(國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000)

0 引 言

特高壓宜賓站在雙極低端帶電調(diào)試過程中多次出現(xiàn)換流變壓器冷卻器電源異常故障，且后臺(tái)OWS系統(tǒng)“故障”信號消失后，現(xiàn)場換流變壓器冷卻器電源故障不能自動(dòng)復(fù)歸。2014年3月19日宜賓換流站交流系統(tǒng)受到異常擾動(dòng)，雙極低端12臺(tái)換流變壓器同時(shí)發(fā)出“換流變兩路交流電源故障、換流變冷卻器全停”。下面從站內(nèi)站用電結(jié)構(gòu)、400 V電壓擾動(dòng)波形以及冷卻器電源繼電器選型等方面對本次事故進(jìn)行詳細(xì)分析，查找出本次事故的具體原因，并對站用電400 V電壓擾動(dòng)提出改進(jìn)建議。

1 換流變壓器冷卻器電源配置

1.1 宜賓換流站站用電

特高壓宜賓換流站站用電系統(tǒng)采用2回站內(nèi)500 kV電源和1回站外35 kV電源供電。第1回取自本站500 kV GIS Ⅰ母；第2回取自本站500 kV GIS Ⅱ母；第3回采用架空線(普雙線)取自110 kV普安變電站35 kV間隔引入本站；第1回和第2回是主電源，采用500 kV/35 kV變壓器降壓后接入相應(yīng)35 kV母線，再采用35 kV/10 kV變壓器二級降壓后接入10 kV站用電系統(tǒng)；第3回是備用電源，采用35 kV線路引接至站內(nèi)后，通過1臺(tái)35 kV/10 kV站用變壓器變壓后接入站10 kV系統(tǒng)[1-2]。

站用電35 kV電源經(jīng)35 kV/10 kV變壓器降壓后，通過地下電纜連接到交流場10 kV配電室的10 kV母線，經(jīng)10 kV母線分配后通過10/0.4 kV干式變壓器連接至布置在主、輔控制樓一樓及站公用400 V配電室；400 V側(cè)直接與各低壓配電屏相連。

10 kV系統(tǒng)采用3段母線布置，設(shè)2個(gè)工作段和1個(gè)備用段，每段各由1回獨(dú)立的電源供電。10 kV電源進(jìn)線開關(guān)與10 kV母聯(lián)開關(guān)之間能實(shí)現(xiàn)備自投功能。400 V每段母線的電源進(jìn)線開關(guān)與每段母線的母聯(lián)開關(guān)之間能實(shí)現(xiàn)備用自投功能。當(dāng)10 kV備用自投不成功時(shí)，400 V備用自投功能啟動(dòng)，以保證400 V母線正常供電。

10 kV母線工作Ⅰ段帶極Ⅰ高端閥組交流配電室111B站用變壓器、極Ⅰ低端閥組交流配電室113B站用變壓器、極Ⅱ高端閥組交流配電室121B站用變壓器、極Ⅱ低端閥組交流配電室123B站用變壓器、公用交流配電室101B站用變壓器。

10 kV母線工作Ⅱ段帶極Ⅰ高端閥組交流配電室112B站用變壓器、極Ⅰ低端閥組交流配電室114B站用變壓器、極Ⅱ高端閥組交流配電室121B站用變壓器、極Ⅱ低端閥組交流配電室124B站用變壓器、公用交流配電室102B站用變壓器。

10 kV母線工作Ⅲ段充電備用。

400 V系統(tǒng)分為5個(gè)主動(dòng)力中心，分別為：極Ⅰ高、低端400 V系統(tǒng)，極Ⅱ高、低端400 V系統(tǒng)，站公用400 V系統(tǒng)。400 V系統(tǒng)采用母線分段運(yùn)行，每段母線由1回獨(dú)立的電源供電。

