特高壓換流站設(shè)備分期投運(yùn)安全 隔離措施的研究

賈軒濤 嚴(yán) 兵 王亞濤 艾紅杰 熊 飛

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

特高壓直流換流站每極采用2 個(gè)12 脈動(dòng)換流器的接線方案，每一個(gè)換流器都可以獨(dú)立運(yùn)行或與其他換流器進(jìn)行組合運(yùn)行，直流系統(tǒng)這種靈活的接線特點(diǎn)有利于換流站施工建設(shè)期間實(shí)現(xiàn)分期投運(yùn)，盡早發(fā)揮直流輸電工程的輸電效益[1-2]。

根據(jù)直流換流站可以模塊化建設(shè)投運(yùn)的規(guī)律和以往工程經(jīng)驗(yàn)，從工程施工到全站設(shè)備完全投運(yùn)可以劃分為以下6 個(gè)階段。

階段1：交流系統(tǒng)帶電；

階段2：直流單極低端換流器帶電；

階段3：直流雙極低端換流器帶電；

階段4：直流單極高端換流器帶電；

階段5：直流雙極高端換流器帶電；

階段6：直流場全部帶電。

上述6 個(gè)階段的劃分實(shí)現(xiàn)了根據(jù)工程進(jìn)度的不同實(shí)行分階段送電，由于在各個(gè)階段過渡期間設(shè)備帶電運(yùn)行與工程施工調(diào)試同步進(jìn)行，現(xiàn)場帶電運(yùn)行設(shè)備、安裝調(diào)試設(shè)備同時(shí)存在，因此存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證投運(yùn)設(shè)備正常運(yùn)行及后續(xù)施工的安全需要，在不同階段需要制定并執(zhí)行一次系統(tǒng)設(shè)備帶電隔離、二次系統(tǒng)接線隔離、控制保護(hù)系統(tǒng)軟件隔離等安全隔離措施，以防止在此期間造成各種不必要的安全生產(chǎn)事故[3-4]。

隨著直流場設(shè)備和各個(gè)閥組單元完成安裝調(diào)試，在交流系統(tǒng)帶電安全隔離措施的基礎(chǔ)上，需要對(duì)原有的安全隔離方案進(jìn)行調(diào)整，以保證閥組單元的順利接入。本文結(jié)合錦蘇直流工程蘇州換流站對(duì)有代表性的交流系統(tǒng)帶電階段和極1 單極低端換流器帶電階段的安全隔離措施進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

1 交流場帶電安全隔離措施

交流場帶電安全隔離的目的是實(shí)現(xiàn)換流站交流場帶電運(yùn)行后，直流場設(shè)備的施工和控制保護(hù)的調(diào)試不會(huì)對(duì)交流場帶電設(shè)備造成影響，使設(shè)備帶電運(yùn)行與工程施工調(diào)試同步進(jìn)行。

1.1 一次設(shè)備帶電范圍

1）500kV 交流場。

2）500kV 交流濾波器場。

3）500kV 及高壓站用變。

4）35kV 站用變。

5）10kV 開關(guān)室。

6）公用400V 站用電室。

1.2 一次設(shè)備安全隔離措施

斷開500kV 交流場到極1 高端、極2 低端、極2 高端、極2 低端換流變壓器的引線，換流變進(jìn)線CVT 屬于帶電范圍，換流變引線的接引位置如圖1和圖2所示，所斷開的引線需要綁扎牢靠，并做好換流變引線的接地措施。

圖1 換流變進(jìn)線解引位置示意圖（解引前）

圖2 換流變進(jìn)線解引位置示意圖（解引后）

1.3 二次設(shè)備帶電范圍

1）交流場繼電器小室

交流場測控屏、交流線路保護(hù)屏、斷路器保護(hù)屏、母線保護(hù)屏、交流故障錄波屏、保護(hù)及故障錄波子站數(shù)據(jù)采集屏、交流線路故障測距屏、GPS 時(shí)鐘擴(kuò)展屏、電度表屏、PMU 相角監(jiān)測屏、安控從控屏、光纖通訊接口屏、輔助系統(tǒng)接口屏。

2）交流濾波器場繼電器小室

交流濾波器測控屏、濾波器保護(hù)屏、濾波器操作箱屏、光CT 接口屏、光纖通訊接口屏、GPS 時(shí)鐘擴(kuò)展屏。

3）站用電小室

站用電保護(hù)屏、輔助系統(tǒng)接口屏、GPS 時(shí)鐘擴(kuò)展屏、站用電測控屏、光纖通訊接口屏、輔助系統(tǒng)接口屏。

4）主控室

運(yùn)行人員工作站、工程師工作站、通訊接口屏、輔助系統(tǒng)測控屏、規(guī)約轉(zhuǎn)換屏、服務(wù)器系統(tǒng)屏、遠(yuǎn)動(dòng)工作站屏、光纖通訊接口屏。

