特高壓主變冷卻器雙電源系統(tǒng)誤并列事故分析

劉 濤,李茹勤,裴東良, 徐瑞娜,屈延師,余開偉

(國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司,河南鄭州450051)

特高壓主變冷卻器雙電源系統(tǒng)誤并列事故分析

劉 濤,李茹勤,裴東良, 徐瑞娜,屈延師,余開偉

(國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司,河南鄭州450051)

分析一起特高壓變電站主變冷卻器雙電源系統(tǒng)誤并列事故；指出導(dǎo)致事故的主因是特高壓變電站站內(nèi)和站外電源系統(tǒng)相角差過大，為各電壓等級Yd接線變壓器相位轉(zhuǎn)換及電網(wǎng)功角帶來的固有現(xiàn)象；導(dǎo)致事故的次因為變壓器冷卻器雙電源控制回路中斷路器/隔離刀閘位置啟動冷卻器回路功能設(shè)計不合理所致。影響事故的主因無法改進(jìn)。重點(diǎn)分析了該冷卻器控制回路邏輯及存在問題，提出了由斷路器/隔離刀閘位置中間繼電器接點(diǎn)分別啟動兩接觸器的雙電源控制回路改進(jìn)方案。理論分析及現(xiàn)場試驗均證明該方案的可行性。對超/特高壓主變壓器冷卻器雙電源切換回路的設(shè)計、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)有借鑒意義。

超/特高壓變電站;變壓器冷卻器;雙電源控制;相角差

0 引言

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司十八項重大反事故措施》要求，超/特高壓變電站應(yīng)配置3路獨(dú)立站用電源，其中一路取自站內(nèi)變壓器或直降變；一路取自站外電源。變電站站內(nèi)及站外電源嚴(yán)禁發(fā)生誤并列，站用電系統(tǒng)及負(fù)荷應(yīng)有防止不同電源系統(tǒng)誤并列的技術(shù)條件。根據(jù)國家電網(wǎng)公司《1 000 kV系統(tǒng)用油浸式變壓器技術(shù)規(guī)范》、《500 kV電力變壓器訂貨技術(shù)規(guī)范》等條款，超/特高壓主變壓器冷卻系統(tǒng)要求：(1)主變冷卻系統(tǒng)應(yīng)采用兩路獨(dú)立電源供電，兩路電源互為備用，一路故障時另一路能自動投入；(2)一般還要求變壓器投入電網(wǎng)時能夠自動投入冷卻器，變壓器從電網(wǎng)切除時，自動切除全部冷卻器。雙電源控制回路也應(yīng)有可靠的防止雙電源誤并列措施。

1 000 kV特高壓南陽站配置3路獨(dú)立站用電源，兩路分別取自特高壓主變110 kV系統(tǒng)，一路取自獨(dú)立的站外電源；主變冷卻器系統(tǒng)采用雙電源供電，控制系統(tǒng)有雙電源切換功能；與主變相連的1 000 kV和500 kV側(cè)斷路器隔離刀閘任一組合位均自動啟動冷卻器工作，1 000 kV和500 kV側(cè)隔離刀閘全部分開時自動停用全部冷卻器。該控制回路在主變正常運(yùn)行期間可靠滿足防止雙電源誤并列要求，然而在某特定情況下該回路出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致了該特高壓變電站雙路站用電源系統(tǒng)出現(xiàn)誤并列事故。雙電源誤并列事故會直接造成運(yùn)行中主變冷卻器全停事故進(jìn)而造成主變跳閘[1,2]，也可能導(dǎo)致特高壓變電站站用電源全部丟失，后果十分嚴(yán)重。

1 故障出現(xiàn)

故障時特高壓南陽站運(yùn)行方式：特高壓1號主變冷備狀態(tài)(三側(cè)隔離刀閘/斷路器均分位)；特高壓2號主變正常運(yùn)行；站用電400 V 1號母線由站內(nèi)2號主變帶低壓側(cè)站用變供電，400 V 2號母線由站外電源供電，兩組主變冷卻器第一路交流電源均運(yùn)行于400 V 1號母線，二路交流電源均運(yùn)行于400 V 2號母線。

