜進線開關(guān)的電流整定值由外冷水系統(tǒng)電流整定值加上泵電動機的啟動電流整定值，所以極1-MCC-P1柜進線開關(guān)的電流整定值為2445.04 A；極1-MCC-P2柜進線開關(guān)的電流整定值為2645.75A；極2-MCC-P1柜進線開關(guān)的電流整定值為2445.04 A；極2-MCC-P2柜進線開關(guān)的電流整定值為2520.64 A。

以上速斷保護動作電流的整定，是以躲過主循環(huán)泵未采用軟起動器啟動、主循環(huán)泵和外冷水系統(tǒng)電動機負(fù)載同時啟動時產(chǎn)生的啟動電流來整定。動作時限為電子脫扣器的固有動作時間T小于或等于25 ms。通過對主水流量跳閘邏輯的驗證，速斷保護的零時限動作時間加上切至備用泵的時間，小于主水流量低保護的動作時間。

根據(jù)電子脫扣器（PR212／P）可選檔位（取大不取小），極1-MCC-P1柜開關(guān)、極1-MCC-P2柜開關(guān)、極2-MCC-P1柜開關(guān)、極2-MCC-P2柜開關(guān)計算的瞬時短路保護為I3＝4In，而當(dāng)前的瞬時短路保護為I3＝8In。也就是說，當(dāng)前電流速斷保護的動作值是計算值的2倍，結(jié)果偏大，無法起到保護電動機的作用。

2.3 反時限過負(fù)荷保護

電動機的過負(fù)荷分為短時性和長時性兩種，只有長時性的過負(fù)荷才會對電動機造成危害。例如：由正常啟動所引起的過電流是短時性的，當(dāng)達到額定轉(zhuǎn)速后會自行消失。電動機過負(fù)荷保護通常采用反時限過流繼電器來構(gòu)成，其動作電流按照躲過電動機的額定電流整定，動作時間按照躲過電動機帶負(fù)荷啟動的時間。

外冷水系統(tǒng)電動機負(fù)載反時限過負(fù)荷保護的動作電流：

式中：Krel為可靠系數(shù)，當(dāng)保護動作于信號時，取1.05；當(dāng)動作于跳閘時，取1.1～1.2；Kre為繼電器返回系數(shù)，一般取0.8～0.9；In為電動機的額定電流。

同理計算，泵1電動機的反時限過負(fù)荷保護的動作電流整定為92.85 A；泵2電動機的反時限過負(fù)荷保護的動作電流整定為114.75 A；泵3電動機的反時限過負(fù)荷保護的動作電流整定為92.85 A；泵4電動機的反時限過負(fù)荷保護的動作電流整定為101.10 A。

極1-MCC-P1柜進線開關(guān)的反時限過負(fù)荷保護的動作整定值為271.20 A；極1-MCC-P2柜進線開關(guān)的反時限過負(fù)荷保護的動作整定值為393.10 A；極2-MCC-P1柜進線開關(guān)的反時限過負(fù)荷保護的動作整定值為371.20 A；極2-MCCP2柜進線開關(guān)的反時限過負(fù)荷保護的動作整定值為379.45 A。

根據(jù)電子脫扣器（PR212／P）可選檔位（取大不取小），極1-MCC-P1柜開關(guān)、極1-MCC-P2柜開關(guān)、極2-MCC-P1柜開關(guān)、極2-MCC-P2柜開關(guān)計算的過載保護為I1＝0.6In，而當(dāng)前的過載保護為I1＝0.4In，T1＝6 s。為了確?！澳軌蚨氵^主泵切換過程中的沖擊電流”，反時限過負(fù)荷保護的動作時間應(yīng)該大于電動機帶負(fù)荷時啟動的時間，取T2＝6 s。將計算整定結(jié)果與當(dāng)前整定值比較，當(dāng)前啟動電流整定值偏小，而動作時限一樣。

2.4 上級電源開關(guān)保護

極1-MCC-P1饋線開關(guān)、極1-MCC-P2饋線開關(guān)、極2-MCC-P1饋線開關(guān)、極2-MCC-P2饋線開關(guān)，是MCC柜內(nèi)進線開關(guān)的上級電源開關(guān)。4個饋線開關(guān)均配置ABB公司的電子脫扣器（PR222DS／P），其保護功能包括過載保護、延時短路保護和瞬時短路保護。

