500kV靜安地下變電站水循環(huán)冷卻系統(tǒng)故障分析

李 迅，王謝燕

（上海交通大學 電氣工程系，上海 200240）

0 引言

隨著上海經(jīng)濟的快速發(fā)展，為了解決上海浦西內(nèi)環(huán)線以內(nèi)中心城區(qū)供電緊張局面，改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增加降壓容量，優(yōu)化供電模式，提高供電可靠性，上海市電力公司在中心城區(qū)建設了500kV靜安地下變電站，同時將地面建設成靜安雕塑公園［1]。

500kV地下變電站屬國內(nèi)首創(chuàng)，按全地下設計，本體按圓形考慮，地下結(jié)構(gòu)為4層，在地下3層布置的變壓器及電抗器，采用強油水冷的冷卻方式。水循環(huán)冷卻回路作為與主設備直接關聯(lián)的重要輔助設備，它的故障將直接導致主變被迫停運或主變發(fā)熱損壞。

500kV靜安地下變電站是世博配套工程變電站，也是目前上海最大的一個地下變電站。以下通過分析靜安地下變電站運行中發(fā)生的2次故障原因及采取的相關措施，引起同行注意，避免再次發(fā)生這類故障，從根本上確保主設備的安全運行。

1 水循環(huán)冷卻系統(tǒng)特點

1.1 強迫油循環(huán)水冷方式

500kV靜安地下變電站的500kV變壓器、220kV變壓器、66kV電抗器均采用強迫油循環(huán)水冷的冷卻方式。油泵將設備頂部的熱油加壓后，進入油－水熱交換器，油的熱量被交換到水中，而被升溫的水由循環(huán)水泵加壓進入閉式冷卻塔內(nèi)的盤管中，在閉式冷卻塔的內(nèi)部，通過風扇的風及噴淋水的水帶走熱量，降溫后的冷卻水再重新進入油－水熱交換器。冷卻水系統(tǒng)包括變壓器或電抗器的油－水熱交換器、冷卻塔、冷卻水循環(huán)泵、油循環(huán)泵、噴淋水泵及管道等，工藝流程如圖1所示［2]。

1.2 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

500kV靜安地下變電站現(xiàn)有2臺500kV主變，單臺容量為1 500MVA。主設備冷卻水循環(huán)系統(tǒng)分為2組，分別設在1區(qū)和2區(qū)的2套500 kV變壓器和66kV電抗器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖1 靜安地下變電站強迫油循環(huán)水冷示意圖

圖2 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)示意圖

每套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)包括2臺500kV變壓器冷卻水循環(huán)泵（一用一備）和2臺66kV電抗器冷卻水循環(huán)泵（一用一備）。每套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)均配有3臺閉式冷卻塔（兩用一備），冷卻水和閉式冷卻塔使用的噴淋水，都由底層的1套補給水系統(tǒng)進行補給。

每套冷卻水循環(huán)系統(tǒng)均由輔助控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測和控制各個管路的溫度、壓力和泵的運行狀況，當1臺水泵或者1個冷卻塔發(fā)生故障時，輔助控制系統(tǒng)迅速將備用水泵或備用冷卻塔投入運行，以確保主設備的冷卻效果不受影響［3]。

在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)運行近1年的時間里，共發(fā)生了幾次故障，雖然沒有造成主變被迫停運的嚴重后果，但還是敲響了警鐘。

2 故障分析

2.1 樁頭接線發(fā)熱引起循泵跳閘

1）故障現(xiàn)象 2010年6月正值世博會期間，靜安地下變電站的一組主變及電抗器的循環(huán)水泵電源柜兩路交流進線電源開關（站用電分屏上）發(fā)生了跳閘事件，分別來自站用電一段和二段的開關也都相繼跳閘。經(jīng)現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水泵室進線電源切換柜內(nèi)雙電源裝置切換電源輸出樁頭接線發(fā)熱，焊錫熔化，現(xiàn)場接頭發(fā)熱照片如圖3所示。