1.2 冷卻器控制柜交流電源自動(dòng)切換回路工作原理

宜賓換流站極Ⅰ、極Ⅱ高低端換流變壓器冷卻器就地動(dòng)力控制柜交流電源共有2路，分別取自400 V站用電極I、極Ⅱ高低端的A、B兩段，2路電源為主備用關(guān)系。正常運(yùn)行時(shí)第1路電源為主用，第1路電源故障時(shí)柜內(nèi)電源自動(dòng)切換至第2路電源繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)?shù)?路電源恢復(fù)正常時(shí)再切回至第1路電源運(yùn)行。

1.3 冷卻器控制柜電源電壓監(jiān)視繼電器

宜賓換流站冷卻器基地控制柜電源電壓監(jiān)視繼電器型號為CM-PVS，具有以下特點(diǎn)：

1)三相電源的相序監(jiān)測(可關(guān)閉)、斷相、過壓和欠壓；

2)可調(diào)節(jié)過壓和欠壓門限值的絕對值；

3)跳閘延遲可以被調(diào)整或通過對數(shù)刻度的裝置關(guān)閉；

4)導(dǎo)通延遲或關(guān)斷延時(shí)脫扣延時(shí)可選；

5)由測量電路提供電源。

該電源電壓監(jiān)視繼電器中包含2個(gè)紅色LED指示燈分別為F1和F2，均代表過電壓信息的報(bào)警。

2014年3月19日宜賓站換流站用電擾動(dòng)后，雙極低端12臺(tái)換流變壓器就地控制柜內(nèi)2路交流電源監(jiān)視繼電器過壓動(dòng)作指示燈F1(錯(cuò)誤信號燈)點(diǎn)亮，用萬用表測量交流進(jìn)線電壓為405 V，高于電壓監(jiān)視繼電器的過壓動(dòng)作返回值399 V，導(dǎo)致此報(bào)警燈一直未復(fù)歸，在過電壓消失之后，該過電壓報(bào)警燈一直點(diǎn)亮的情況。

1.4 冷卻器風(fēng)機(jī)控制柜內(nèi)電源電壓監(jiān)視繼電器工作原理

特高壓宜賓換流站換流變壓器冷卻器就地動(dòng)力控制柜所用的電源電壓監(jiān)視繼電器型號為CM-PVS，主要用來監(jiān)視交流進(jìn)線電源過壓、欠壓、缺相等故障。如圖1所示，當(dāng)電壓監(jiān)視繼電器K80.1檢測到交流電源1異常時(shí)，通過控制回路斷開K30.1接觸器，交流電源1停止供電。

CM-PVS電源電壓監(jiān)視繼電器主要應(yīng)用在交流三相電機(jī)工作回路中，用于保護(hù)電機(jī)安全運(yùn)行。該繼電器本身帶有時(shí)間延時(shí)功能，可以選擇延時(shí)動(dòng)作或延時(shí)返回。宜賓換流站CM-PVS的延時(shí)時(shí)間設(shè)置為0，即當(dāng)繼電器過/欠壓動(dòng)作后接點(diǎn)立即動(dòng)作，當(dāng)故障消失后接點(diǎn)返回。其電壓保護(hù)工作原理如圖2所示，以宜賓換流站為例，當(dāng)工作電壓大于U1(420 V)時(shí)，接點(diǎn)立即動(dòng)作，當(dāng)電壓低于399 V時(shí)接點(diǎn)延時(shí)后返回；當(dāng)電壓低于U2(340 V)，接點(diǎn)立即動(dòng)作，當(dāng)電壓高于357 V時(shí)接點(diǎn)延時(shí)后返回。

圖1 CM-PVS電源電壓監(jiān)視繼電器原理接線

圖2 CM-PVS電源電壓監(jiān)視繼電器保護(hù)工作原理

1.5 宜賓換流站35 kV低抗控制策略

宜賓換流站現(xiàn)有6組低壓電抗器(以下簡稱低抗)，35 kV 1號、2號母線各帶3組，站用電低抗控制策略如下：

1)每組低抗均有“參與換流母線電壓控制”、“參與換流站無功平衡”兩種運(yùn)行狀態(tài)。

2)低抗單獨(dú)設(shè)置自動(dòng)/手動(dòng)切換功能，自動(dòng)/手動(dòng)切換功能對“參與換流母線電壓控制”的低抗有效?！皡⑴c換流站無功平衡”的低抗的自動(dòng)/手動(dòng)投切由直流無功控制(RPC)確定。