1.4 二次設(shè)備安全隔離措施

由于在交流場帶電階段直流控制保護(hù)系統(tǒng)尚處于調(diào)試過程，為了防止直流控制保護(hù)系統(tǒng)引起帶電設(shè)備的誤動(dòng)作，故需要從二次接線上斷開交、直流系統(tǒng)間的所有測量、聯(lián)鎖、控制回路。

1）直流閥組控制系統(tǒng)（CCP）與交流控制系統(tǒng)（ACC）間的聯(lián)鎖回路

根據(jù)設(shè)計(jì)原理，四個(gè)閥組控制主機(jī)分別與相應(yīng)的交流進(jìn)線間隔的交流控制主機(jī)存在一些聯(lián)鎖信號(hào)，主要用于換流變進(jìn)線開關(guān)和隔刀遙控操作的允許條件[5]，以及CCP 請求ACC 執(zhí)行的順序控制操作，信號(hào)名稱及功能具體見表1。

表1 交、直流系統(tǒng)間的聯(lián)鎖信號(hào)

在換流變進(jìn)線間隔的測控屏中，將表1信號(hào)的端子外部電纜拆除，并對(duì)裸露的線頭做好絕緣防護(hù)措施；為了滿足在交流帶電操作過程中，ACC 對(duì)換流變進(jìn)線開關(guān)，進(jìn)線側(cè)隔離刀閘、接地刀閘進(jìn)行遙控操作，需要對(duì)表中第1、5、6、7 項(xiàng)聯(lián)鎖信號(hào)的端子外側(cè)與屏內(nèi)直流電源進(jìn)行短接，始終保持高電平輸入，滿足開關(guān)、刀閘能夠正常操作的聯(lián)鎖條件。

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)評(píng)估：此部分安全隔離措施如不完全實(shí)施，將會(huì)造成調(diào)試直流控制系統(tǒng)期間，直流控制經(jīng)交流控制系統(tǒng)出口，引起已投運(yùn)的交流場開關(guān)設(shè)備誤動(dòng)。

2）直流控制保護(hù)系統(tǒng)中交流進(jìn)線開關(guān)跳閘、啟動(dòng)失靈回路

直流控制保護(hù)系統(tǒng)在調(diào)試期間，會(huì)涉及到保護(hù)出口跳閘以及緊急停運(yùn)按鈕測試，為了防止已經(jīng)帶電的交流場設(shè)備誤動(dòng)作，因此直流系統(tǒng)跳交流進(jìn)線開關(guān)和啟動(dòng)失靈的出口回路可在對(duì)應(yīng)的斷路器保護(hù)屏上斷開相應(yīng)電纜接線，并對(duì)裸露線頭做好絕緣防護(hù)。

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)評(píng)估：此部分安全隔離措施如不完全實(shí)施，將會(huì)造成調(diào)試直流控制和保護(hù)期間，跳閘命令經(jīng)斷路器保護(hù)屏的操作箱出口，引起已投運(yùn)的交流場開關(guān)設(shè)備誤動(dòng)。

3）交流場接入直流控制保護(hù)系統(tǒng)的CT 回路

在直流工程中，換流變壓器保護(hù)一般歸為直流保護(hù)系統(tǒng)范圍，交流場換流變出線CT 會(huì)接入換流變保護(hù)測量單元，用于過流和差動(dòng)保護(hù)。

極1 高端、極1 低端、極2 高端、極2 低端交流進(jìn)線電流回路需在交流系統(tǒng)帶電前在就地匯控箱內(nèi)短接退出，具體做法為至CT 側(cè)的電流短接接地，打開電流端子連接片，從而實(shí)現(xiàn)電流回路的隔離。

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)評(píng)估：此部分安全隔離措施如不完全實(shí)施，可能會(huì)造成調(diào)試直流保護(hù)期間，CT 注流時(shí)引起交流場CT 開路。