圖3 循環(huán)水泵電源切換柜接頭發(fā)熱

2）故障分析 循環(huán)水泵的電源切換柜采用雙路進線，進線經(jīng)過雙電源切換裝置后，輸出到4臺循環(huán)水泵的接線方式，如圖4所示。

圖4 循環(huán)水泵電源切換示意圖

由圖4可以看出，循環(huán)水泵兩路電源分別來自站用電一段和二段，雙電源切換裝置可以在一路電源失卻的情況下，將另一路電源不帶延時的切換上來使用，輸出端為一段小母線帶4臺循環(huán)水泵，包括主變水循環(huán)的一用一備和低抗水循環(huán)的一用一備。

此次發(fā)熱點發(fā)生在雙電源切換裝置的輸出端至小母線的接頭上，導致了相間短路將站用電一段開關跳開，此時雙電源切換裝置動作將站用電一段切至站用電二段運行，同樣因為相間短路跳開了站用電二段開關，從而使4臺循環(huán)水泵都失電，導致主、備循環(huán)水泵都無法正常運行。幸虧值班人員及時發(fā)現(xiàn)，臨時用短接線進行短接，才避免事故的進一步擴大。

3）改進措施 通過以上分析，針對雙電源切換裝置輸出端和小母線上的任何一點故障，都將引起4臺循環(huán)水泵無法正常運行的設計缺陷，將接線方式做了調(diào)整。

通過現(xiàn)場調(diào)研，做了兩個改進方案。改進方案一，由站用電一段供給1號小母線，此小母線下帶1號泵和3號泵，分別作為主變和低抗的主循環(huán)水泵；而站用電二段供給2號小母線，此小母線下帶2號泵和4號泵，分別作為主變和低抗的備用循環(huán)水泵，如圖5所示。

圖5 循環(huán)水泵電源改進方案一

在此接線方式下，如果一條母線上出現(xiàn)故障，將不會導致4臺水泵全部停運，在輔助控制系統(tǒng)的控制下，將啟動另外2臺循環(huán)水泵。

考慮到更加惡劣的情況，如果站用電一段檢修，2號小母線發(fā)生故障，此時由于1號小母線無電，仍將導致4臺循環(huán)水泵無法運行。反之，當站用電二段檢修，1號小母線發(fā)生故障，仍將導致4臺循環(huán)水泵無法運行。

為此，提出了循環(huán)水泵電源改進方案二的接線方式，如圖6所示。

圖6 循環(huán)水泵電源改進方案二

從圖6可以看出，改進接線方案二采用了2個雙電源切換裝置，分別接入了1號小母線和2號小母線，每條小母線相當于有主用和備用兩個電源。任何一段站用電檢修時，倘若有1根小母線發(fā)生故障，立即啟用另外一段站用電對無故障的母線供電，使得至少有2臺循環(huán)水泵正常運行，這樣就確保了主設備的安全運行。

2.2 瞬時失壓引起循環(huán)泵跳閘

1）故障現(xiàn)象 2011年3月20日凌晨，靜安地下變電站自動化后臺發(fā)出1號站用變電壓回路斷線、直流一段母線電壓異常告警信號等光字牌閃亮，信息窗口報：1號逆變器裝置輸出母線失壓告警；2號逆變器裝置輸出母線失壓告警；4號主變冷卻器泄露或故障等各信號出現(xiàn)，瞬時復歸?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，500kV 1號故障錄波裝置啟動錄波；220kV 1號和2號故障錄波裝置啟動錄波；2區(qū)循環(huán)水泵跳開，遙控失靈，就地手動開啟1號泵和4號泵，運行正常。

2）故障分析 通過回放故障錄波，查明當日3：24，35kV某條線路的低壓配電站發(fā)生短路故障，造成靜安地下變電站35kV一母及二母電壓二次值突降到8V左右（變比為350／1），以上過程持續(xù)時間近100ms，后各開關電流恢復正常。由循環(huán)水泵電源接線圖可知，2區(qū)循環(huán)水泵電源與1區(qū)相同，同為雙路電源，接入雙電源自切裝置，分別來自站用電一段和站用電二段，故障發(fā)生前運行在站用電一段上（站用電一段接自1號站用變，1號站用變接自35kV一段母線）。

當1號站用變電壓突降100ms時，由于循環(huán)水泵控制回路電源取自循環(huán)水泵電源自切屏交流動力電源的一相，該相也發(fā)生短時電壓下降，所以判斷是因控制電壓瞬時下降造成啟動回路中的自保中間繼電器返回，使循環(huán)水泵啟動接觸器斷電造成循環(huán)水泵跳機。