現(xiàn)場無任何檢修維護(hù)及運(yùn)行操作工作，監(jiān)控后臺突然出現(xiàn)“1號主變冷卻器系統(tǒng)一路交流電源故障”和“1號主變冷卻器系統(tǒng)二路交流電源故障”報文及光字。運(yùn)維人員立即至現(xiàn)場檢查1號主變冷卻器控制箱，發(fā)現(xiàn)一路交流電源開關(guān)QF1跳閘，二路交流電源開關(guān)QF2跳閘，現(xiàn)場狀態(tài)與監(jiān)控系統(tǒng)告警信息一致。同時發(fā)現(xiàn)400 V 1號母線和2號母線至1號主變冷卻器控制箱的電源開關(guān)均三相脫扣。

1號主變及其冷卻系統(tǒng)此時無任何檢修維護(hù)及運(yùn)行操作工作，兩路交流進(jìn)線電源開關(guān)同時跳閘說明兩開關(guān)以下回路同時出現(xiàn)短路故障，結(jié)合雙電源控制系統(tǒng)原理，可能為兩進(jìn)線電源開關(guān)以下回路發(fā)生了誤并列。

2 雙電源控制回路原理分析

圖1為特高壓南陽站1號主變冷卻器雙電源控制原理圖。KMS1和KMS2分別為一路和二路交流電源進(jìn)線接觸器，KMS1(KMS2)接觸器的啟動即一路(二路)電源的投入有3種方式。

圖1 主變冷卻器雙電源控制原理圖

以KMS1接觸器為例(KMS2接觸器相同)，3種啟動方式原理分別為

(1)當(dāng)一路電源置“工作”狀態(tài)(SS把手的“1,2”觸點(diǎn)閉合)，一路電源正常(K1繼電器動作)，二路電源未投入(KMS2接觸器未動作)，KMS1接觸器啟動；

(2)當(dāng)一路電源置“備用”狀態(tài)(SS把手的“3,4”觸點(diǎn)閉合)，二路電源故障(K2繼電器失電)，KMS1接觸器啟動；

(3)當(dāng)一路電源置“備用”狀態(tài)(SS把手的“3,4”觸點(diǎn)閉合)，二路電源正常(2KT繼電器動作)，但由于其他原因(如回路或元件故障)二路電源未投入(KMS2接觸器未動作)，KMS1接觸器啟動。

1KT和2KT均為帶延時的時間繼電器，分別由ST1和ST2斷相繼電器啟動，ST1和ST2動作反映一路和二路電源的正常工作。3KT時間繼電器由二路電源故障(K2繼電器失電)啟動，也可由二路電源正常(2KT動作)但未投入(KMS2不動作)啟動，因此3KT反映的是置“工作”位置的二路交流電源兩種異常情況，其動作后投入置“備用”位置的一路交流電源，4KT功能類似于3KT。

中間繼電器K失電反映主變高、中壓側(cè)總計6組隔離刀閘/斷路器任一組合閘位置，K常閉接點(diǎn)閉合才能接通控制回路的零線N，是啟動冷卻器的必要條件。原理如圖2 所示。

圖2 K繼電器啟動回路原理

3 故障原因分析

主變冷卻器雙電源系統(tǒng)發(fā)生誤并列的可能原因有：(1)兩路交流電源電纜間絕緣損壞，互相擊穿短路；(2)控制回路故障致使雙電源控制接觸器KMS1和KMS2同時動作，導(dǎo)致雙電源誤并列；(3)雙電源控制接觸器KMS1和KMS2接點(diǎn)故障導(dǎo)致雙電源誤并列；(4)控制回路原理設(shè)計缺陷，導(dǎo)致雙電源誤并列。

故障發(fā)生后，為排除控制回路接地短路所致，使用500 V搖表對圖1所示回路各處進(jìn)行對地絕緣檢查，結(jié)果均正常；將控制回路電源開關(guān)1Q和2Q分別重新合上，試驗主變冷卻器控制回路各項功能均正常，由此可以排除雙電源誤并列的可能原因(1)、(2)、(3)。