3)直流閉鎖情況下，所有低抗均“參與換流母線電壓控制”。

4)直流解鎖時(shí)，RPC選擇兩組未投運(yùn)低抗“參與換流站無功平衡”，這兩組低抗在直流解鎖期間一直“參與換流站無功平衡”，直到直流閉鎖；直流閉鎖后，“參與換流站無功平衡”的低抗恢復(fù)為“參與換流母線電壓控制”。

5)“參與換流母線電壓控制”策略：交流電壓高于540 kV，延時(shí)5 s投入1組低抗，選擇原則以使兩臺(tái)站用變壓器低抗趨于平衡為目標(biāo)；交流電壓低于525 kV，延時(shí)5 s切除一臺(tái)低抗，選擇原則以使兩臺(tái)站用變下低抗趨于平衡為目標(biāo)。參與換流站無功平衡的低抗不參與電壓控制。

2 事件過程及故障分析過程

2.1 事件過程

2014年3月19日20：47，宜賓換流站直流系統(tǒng)停運(yùn)，OWS界面顯示交流母線電壓為497 kV，1 s后事件記錄DCSA/B主機(jī)報(bào)“WC1-Z2-Q1(312)斷路器分”事件。20：47：43，OWS界面顯示交流母線電壓為524 kV仍然低于525 kV，DCSA/B主機(jī)隨即報(bào)“WC1-Z5-Q1(322)斷路器分”事件，此時(shí)交流母線電壓為530 kV，此后400 V母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)。宜賓換流站500 kV高壓側(cè)母線電壓波動(dòng)后查看故障時(shí)刻事件記錄見表1，在切除低抗312L、322L后，400 V交流系統(tǒng)母線電壓波動(dòng)持續(xù)120 ms，導(dǎo)致CM-PVS電源電壓監(jiān)視繼電器故障接點(diǎn)無法返回，最后換流變壓器冷卻器控制柜電源失電。

表1 低抗切除時(shí)刻事件記錄

2.2 站內(nèi)出現(xiàn)短時(shí)過電壓原因分析

如圖3所示，在20:47:32：439時(shí)刻，500 kV交流系統(tǒng)出現(xiàn)異常擾動(dòng)，交流母線電壓下降至最低495 kV，根據(jù)換流母線電壓控制邏輯，當(dāng)電壓低于525 kV時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切除參與電壓控制的低抗，時(shí)間延時(shí)為5 s，直至全部切除完為止。

綜上所述，站內(nèi)低抗在閥組解鎖時(shí)兩組未投入低抗參與站內(nèi)無功計(jì)算，當(dāng)閥組閉鎖后參與交流母線電壓控制。交流系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，直流系統(tǒng)處于停運(yùn)狀態(tài)，但站內(nèi)兩組低抗在運(yùn)行狀態(tài)。20:47:32交流母線最低電壓為497 kV，低于母線電壓控制切除低抗策略定值電壓，延時(shí)5 s后切除一組低抗312L，之后交流母線電壓仍低于切除低抗定值電壓，故延時(shí)5 s切除另一組低抗322L。

圖3 500 kV交流系統(tǒng)母線電壓錄波

站內(nèi)在10 s內(nèi)連續(xù)切除2組低抗導(dǎo)致系統(tǒng)暫態(tài)電壓升高。由于500 kV站用電系統(tǒng)分接開關(guān)為無載調(diào)壓模式，故不能快速調(diào)節(jié)電壓變化，因此400 V母線電壓出現(xiàn)短時(shí)過壓情況。

查看當(dāng)時(shí)站用電系統(tǒng)故障錄波，從500 kV站用變壓器高壓側(cè)電流變化可以看出，切除312L時(shí)間為2014-03-19 20:48:04：122，切除322L時(shí)間為2014-03-19 20:48:09：590，前后時(shí)間相差5 s，與軟件設(shè)置一致。