通過分析循環(huán)水泵控制圖可知，在正常情況下輔助控制系統(tǒng)給循環(huán)水泵控制回路一個啟泵信號，將X1節(jié)點閉合，然后自保持繼電器K01帶點吸合，保持循環(huán)水泵運行狀態(tài)。當日發(fā)生故障時，由于K01失電100ms，導致K01返回，造成循環(huán)水泵跳閘。

為了驗證上述判斷，采用繼保HD6940校驗臺，對循環(huán)水泵啟動回路中的K01進行校驗，校驗內(nèi)容為K01繼電器的返回電壓以及可以使K01繼電器返回的最短時間，即在加正常電壓過程中使電壓瞬時失去造成繼電器返回，查找可以使繼電器返回的最短失壓返回時間。試驗表明，在K01繼電器的線圈電壓低于115V時，若交流失壓時間大于15ms，都會造成K01繼電器返回。從而證實了當日3：24：44系統(tǒng)發(fā)生電壓瞬降時，1號站用變高低壓側(cè)電壓均下降，由1號站用變下的站用電一段電壓下降至110V以下，失壓時間為100ms左右，造成自保中間繼電器返回，導致循環(huán)水泵跳機。

此次輔機系統(tǒng)發(fā)生大面積跳機故障，直接原因是由于電網(wǎng)上發(fā)生的低壓系統(tǒng)短路造成本站的35kV母線電壓下降。由于地下變電站輔機設備電氣控制回路，普遍采用了自保中間繼電器，該繼電器不具有躲避瞬時失電的能力，故380V母線電壓瞬時下降使得輔機跳機，這是造成此次停機的根本原因。

3）改進措施 首先，對輔機系統(tǒng)的控制回路是否采用和主設備相同的直流控制回路方式，這樣可以使交流系統(tǒng)上發(fā)生的故障不會影響到輔機系統(tǒng)的控制回路上，由于直流系統(tǒng)在變電站內(nèi)比較穩(wěn)定和可靠，發(fā)生控制回路故障的概率就可以大大降低。但是，作為國內(nèi)首個500kV地下變電站，首次引進了輔控系統(tǒng)來控制循環(huán)水泵等設備，如果將這些設備的控制回路均接入直流系統(tǒng)，對直流系統(tǒng)將會造成什么影響還有待進一步的調(diào)研和商榷。

其次，地下變電站的輔機系統(tǒng)大多數(shù)是接在35kV站用電一段上，使得本次1號站用變電壓瞬時下降影響的范圍較大。由于靜安地下變電站35kV系統(tǒng)出線多達17條，還在擴建更多的新線路，今后有可能再發(fā)生由于站外低壓回路故障造成的電壓下降，從而影響本站輔機系統(tǒng)，所以將使用66kV（500kV低壓電抗側(cè)）母線上的3號站用變來代替1號站用變，使外部對站內(nèi)循環(huán)水泵等重要輔機設備的影響減小到最少，這是因為在66kV母線上只有電抗器及3號站用變，無線路及變壓器。

4 結(jié)語

500kV靜安地下變電站作為首座引入都市市中心的大型地下變電站，它的建設、環(huán)境評估、調(diào)試和運行經(jīng)驗，必將為今后建設更多的地下變電站提供借鑒和參考。

500kV靜安地下變電站采用的主變水冷系統(tǒng)，也是解決地下變電站主變冷卻的主要方式。500kV靜安地下變電站近一年內(nèi)在水循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)生的2次故障，將為今后設計、建設和使用地下變電站的水循環(huán)系統(tǒng)，提供參考意見和借鑒的運行經(jīng)驗。

［1]沈 婷，樂黨救.500kV靜安（世博）地下變電站設計方案［J].電力建設，2008，29（7）：8－11.

［2]許建華，朱偉林，樂黨救.500kV靜安（世博）地下變電站工程［J].上海電力，2007（2）：192－197.

［3]陳寶運.500kV靜安（世博）地下變電站水工設計特點［J].電力建設，2008，29（7）：8－11.