結(jié)合控制回路原理進(jìn)行分析，由于發(fā)生故障時1號主變處于冷備狀態(tài)，高、中壓側(cè)隔離刀閘/斷路器均分位，因此反映6組隔離刀閘/斷路器均分位的K中間繼電器動作，該控制回路中K常閉接點(diǎn)斷開，這就造成KMS1和KMS2繼電器構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系。只要施加在KMS1和KMS2接觸器兩端電壓足夠大，就可以使兩者同時動作，導(dǎo)致雙電源誤并列。經(jīng)現(xiàn)場試驗260 V的電壓才可以使KMS1和KMS2接觸器同時動作(接觸器60%額定電壓下應(yīng)可靠動作)，K常閉接點(diǎn)斷開的情況下，測量現(xiàn)場一路交流電源和二路交流電源C相電位差明顯漂移，漂移范圍在251～274 V。經(jīng)分析，在這種運(yùn)行方式下，274 V的電壓完全有可能施加于串聯(lián)的KMS1和KMS2接觸器，使其同時動作。動作過程分析如下：

1號主變冷備用期間，K常閉接點(diǎn)斷開，正常控制方式為一路、二路電源分別置“工作”、“備用”狀態(tài)(SS把手“1,2”、“5,6”觸點(diǎn)閉合)。當(dāng)一、二路交流電源C相壓差不超過260 V時，KMS1接觸器的啟動回路中常開接點(diǎn)K1閉合，常閉接點(diǎn)KMS2閉合；4KT時間繼電器啟動回路中常閉接點(diǎn)KMS1、K1均閉合，常開接點(diǎn)1KT閉合。如此KMS1和4KT繼電器構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系，兩端電壓即兩路交流電源C相壓差，KMS1和4KT繼電器均帶電，但不足260 V的壓差不足以使兩繼電器任一個動作。若兩路交流電源C相壓差上升至260 V以上，4KT繼電器首先動作，致使KMS2接觸器的啟動回路常開接點(diǎn)4KT閉合，由于常開接點(diǎn)K2、常閉接點(diǎn)KMS1本閉合狀態(tài)，致使KMS2接觸器接入電路。由上就形成了KMS2接觸器與4KT繼電器并聯(lián)后再與KMS1接觸器串聯(lián)的回路，兩端壓差大于260 V就足以造成KMS1和KMS2接觸器同時動作。

以上動作結(jié)果并非回路設(shè)計人員本意，是回路原理設(shè)計不合理導(dǎo)致。

4 造成故障的因素分析

經(jīng)分析，造成以上不合理動作后果的因素有兩個：一為兩路交流電源C相壓差偏大；二為主變高、中壓側(cè)任一組隔離刀閘/斷路器合位啟動主變冷卻器工作回路設(shè)計不合理，產(chǎn)生了寄生回路。

(1)兩路交流電源同相壓差大。現(xiàn)場測量兩路交流電源C相壓差浮動范圍251～274 V，兩路交流電源分別來自站內(nèi)特高壓2號主變和站外35 kV電源。經(jīng)分析，產(chǎn)生如此大的壓差原因有3個。

一是特高壓變電站站內(nèi)400 V電源(2號主變低壓側(cè)供電)與站外電源固有的相位差。以典型的交流特高壓變電站站用電系統(tǒng)設(shè)計方案為例，以特高壓同步電網(wǎng)1 000 kV母線相位0°為基準(zhǔn)，站內(nèi)經(jīng)1 000 kV自耦變、110k V站用變兩級Yd11方式移相和一級35 kV站用變Dy11方式移相后至400 V母線相位為90°，站外電源經(jīng)各級電網(wǎng)500 kV、220 kV、110 kV變壓器均為Yy接線方式降壓至35 kV電壓等級后相角依舊為0°，經(jīng)站內(nèi)35 kV變壓器Dy11方式移相至400 V母線相位為30°，與特高壓站內(nèi)2號主變供電的400V電源理論上相位差別可達(dá)60°，這是交流特高壓變電站站用電系統(tǒng)特有的情況。特高壓變電站典型站用電系統(tǒng)電氣聯(lián)系原理如圖3所示[3～6]，圖4為500 kV變電站典型站用電系統(tǒng)電氣聯(lián)系原理圖[6]。由圖4可知典型500 kV變電站站用電系統(tǒng)站內(nèi)和站外400 V電源系統(tǒng)相角差理論上應(yīng)為30°，顯著小于特高壓變電站該數(shù)值。