2.3 交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)后果分析

查看400 V母線故障錄波，如圖4所示。根據(jù)式(1)可計(jì)算得出，母線短時(shí)出現(xiàn)過電壓為421.7 V，持續(xù)時(shí)間約為120 ms，之后恢復(fù)至405 V運(yùn)行。

(1)

式中：Uf為母線三相暫態(tài)過電壓；U1為母線單相過電壓的有效值；n為變壓器變比。

根據(jù)CM-PVS工作特性和當(dāng)前設(shè)定值可知，當(dāng)400 V母線電壓低于420 V運(yùn)行時(shí)，兩路交流電源同時(shí)故障，約120 ms后過電壓情況消失。此時(shí)400 V母線電壓為405 V，高于動(dòng)作返回值399 V，電壓監(jiān)視繼電器仍然認(rèn)為過壓情況未消失，故接點(diǎn)不能返回，造成冷卻器兩路交流電源同時(shí)失電，而實(shí)際上交流系統(tǒng)并沒有真正失電。

圖4 400 V母線故障錄波

根據(jù)以上情況總結(jié)分析，宜賓換流站交流系統(tǒng)可能存在短時(shí)過電壓(約1.05 p.u.)情況,持續(xù)時(shí)間約120 ms，按照目前電壓監(jiān)視繼電器設(shè)置情況，電壓監(jiān)視繼電器定值整定靈敏度較高且故障持續(xù)時(shí)間過長，導(dǎo)致故障消失后繼電器接點(diǎn)不能及時(shí)返回，存在換流變壓器冷卻器全停的隱患，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 改進(jìn)措施及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)措施

通過上述分析，經(jīng)與設(shè)備廠家探討，現(xiàn)場已從兩個(gè)方面進(jìn)行整改：

1)通過試驗(yàn)得出400 V系統(tǒng)電壓波動(dòng)的峰值，依照中國電科院的試驗(yàn)結(jié)果，該峰值為433 V。

2)將電壓監(jiān)視繼電器的控制模式由延時(shí)返回改為延時(shí)動(dòng)作。如圖5所示，所謂延時(shí)返回就是使繼電器設(shè)定的故障返回時(shí)間區(qū)域t2大于電壓故障時(shí)間區(qū)域t0，在故障時(shí)間段內(nèi)的任意時(shí)刻檢查到故障消失都可以使故障信號消失，但如果電壓故障時(shí)間超過故障返回時(shí)間(在超出故障返回時(shí)間的故障時(shí)間段內(nèi))繼電器會(huì)認(rèn)為該故障依然存在，所以故障信號不會(huì)消失。而延時(shí)動(dòng)作則是讓繼電器設(shè)定的故障返回時(shí)間區(qū)域t1滯后電壓故障時(shí)間區(qū)域并且小于該時(shí)間區(qū)域t0，這樣一來，當(dāng)電壓故障出現(xiàn)時(shí)，原本應(yīng)該動(dòng)作的繼電器由于滯后了一段時(shí)間而沒有動(dòng)作，從而躲過該電壓波動(dòng)。二者比較可以看出，延時(shí)動(dòng)作主動(dòng)地躲過了電壓故障，不會(huì)存在故障信號不能消失的隱患，所以將電壓監(jiān)視繼電器的控制模式由延時(shí)返回改為延時(shí)動(dòng)作[3]。動(dòng)作延時(shí)由100 ms改為500 ms(大于交流系統(tǒng)擾動(dòng)產(chǎn)生過電壓的時(shí)間約120 ms，并在此基礎(chǔ)上增加一定的裕度)。

圖5 “延時(shí)返回”與“延時(shí)動(dòng)作”示意

3)將電壓監(jiān)視繼電器過電壓門檻值由420 V提高至440 V，返回值和欠電壓門檻值也隨之提高。正是因?yàn)槟壳耙速e換流站400 V工作電壓在403 V左右，按照之前的參數(shù)設(shè)置，若繼電器檢測出故障后動(dòng)作，則故障消失后不能自動(dòng)返回。

3.2 驗(yàn)證步驟及試驗(yàn)結(jié)論

為此中國電科院進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)：在閥組隔離狀態(tài)下，同時(shí)拉開同一35 kV母線上的3組低抗負(fù)載。