饋線開關(guān)與進線開關(guān)是一對一的連接關(guān)系，無其他支流，它的保護范圍包括兩個開關(guān)之間的電纜引線在內(nèi)，同時也作為進線開關(guān)的后備保護，應(yīng)考慮與下級保護有一個時限上的配合。當(dāng)進線開關(guān)拒動時，延時跳閘。鑒于電子脫扣器（PR222DS／P）除過載保護外，其他保護功能均可關(guān)閉，因此只保留反時限過載保護的功能。

由于負(fù)載未增加，因此動作電流與進線開關(guān)的整定值保持一致，只在動作時間上添加一個延時，取△T＝2 s，則極1-MCC-P1饋線開關(guān)的動作電流為371.20 A；極1-MCC-P2饋線開關(guān)的動作電流為393.10 A；極2-MCC-P1饋線開關(guān)的動作電流為371.20 A；極2-MCC-P2饋線開關(guān)的動作電流為379.45 A。饋線開關(guān)過載動作時間為T2＋△T＝8 s。

根據(jù)電子脫扣器（PR222DS／P）可選檔位（取大不取?。瑯O1-MCC-P1饋線（1M Q414）、極1－MCC-P2饋線（3M Q414）、極2-MCC-P1饋線（9M Q315）、極2-MCC-P2饋線（7M Q415）計算的過載保護為I1＝0.6In，T1＝8 s；而當(dāng)前的過載保護為I1＝280A，T1＝3 s。

將計算整定結(jié)果與當(dāng)前整定值比較，當(dāng)前整定的啟動時間太短，存在比進線開關(guān)先跳閘的情況，即越級跳開關(guān)。

3 反事故措施

按照“水冷動力柜內(nèi)主循環(huán)泵開關(guān)保護應(yīng)只配置速斷和過負(fù)荷保護，不再配置過流保護，保護的定值要能夠躲過主泵切換過程中的沖擊電流”的反事故措施要求，采取了兩項技術(shù)措施。一是，停用4個電動機控制柜內(nèi)的進線開關(guān)的延時短路保護功能。二是，鑒于近幾次大修已對部分電動機進行了更換，所以對已經(jīng)開啟的電流速斷保護和反時限過負(fù)荷保護，重新進行整定計算，以確?！氨Ｗo的定值躲過主泵切換過程中的沖擊電流”?？紤]到部分設(shè)備存在一主一備的情況，在統(tǒng)計負(fù)荷的計算電流時，引入設(shè)備利用率K，以提高其準(zhǔn)確性，而噴淋泵、冷卻塔風(fēng)扇等外水冷系統(tǒng)負(fù)載的計算電流In為227.74 A。

4 改進建議

經(jīng)過深度隱患排查，建議停用4個進線開關(guān)的延時短路保護功能；停用4個饋線開關(guān)的延時短路保護和電流速斷保護功能。建議參考按相關(guān)資料進行計算的保護整定值，如表1所示，最終整定值應(yīng)由相關(guān)部門經(jīng)過嚴(yán)格核算后為準(zhǔn)。換流站水冷系統(tǒng)的380 V電源開關(guān)的電子脫扣器選型和整定時，當(dāng)采用Tmax T5H630塑殼斷路器、所接負(fù)載為電動機時，建議配置PR222MP型電子脫扣器，以實現(xiàn)對電動機的全面保護，選型時應(yīng)查閱廠家說明書和現(xiàn)場應(yīng)用業(yè)績作為參考。

表1 計算整定結(jié)果匯總

5 結(jié)語

閥水冷卻系統(tǒng)是常規(guī)換流站的重要部分，因此在設(shè)計和運維階段都應(yīng)重視這一環(huán)節(jié)。正確整定閥水冷卻系統(tǒng)中電動機開關(guān)的保護值，并以此為依據(jù)對電動機的開關(guān)合理選型，才能避免高壓晶閘管和換流閥等設(shè)備的損壞，以確保直流系統(tǒng)安全可靠地運行。