4）交流場接入直流控制保護(hù)系統(tǒng)的PT 回路

根據(jù)直流控制保護(hù)的設(shè)計(jì)原理，500kV 交流母線電壓互感器要接入雙極控制系統(tǒng)，主要用于無功控制功能；極1 高端、極1 低端、極2 高端、極2低端交流進(jìn)線電壓分別接入相應(yīng)閥組控制系統(tǒng)，用作同步電壓和換流變帶電邏輯判斷。在交流系統(tǒng)帶電前，上述電壓回路需在各自就地端子箱內(nèi)將電壓空開斷開，同時(shí)解開空開下端頭的接線，開口三角回路將L 線解開，解開的線頭做好絕緣保護(hù)，以確保在交流區(qū)域啟動(dòng)時(shí)二次電壓不進(jìn)入直流控制保護(hù)裝置。

5）雙極控制保護(hù)屏（BCP）至交流濾波器控制屏（AFC）的無功控制回路

直流系統(tǒng)在正常投運(yùn)后，雙極控制系統(tǒng)通過CAN 總線與交流濾波器控制主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)不同的無功控制策略，通過對(duì)交流濾波器小組的投入、退出操作，完成無功控制功能，以濾除進(jìn)入交流系統(tǒng)的特征諧波，并為直流系統(tǒng)提供無功功率。其隔離措施為：在AFC 屏內(nèi)拔出相應(yīng)的光纖，斷開用于無功控制的CAN 總線，以屏蔽雙極控制系統(tǒng)的命令[6-7]。

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)評(píng)估：此部分安全隔離措施如不完全實(shí)施，可能會(huì)造成調(diào)試直流無功控制功能期間，對(duì)已屬于帶電范圍的交流濾波器設(shè)備進(jìn)行誤操作。

6）短引線的保護(hù)方案

交流場帶電時(shí)短引線的處理方案通常有三種，第一種是交流場保護(hù)極性校核完成，帶電24h 后，與短引線直接相連的斷路器置于“冷備用”狀態(tài)，這種方案不適用于需帶電的短引線；第二種是設(shè)置短引線保護(hù)，將短引線兩側(cè)的CT 接入短引線保護(hù)屏；第三種是將中開關(guān)電流引入母線差動(dòng)保護(hù)，將邊開關(guān)作為死開關(guān)，作為母線的一部分，用母線保護(hù)保護(hù)短引線。

采用母線保護(hù)保護(hù)短引線，在應(yīng)用中需注意以下問題：

（1）該種臨時(shí)方式運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)高。該方式下高端換流變對(duì)應(yīng)引接設(shè)備（大量戶外架空高跨線、GIS 分支母線、CVT 設(shè)備、支柱絕緣子）一旦出現(xiàn)故障或異常狀態(tài)，會(huì)引母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，擴(kuò)大了停電范圍，長期非正常方式對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行不利。

（2）該種臨時(shí)方式易存運(yùn)行隱患。現(xiàn)場五防閉鎖邏輯通常按照正常狀態(tài)方式，并已經(jīng)過驗(yàn)證確認(rèn)。而在該臨時(shí)方式下，需修改母線地刀與串內(nèi)刀閘的閉鎖邏輯，交流場帶電前需將該臨時(shí)邏輯寫入交流控制主機(jī)，短引線接至設(shè)備運(yùn)行時(shí)，又需將正常邏輯重新寫交流控制主機(jī)；但此時(shí)交流場已正式運(yùn)行，修改后的五防閉鎖邏輯很難申請交流全停進(jìn)行邏輯驗(yàn)證，為后續(xù)安全運(yùn)行留下隱患。

（3）該種臨時(shí)方式造成現(xiàn)場大量增加了額外的安裝調(diào)試工作量。如按照該種方式進(jìn)行現(xiàn)場修改，交流帶電投運(yùn)前現(xiàn)場需進(jìn)行大量控制電纜敷設(shè)安裝工作，其中包括從GIS 室至繼電器小室電流回路電纜，母差保護(hù)與斷路器保護(hù)柜間大量跳閘、失靈保護(hù)相互啟動(dòng)、同期電壓改接線等二次回路電纜敷設(shè)安裝，還要退出現(xiàn)有已經(jīng)過驗(yàn)證的二次回路電纜；短引線接至設(shè)備運(yùn)行前，又需將上述過渡電纜拆除，改回永久電纜，并進(jìn)行大量保護(hù)及二次回路改接及調(diào)試工作，給現(xiàn)場工作造成了極大的困難和安全隱患。

因此，交流系統(tǒng)帶電前應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，采取合適的短引線保護(hù)策略。

1.5 輔助系統(tǒng)要求

為了確保換流站現(xiàn)場人員的人身安全以及一、二次設(shè)備的安全運(yùn)行和監(jiān)控，交流系統(tǒng)帶電階段需要確保以下輔助系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行，并且工作正常。