由于在站內(nèi)小系統(tǒng)運(yùn)行方式下，投切電抗器對站內(nèi)交流系統(tǒng)電壓影響最嚴(yán)重，故選擇同時(shí)切除3組低抗作為較為極端的試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后查看故障錄波，發(fā)現(xiàn)投切對400 V母線電壓有較大沖擊，暫態(tài)電壓明顯上升，最高電壓出現(xiàn)在C相，達(dá)到433 V并持續(xù)約60 ms，如圖6所示。

圖6 低抗切除后400 V母線故障錄波

現(xiàn)場檢查，換流變壓器冷卻器就地控制柜交流開關(guān)電壓監(jiān)視器狀態(tài)正常(過電壓門檻值為440 V，大于400 V母線沖擊電壓433 V，監(jiān)視器未動(dòng)作)。

試驗(yàn)結(jié)論：新設(shè)定的電壓監(jiān)視繼電器定值能夠躲過上述嚴(yán)重工況下的電壓沖擊，上述定值設(shè)置較為合理。

4 結(jié) 語

400 V交流系統(tǒng)擾動(dòng)不容忽視。導(dǎo)致出現(xiàn)此類問題的原因基本都是400 V交流負(fù)荷電源開關(guān)設(shè)計(jì)和定值沒有針對400 V交流系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)的電壓變化范圍作出優(yōu)化改進(jìn)。由于廠家選擇繼電器型號與設(shè)定繼電器定值時(shí)是出于保證自己設(shè)備運(yùn)行“無風(fēng)險(xiǎn)、低損耗、壽命長”的原則，對于運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷變化確實(shí)是存在著一定的局限性。因?yàn)檫\(yùn)行單位要求

的是整個(gè)交、直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，盡量減小系統(tǒng)波動(dòng)影響而帶來對不同繼電器定值范圍的要求自然而然要大一些，這就意味著有了足夠的定值范圍，設(shè)備繼電器與設(shè)備可以躲過比較嚴(yán)重的系統(tǒng)電壓波動(dòng)。但這對于運(yùn)行設(shè)備而言，過高的電壓就會(huì)讓設(shè)備承受更大沖擊，對設(shè)備的影響也相應(yīng)增加。雖然這種情況與廠家的想法背道而馳，但是如果在迎峰度夏大負(fù)荷情況下發(fā)生這種事故，對電網(wǎng)的影響可是巨大的，作為特高壓直流輸電的運(yùn)維單位對這種隱患的存在絕對不能忽視。所以針對本站出現(xiàn)的400 V系統(tǒng)電壓波動(dòng)情況，在今后的生產(chǎn)過程中提出以下建議：

1)選定同時(shí)切除站內(nèi)3組低抗的較為極端的試驗(yàn)，對站內(nèi)現(xiàn)有負(fù)荷開關(guān)進(jìn)行波動(dòng)的耐受試驗(yàn)。

2)根據(jù)宜賓換流站內(nèi)實(shí)際電壓波動(dòng)情況，選擇與之相適應(yīng)的400 V負(fù)荷電源。

3)各類繼電器的門檻值以及返回值的設(shè)定要留有充分地裕度。

4)在今后設(shè)備選型方面，要依據(jù)站內(nèi)實(shí)際要求，選擇裕度足夠大，抗電壓波動(dòng)性足夠強(qiáng)的設(shè)備。

5)建議錦屏換流站擇期針對此隱患進(jìn)行相對應(yīng)的沖擊試驗(yàn)：在站內(nèi)小系統(tǒng)運(yùn)行方式下，補(bǔ)做投切電抗器對站內(nèi)交流系統(tǒng)電壓影響最嚴(yán)重的同時(shí)切除3組低抗的極端試驗(yàn)，來驗(yàn)證400 V所帶負(fù)荷，包括閥水冷卻器、換流變壓器冷卻器等電壓監(jiān)視繼電器是否會(huì)出現(xiàn)上述異常情況，并及時(shí)改進(jìn)。