圖3 特高壓站用電系統(tǒng)電氣聯(lián)系原理圖

圖4 500 kV變電站站用電系統(tǒng)電氣聯(lián)系原理圖

二是特高壓變電站站內(nèi)電源系統(tǒng)與站外電源系統(tǒng)電氣距離較遠(yuǎn)，在相同的負(fù)荷情況下，功角差較500 kV變電站更大。影響電氣距離的因素有各級變壓器等效阻抗、各級輸電線路等效阻抗。該功角差隨電網(wǎng)負(fù)荷的變化而變化，這也是南陽站現(xiàn)場測量站內(nèi)和站外電源400V C相壓差明顯浮動的原因。

三是特高壓變電站35 kV/0.4 kV站用變壓器低壓側(cè)調(diào)壓偏高，站用變低壓側(cè)額定電壓400 V，由于調(diào)壓及電壓波動，400 V母線電壓可達(dá)410 V(相電壓237 V)甚至更高。

綜合考慮原因一、二，特高壓變電站兩路站用電源系統(tǒng)的同相相位差可達(dá)70°甚至更高，再加上第三個原因特高壓站用電系統(tǒng)400 V母線電壓幅值本就偏大。由此造成特高壓變電站不同站用電系統(tǒng)400 V母線同相壓差顯著偏大。根據(jù)南陽站現(xiàn)場實(shí)測400 V母線相電壓值約231V，站內(nèi)和站外電源同相壓差可達(dá)274V，相量圖如圖5所示，由此可見兩者相角差可達(dá)72.8°。由以上分析可知，對于典型站用電系統(tǒng)設(shè)計中的站內(nèi)與站外400V電源壓差值，特高壓變電站遠(yuǎn)高于超高壓變電站，這是造成南陽站主變冷卻器雙電源控制回路4KT、KMS1和KMS2繼電器相繼及同時動作的主要原因，也是該問題從未在500kV變電站出現(xiàn)的本質(zhì)原因。

圖5 兩站用電系統(tǒng)同相電壓相位圖

(2)主變高、中壓側(cè)隔離刀閘/斷路器合位啟動冷卻器回路設(shè)計不合理。當(dāng)主變高、中壓側(cè)隔離刀閘/斷路器均分位時，K繼電器動作，雙電源控制回路中常閉接點(diǎn)K分開，將控制回路與零線N斷開，同時卻使一路交流電源和二路交流電源通過控制回路接點(diǎn)及其繼電器元件構(gòu)成了回路，即產(chǎn)生了預(yù)期外的寄生回路。只要兩路交流電源C相壓差滿足就可造成接觸器KMS1和KMS2同時動作，將一、二路交流電源并列造成短路。

以上所分析兩因素中，因素(1)為主要原因，是特高壓變電站的特有情況，也是造成南陽站KMS1和KMS2接觸器動作的直接原因；因素(2)是本次故障的間接原因。因素(2)在500 kV變電站中也存在，只是因素(1)不滿足，因此未暴露出與南陽站類似的故障。

在超、特高壓變電站中，站用電系統(tǒng)某些運(yùn)行方式下，可能使用自備發(fā)電機(jī)作為第二路電源[7]。這種情況下兩路交流電源無任何電氣聯(lián)系，兩者相角差可以任意變換，兩者壓差甚至可達(dá)2倍相電壓(兩電源相角差為180°時)，這種情況甚至嚴(yán)重于本文所述南陽站遇到的情況。因此，無論是特高壓還是超高壓變電站，該類似問題均應(yīng)有效解決。

5 改進(jìn)措施

第4節(jié)所分析兩因素中，因素(1)受電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定，無法改變；因素(2)為控制回路設(shè)計所致，因此只有因素(2)可以改進(jìn)。常閉接點(diǎn)K斷開后，接觸器KMS1和KMS2均帶電的原因在于兩者啟動回路不獨(dú)立，共用K常閉接點(diǎn)，當(dāng)K常閉接點(diǎn)斷開后KMS1和KMS2接觸器構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系，兩接觸器特性相同，電壓滿足即同時動作。改進(jìn)辦法就是啟用K繼電器備用常閉接點(diǎn)，將接觸器KMS1和KMS2的A2端分別獨(dú)立，并分別經(jīng)K常閉接點(diǎn)至零線N，原理圖如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的冷卻器控制回路原理