1）站用直流電源系統(tǒng)。

2）消防系統(tǒng)。

3）火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

4）圖像監(jiān)視。

5）空調(diào)系統(tǒng)。

6）呼叫系統(tǒng)。

2 極1 低端帶電安全隔離措施

極1 低端帶電安全隔離的目的是實(shí)現(xiàn)換流站極1 低端的帶電運(yùn)行和功率輸送，同時(shí)確保其他直流場設(shè)備的施工和控制保護(hù)的調(diào)試不會(huì)對(duì)極1 低端的正常生產(chǎn)運(yùn)行造成影響。

2.1 一次設(shè)備帶電范圍

極1 低端帶電范圍如圖3所示，在交流系統(tǒng)帶電的基礎(chǔ)上還需增加一下帶電范圍：

1）極1 低端換流變。

2）極1 低端換流閥及極1 低端閥廳設(shè)備。

3）極1 低端閥冷系統(tǒng)。

4）極1 直流場開關(guān)設(shè)備，包括極1 直流濾波器設(shè)備。

5）雙極開關(guān)場設(shè)備。

極1 低端帶電后，換流站可以開展極1 低端閥組的空載升壓、功率輸送、金屬/大地回線轉(zhuǎn)換等一系列系統(tǒng)試驗(yàn)，試驗(yàn)成功完成后便可提前投入運(yùn)行，具備一定的直流功率輸送能力；從而達(dá)到設(shè)備的分期投運(yùn)，進(jìn)一步緩解直流線路受端地區(qū)的電力緊張局面。

圖3 極1 低端設(shè)備帶電范圍示意圖

2.2 一次設(shè)備安全隔離措施

在交流帶電安全隔離措施的基礎(chǔ)上，恢復(fù)500kV 交流場到極1 低端換流變壓器的引線。

根據(jù)圖1所示，將80111 隔刀、80112 隔刀操作至“分閘”狀態(tài)，同時(shí)將控制位置打到“就地”，并拆除其一次連桿，完成帶電區(qū)域與極1 高端閥組的電氣隔離；將02001 隔刀、02002 隔刀、80205 隔刀操作至“分閘”狀態(tài)，同時(shí)將控制位置打到“就地”，并拆除其一次連桿，完成帶電區(qū)域與極2 的電氣隔離。

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)評(píng)估：此部分安全隔離措施如不完全實(shí)施，可能會(huì)造成調(diào)試極1 高端閥組或極2 高、低端閥組期間，誤將上述設(shè)備接入直流場帶電區(qū)域。

2.3 二次設(shè)備帶電范圍

為了滿足極1 低端閥組的帶電和功率輸送，需要在原有投運(yùn)屏柜的基礎(chǔ)上，增加雙極控制保護(hù)屏、雙極測量接口屏、雙極開關(guān)接口屏、極1 控制保護(hù)屏、極1 測量接口屏、極1 開關(guān)接口屏、極1 低端閥組控制保護(hù)屏、極1 低端閥組測量接口屏、極1低端閥組開關(guān)接口屏、極1 低端閥控屏、直流線路故障定位屏、接地極線阻抗監(jiān)視屏。

2.4 二次設(shè)備安全隔離措施

1）恢復(fù)與交流控制系統(tǒng)間二次接線

在交流系統(tǒng)安全隔離措施的基礎(chǔ)上，恢復(fù)與交流系統(tǒng)的二次接線，具體包括：

（1）根據(jù)表1內(nèi)容，恢復(fù)極1 高端閥組控制主機(jī)與相應(yīng)交流控制主機(jī)間的聯(lián)鎖信號(hào)，確保交流開關(guān)、刀閘的操作受控于直流系統(tǒng)的實(shí)際工況。

（2）恢復(fù)極1 高端閥組控制保護(hù)系統(tǒng)對(duì)交流進(jìn)線開關(guān)的跳閘和啟動(dòng)失靈回路，確保當(dāng)檢測到直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠成功跳開交流開關(guān)。

（3）恢復(fù)交流場到極1 高端閥組的進(jìn)線電流CT 接線，確保換流變差動(dòng)和過流保護(hù)能夠正確出口。

（4）恢復(fù)交流場到極1 高端閥組的進(jìn)線電壓PT 接線，使閥組控制系統(tǒng)能夠采集到同步電壓信號(hào)。

（5）恢復(fù)交流場到雙極控制系統(tǒng)的母線電壓PT 接線，使直流系統(tǒng)能夠完成無功控制。

風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)評(píng)估：此部分安全隔離措施如不完全實(shí)施，可能會(huì)造成保護(hù)跳閘無法出口、不能正常解鎖、解鎖后無功控制誤投入所有熱備用的濾波器小組等風(fēng)險(xiǎn)；因此需要著重注意。

