宜賓換流站換流變壓器冷卻器應對交流電網擾動隱患分析

(國家電網公司運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試過程中多次出現換流變壓器冷卻器電源異常故障，且后臺OWS系統(tǒng)“故障”信號消失后，現場換流變壓器冷卻器電源故障不能自動復歸。2014年3月19日宜賓換流站交流系統(tǒng)受到異常擾動，雙極低端12臺換流變壓器同時發(fā)出“換流變兩路交流電源故障、換流變冷卻器全?！薄Ｏ旅鎻恼緝日居秒娊Y構、400 V電壓擾動波形以及冷卻器電源繼電器選型等方面對本次事故進行詳細分析，查找出本次事故的具體原因，并對站用電400 V電壓擾動提出改進建議。

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線路引接至站內后，通過1臺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2個工作段和1個備用段，每段各由1回獨立的電源供電。10 kV電源進線開關與10 kV母聯(lián)開關之間能實現備自投功能。400 V每段母線的電源進線開關與每段母線的母聯(lián)開關之間能實現備用自投功能。當10 kV備用自投不成功時，400 V備用自投功能啟動，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個主動力中心，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)采用母線分段運行，每段母線由1回獨立的電源供電。

1.2 冷卻器控制柜交流電源自動切換回路工作原理

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路電源為主備用關系。正常運行時第1路電源為主用，第1路電源故障時柜內電源自動切換至第2路電源繼續(xù)運行，當第1路電源恢復正常時再切回至第1路電源運行。

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：

1)三相電源的相序監(jiān)測(可關閉)、斷相、過壓和欠壓；

2)可調節(jié)過壓和欠壓門限值的絕對值；

3)跳閘延遲可以被調整或通過對數刻度的裝置關閉；

4)導通延遲或關斷延時脫扣延時可選；

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個紅色LED指示燈分別為F1和F2，均代表過電壓信息的報警。

2014年3月19日宜賓站換流站用電擾動后，雙極低端12臺換流變壓器就地控制柜內2路交流電源監(jiān)視繼電器過壓動作指示燈F1(錯誤信號燈)點亮，用萬用表測量交流進線電壓為405 V，高于電壓監(jiān)視繼電器的過壓動作返回值399 V，導致此報警燈一直未復歸，在過電壓消失之后，該過電壓報警燈一直點亮的情況。

1.4 冷卻器風機控制柜內電源電壓監(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)視交流進線電源過壓、欠壓、缺相等故障。如圖1所示，當電壓監(jiān)視繼電器K80.1檢測到交流電源1異常時，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)視繼電器主要應用在交流三相電機工作回路中，用于保護電機安全運行。該繼電器本身帶有時間延時功能，可以選擇延時動作或延時返回。宜賓換流站CM-PVS的延時時間設置為0，即當繼電器過/欠壓動作后接點立即動作，當故障消失后接點返回。其電壓保護工作原理如圖2所示，以宜賓換流站為例，當工作電壓大于U1(420 V)時，接點立即動作，當電壓低于399 V時接點延時后返回；當電壓低于U2(340 V)，接點立即動作，當電壓高于357 V時接點延時后返回。

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”兩種運行狀態(tài)。

2)低抗單獨設置自動/手動切換功能，自動/手動切換功能對“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/手動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，RPC選擇兩組未投運低抗“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5 s投入1組低抗，選擇原則以使兩臺站用變壓器低抗趨于平衡為目標；交流電壓低于525 kV，延時5 s切除一臺低抗，選擇原則以使兩臺站用變下低抗趨于平衡為目標。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，OWS界面顯示交流母線電壓為497 kV，1 s后事件記錄DCSA/B主機報“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主機隨即報“WC1-Z5-Q1(322)斷路器分”事件，此時交流母線電壓為530 kV，此后400 V母線電壓出現波動。宜賓換流站500 kV高壓側母線電壓波動后查看故障時刻事件記錄見表1，在切除低抗312L、322L后，400 V交流系統(tǒng)母線電壓波動持續(xù)120 ms，導致CM-PVS電源電壓監(jiān)視繼電器故障接點無法返回，最后換流變壓器冷卻器控制柜電源失電。

表1 低抗切除時刻事件記錄

2.2 站內出現短時過電壓原因分析

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

綜上所述，站內低抗在閥組解鎖時兩組未投入低抗參與站內無功計算，當閥組閉鎖后參與交流母線電壓控制。交流系統(tǒng)發(fā)生擾動時，直流系統(tǒng)處于停運狀態(tài)，但站內兩組低抗在運行狀態(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

