特高压换流站站用电系统的故障分析及改进措施

知识点：高压直流换流站

站用电系统作为特高压换流站的重要辅助系统，是保证特高压直流输电系统安全稳定运行的重要环节。相较于常规变电站，换流站站用电系统的可靠性要求更高，换流阀的阀冷系统、换流变的冷却系统、阀厅的空调系统等辅助系统均需站用电系统提供电源。当站用电系统出现异常时，站内的辅助系统均会受到影响，换流站甚至会出现由辅助系统异常引起的双极强迫停运。

为确保站用电供电的可靠性，目前特高压换流站均采用三路独立的电源供电，同时为保证在丢失任一路电源后不影响设备的正常运行，换流站还设计了10kV和400kV两级备自投功能。

1  特高压换流站站用电简介

特高压淮安换流站站用电系统如图1所示。站用电采用3路独立电源供电，其中主用电源2路，备用电源1路。第一路主用电源取自本站500kV 4M母线，经500kV/10kV降压变压器接入10kV 1M；第二路主用电源引自1000kV邻建特高压盱眙站110kV/10kV降压变压器10kV侧，经10kV高压电缆引接至本站10kV 2M。

图1  特高压淮安换流站站用电系统

备用电源引自35kV王店变电站，经本站内35kV/10kV降压变压器后接入10kV0M。10kV 1M通过111B、113B、121B、123B、101B站用变压器带400V极1高端阀组Ⅰ段P1HA、极1低端阀组Ⅰ段P1LA、极2高端阀组Ⅰ段P2HA、极2低端阀组Ⅰ段P2LA、站公用Ⅰ段SA；10kV 2M通过112B、114B、122B、124B、102B站用变压器带400V极1高端阀组Ⅱ段P1HB、极1低端阀组Ⅱ段P1LB、极2高端阀组Ⅱ段P2HB、极2低端阀组Ⅱ段P2LB、站公用Ⅱ段SB。

特高压淮安换流站站用电10kV电源采用两主一备的动作逻辑：①当主用电源进线失电压且备用电源电压正常时，备自投装置自动延时分开主用电源进线开关，合上联络开关，投入备用电源；②当主用电源恢复供电后，备自投装置自动分开联络开关，合上主用电源进线开关；③当备用电源进线失电压时，备自投装置不动作。

400V电源采用两路电源分列运行的备自投逻辑：①当一路电源进线失电压且另一路电源电压正常时，备自投装置自动分开故障电源进线开关合上联络开关，两段母线并列运行；②当故障电源恢复供电后，备自投装置自动延时分开母联开关再自动合上该路电源进线开关。

根据备自投先投电源侧、再投负荷侧的设计原则，为防止备自投越级动作，10kV备自投动作时间小于400V备自投动作时间，即当一路10kV主用电源故障后，10kV备自投首先动作，若动作不成功则由400V备自投作为后备动作。

2  故障过程分析

2019年6月2日11:08，淮安换流站执行10kV备自投验证试验。执行方式一试验，如图2所示，拉开511B进线开关51A3，51A3开关拉开1.5s后10kV 1M进线开关D101自动拉开，但母联开关D110未自动合上，10kV备自投未正确动作。4.5s后400V备自投越级动作，400V母线P1HA、P1LA、P2HA、P2LA、SA的进线开关D411、D413、D421、D423、D401自动拉开，母联开关D410、D420、D430、D440、D450开关自动合上。

图2  方式一试验

现场检查淮安换流站的事件顺序记录（sequence of event, SOE）发现，在51A3开关断开后，D110开关报出未储能信号（现场检查该开关实际状态为已储能），随后报出10kV站用电备自投闭锁信号。现场检修人员随即对后台的SOE进行了详细的梳理，见表1。

表1  故障过程的SOE

3  故障原因分析

查看站用电控制逻辑，发现D110开关控制模块中，在合开关时，若判断开关处于未储能状态，则立即闭锁合闸命令，如图3所示。同时检查10kV备自投闭锁逻辑，当D101、D102、D103、D110、D120开关动作失败（命令下发2s后，开关位置未完成分合操作）时，立即闭锁10kV备自投功能，如图4所示。 

图3  开关未储能闭锁逻辑

图4  备自投闭锁逻辑

 

由于10kV备自投闭锁，10kV 1M进线一直处于欠电压状态，其所带的400V母线P1HA、P1LA、P2HA、P2LA、SA均处于欠电压状态。延时4.5s后，400V备自投拉开进线开关D411、D413、D421、D423、D401，合上母联开关D410、D420、D430、D440、D450。400V备自投动作后，D110开关未储能信号消失。整个备自投动作过程如图5所示。

图5  备自投动作过程

经判断，备自投逻辑及动作过程正确。本次10kV备自投越级动作是由于母联开关D110错误报出未储能信号造成的。10kV开关柜使用的断路器为ABB VD4型真空断路器，为弹簧储能机构。弹簧机构的断路器，合闸操作之后会立即给合闸弹簧储能，以确保能够进行一次分-合-分操作，母联开关储能回路如图6所示。

图6  母联开关储能回路

由于开关需要向两套站用电接口屏（station auxiliary power system interface, SPI） A、SPI B分别上传合闸弹簧未储能信号，而VD4本体只提供了一对合闸弹簧未储能信号触点（一常开、一常闭），无法满足实际需求。故在控制回路中通过串入中间继电器CR的方法获得了两副常闭报警触点，该中间继电器接入图6所示的220V单相交流回路中。

该220V交流信号取自站公用Ⅰ段SA，由10kV 1M供电，试验时拉开51A3开关后，10kV 1M失电，连带着挂在10kV 1M上的站公用Ⅰ段SA失电，从而导致CR中间继电器失电向两套控制系统报“合闸弹簧未储能”信号，控制系统执行闭锁程序，母联开关D110无法合上。

4  改进措施

修改开关信号回路接线，取消X3:1A与X3:1之间的短接线，改连至直流正电公共端X161L+:12，取消X3:5与X3:4之间的短接线，改连接至直流负电公共端X161L?:12。将中间继电器CR与合闸弹簧未储能信号触点接入直流电源回路，改进后的母联开关储能回路如图7所示。

图7  改进后的母联开关储能回路

修改接线后重新进行方式一试验，拉开511B进线开关51A3，51A3开关拉开1.5s后10kV 1M进线开关D101自动拉开，随后母联开关D110自动合上，10kV备自投正确动作。

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