2）與其他直流控制保護(hù)設(shè)備的安全隔離

（1）后備跳閘回路

為了防止直流功率輸送期間控制主機(jī)故障后，控制命令無法下發(fā)，不能有效控制系統(tǒng)運(yùn)行，故配置了后備跳閘功能；當(dāng)極層控制主機(jī)全部故障時(shí)，會(huì)通過外部繼電器發(fā)出信號(hào)到本極的高、低端閥組開關(guān)接口屏柜內(nèi)的跳閘繼電器，然后出口跳開交流進(jìn)線開關(guān)；當(dāng)閥組層控制主機(jī)全部故障時(shí)，閥組開關(guān)接口屏內(nèi)的跳閘繼電器會(huì)直接出口。

由于極1 低端帶電時(shí)期，極1 高端、極2 高端、極2 低端直流控制保護(hù)系統(tǒng)尚處于調(diào)試階段，故需要從二次接線上斷開極1 控制保護(hù)屏到極1 高端控制保護(hù)屏的后備跳閘回路；以防止正常運(yùn)行的極1控制保護(hù)屏啟動(dòng)后備跳閘時(shí)，與調(diào)試中的極1 高端控制保護(hù)屏相互影響[8-9]。

（2）閥組檢修開關(guān)

在主控樓控制室內(nèi)，將極1 高端閥組檢修開關(guān)操作至“檢修”狀態(tài)，將極1 低端閥組檢修開關(guān)操作至“運(yùn)行”狀態(tài)。

在特高壓工程中通常設(shè)置了閥組檢修開關(guān)功能，高、低端閥組檢修開關(guān)通過硬接點(diǎn)輸出兩個(gè)開關(guān)量信號(hào)分別接入本極的極層控制主機(jī)，若同一極的其中一個(gè)換流器需要進(jìn)行檢修或調(diào)試工作，為了不影響另外一個(gè)換流器的運(yùn)行，投入檢修開關(guān)將會(huì)在極層控制主機(jī)中屏蔽對(duì)檢修閥組的狀態(tài)監(jiān)控，對(duì)檢修閥組上傳的模擬量測量值置零（避免注流等工作使保護(hù)誤動(dòng)），同時(shí)將檢修閥組相應(yīng)的開關(guān)量置為正常的狀態(tài)，以免開關(guān)狀態(tài)信號(hào)丟失引起保護(hù)和控制條件誤判。

（3）軟件置數(shù)

特高壓工程中雙極層控制保護(hù)主機(jī)與極層控制保護(hù)主機(jī)之間，極層控制保護(hù)主機(jī)與本極的閥組層控制保護(hù)主機(jī)之間有總線通訊，用于系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。為了防止極1 高端、極2 高端、極2 低端控制保護(hù)系統(tǒng)的調(diào)試對(duì)極1 低端帶電的影響，調(diào)試系統(tǒng)與運(yùn)行系統(tǒng)間的總線故障會(huì)觸發(fā)運(yùn)行系統(tǒng)的三級(jí)故障，故需要在運(yùn)行的控制保護(hù)系統(tǒng)中進(jìn)行軟件置數(shù)，用于屏蔽調(diào)試系統(tǒng)與運(yùn)行系統(tǒng)間的總線故障。

3 安全隔離措施在現(xiàn)場的實(shí)施效果

錦蘇工程同里換流站在交流場帶電階段、極1低端閥組帶電階段，嚴(yán)格按照上述的安全隔離方案進(jìn)行實(shí)施，帶電設(shè)備能夠安全運(yùn)行，其他設(shè)備能夠同步施工、調(diào)試，安全隔離措施效果顯著。

4 結(jié)論

隨著國內(nèi)特高壓直流工程建設(shè)的日益成熟，在工程建設(shè)過程中換流站設(shè)備的分階段帶電投運(yùn)亦將會(huì)成為常態(tài)，作為安全生產(chǎn)和工程建設(shè)的保證，針對(duì)設(shè)備分階段帶電投運(yùn)的安全隔離措施的實(shí)施也是必須的，雖然目前國內(nèi)在特高壓領(lǐng)域采用多種技術(shù)特點(diǎn)，在設(shè)備的接口形式上有一定差異，但安全隔離措施的內(nèi)容則是一致的，因此本文對(duì)后期的特高壓直流工程施工、建設(shè)、調(diào)試、投運(yùn)有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

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