站內在10 s內連續(xù)切除2組低抗導致系統(tǒng)暫態(tài)電壓升高。由于500 kV站用電系統(tǒng)分接開關為無載調壓模式，故不能快速調節(jié)電壓變化，因此400 V母線電壓出現短時過壓情況。

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

2.3 交流系統(tǒng)電壓波動后果分析

查看400 V母線故障錄波，如圖4所示。根據式(1)可計算得出，母線短時出現過電壓為421.7 V，持續(xù)時間約為120 ms，之后恢復至405 V運行。

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

圖4 400 V母線故障錄波

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

3 改進措施及試驗驗證

3.1 改進措施

通過上述分析，經與設備廠家探討，現場已從兩個方面進行整改：

1)通過試驗得出400 V系統(tǒng)電壓波動的峰值，依照中國電科院的試驗結果，該峰值為433 V。

2)將電壓監(jiān)視繼電器的控制模式由延時返回改為延時動作。如圖5所示，所謂延時返回就是使繼電器設定的故障返回時間區(qū)域t2大于電壓故障時間區(qū)域t0，在故障時間段內的任意時刻檢查到故障消失都可以使故障信號消失，但如果電壓故障時間超過故障返回時間(在超出故障返回時間的故障時間段內)繼電器會認為該故障依然存在，所以故障信號不會消失。而延時動作則是讓繼電器設定的故障返回時間區(qū)域t1滯后電壓故障時間區(qū)域并且小于該時間區(qū)域t0，這樣一來，當電壓故障出現時，原本應該動作的繼電器由于滯后了一段時間而沒有動作，從而躲過該電壓波動。二者比較可以看出，延時動作主動地躲過了電壓故障，不會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返回改為延時動作[3]。動作延時由100 ms改為500 ms(大于交流系統(tǒng)擾動產生過電壓的時間約120 ms，并在此基礎上增加一定的裕度)。

圖5 “延時返回”與“延時動作”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。正是因為目前宜賓換流站400 V工作電壓在403 V左右，按照之前的參數設置，若繼電器檢測出故障后動作，則故障消失后不能自動返回。

3.2 驗證步驟及試驗結論

為此中國電科院進行了一項試驗：在閥組隔離狀態(tài)下，同時拉開同一35 kV母線上的3組低抗負載。

由于在站內小系統(tǒng)運行方式下，投切電抗器對站內交流系統(tǒng)電壓影響最嚴重，故選擇同時切除3組低抗作為較為極端的試驗。試驗完成后查看故障錄波，發(fā)現投切對400 V母線電壓有較大沖擊，暫態(tài)電壓明顯上升，最高電壓出現在C相，達到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

現場檢查，換流變壓器冷卻器就地控制柜交流開關電壓監(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)視器未動作)。

試驗結論：新設定的電壓監(jiān)視繼電器定值能夠躲過上述嚴重工況下的電壓沖擊，上述定值設置較為合理。

4 結 語

400 V交流系統(tǒng)擾動不容忽視。導致出現此類問題的原因基本都是400 V交流負荷電源開關設計和定值沒有針對400 V交流系統(tǒng)擾動時的電壓變化范圍作出優(yōu)化改進。由于廠家選擇繼電器型號與設定繼電器定值時是出于保證自己設備運行“無風險、低損耗、壽命長”的原則，對于運行時的負荷變化確實是存在著一定的局限性。因為運行單位要求

的是整個交、直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，盡量減小系統(tǒng)波動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，設備繼電器與設備可以躲過比較嚴重的系統(tǒng)電壓波動。但這對于運行設備而言，過高的電壓就會讓設備承受更大沖擊，對設備的影響也相應增加。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荷情況下發(fā)生這種事故，對電網的影響可是巨大的，作為特高壓直流輸電的運維單位對這種隱患的存在絕對不能忽視。所以針對本站出現的400 V系統(tǒng)電壓波動情況，在今后的生產過程中提出以下建議：

1)選定同時切除站內3組低抗的較為極端的試驗，對站內現有負荷開關進行波動的耐受試驗。

2)根據宜賓換流站內實際電壓波動情況，選擇與之相適應的400 V負荷電源。

3)各類繼電器的門檻值以及返回值的設定要留有充分地裕度。

4)在今后設備選型方面，要依據站內實際要求，選擇裕度足夠大，抗電壓波動性足夠強的設備。

5)建議錦屏換流站擇期針對此隱患進行相對應的沖擊試驗：在站內小系統(tǒng)運行方式下，補做投切電抗器對站內交流系統(tǒng)電壓影響最嚴重的同時切除3組低抗的極端試驗，來驗證400 V所帶負荷，包括閥水冷卻器、換流變壓器冷卻器等電壓監(jiān)視繼電器是否會出現上述異常情況，并及時改進。