改進(jìn)后的控制回路中KMS1和KMS2啟動回路相互獨(dú)立，常閉接點(diǎn)K斷開后，接觸器KMS1和KMS2啟動回路無電氣聯(lián)系，不會產(chǎn)生寄生回路，即使兩電源同相壓差很大也不會使任一接觸器動作，杜絕了兩路交流電源誤并列的危險。經(jīng)現(xiàn)場不同運(yùn)行方式下的各種試驗，雙電源切換功能正常，未再出現(xiàn)雙電源誤并列及其他異常情況。

6 結(jié)論

(1)特高壓變電站站內(nèi)和站外電源固有相角差明顯高于超高壓變電站，是本次事故發(fā)生于特高壓變電站而未在超高壓變電站發(fā)生的主要原因。無論超/特高壓變電站，站內(nèi)和站外電源若同相壓差過大或非同步交流系統(tǒng)，均有可能發(fā)生本文所述事故。在相關(guān)雙電源控制回路的設(shè)計、施工和調(diào)試過程中應(yīng)對雙電源間可能存在過大的相角差現(xiàn)象引起的問題有足夠的重視。

(2)特高壓南陽站1號主變冷卻器控制回路設(shè)計不合理是造成雙電源誤并列的直接原因，該回路隨運(yùn)行方式的變化產(chǎn)生了寄生回路，導(dǎo)致雙電源接觸器構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系，可能使其同時動作。

(3)雙電源控制回路增加一付K常閉接點(diǎn)消除了寄生回路產(chǎn)生的可能，對于超、特高壓變電站雙電源無論壓差有多大，均不會使兩接觸器構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系同時動作，消除了誤并列風(fēng)險。

目前我國超/特變電站和發(fā)電廠主變(包括高抗)有相當(dāng)數(shù)量采用本文所示冷卻器控制回路原理，均不同程度的存在本文所述問題及事故隱患[8～10]。《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》明確條款：加強(qiáng)設(shè)計、設(shè)備定貨、監(jiān)造、出廠驗收、施工、調(diào)試和投運(yùn)全過程的質(zhì)量管理。鼓勵科技創(chuàng)新，改進(jìn)施工工藝和方法，提高質(zhì)量工藝水平和基建管理水平。希望本文所分析案例能為目前運(yùn)行中的超/特高壓主變冷卻器控制回路日常隱患排查和技術(shù)改造工作提供借鑒；也能為新建超、特高壓主變(包括高抗)工程的設(shè)計、安裝調(diào)試和日后運(yùn)行維護(hù)工作提供參考。

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《電力科學(xué)與工程 》

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Analyze on an Accident of UHV Transformer Cooling Device’s Dual Power Control Circuit

Liu Tao, Li Ruqin, Pei Dongliang, Xu Ruina, Qu Yanshi, Yu Kaiwei

(Maintenance Company of Henan Electric Power Corporation, Zhengzhou 450051,China)

This paper analyzed an accident that a UHV transformer cooling device’s dual power circuit was mistakenly shorted. The main reason is the angular phase difference between UHV substation inside and outside power supply was relatively larger, which was caused by transformers’connections in different voltage levels and power angle in power grid. The secondary reason is that the transformer cooling device’s start-up circuit which was started by breakers and switches state was unreasonable. The main reason of it could not be improved. In addition, logic and problems of the cooling device’s power control circuit were analyzed. And improved program, breakers and switches state relay should separately start the two contacts in dual power, was proposed. Theoretical analysis and test both prove that the improved program is feasible. Thus, it may provide reference for designing, debugging, operating and maintaining work of EHV and UHV transformer cooling device’s dual power control circuit.

EHV/UHV substation; transformer cooling device; dual power control; angular phase difference

2015-07-06。

劉濤(1984-)，男，工程師，從事超/特高壓變電站繼電保護(hù)運(yùn)行、維護(hù)和檢修工作，E-mail：liuhtao2006@126.com。

TM77

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.011