宜賓換流站閥水冷系統(tǒng)應(yīng)對(duì)交流電網(wǎng)擾動(dòng)改進(jìn)措施分析

宋秭霖，張華杰

(1.國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000；2. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

宜賓換流站閥水冷系統(tǒng)應(yīng)對(duì)交流電網(wǎng)擾動(dòng)改進(jìn)措施分析

宋秭霖1，張華杰2

(1.國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司宜賓管理處，四川 宜賓 644000；2. 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

換流閥水冷系統(tǒng)是特高壓直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)特高壓直流系統(tǒng)兩端的500kV交流電網(wǎng)突發(fā)擾動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致閥水冷系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作，造成負(fù)荷丟失。簡(jiǎn)述復(fù)龍、中州換流站閥水冷系統(tǒng)造成的事故；并對(duì)復(fù)龍、中州換流站事故原因進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。在此基礎(chǔ)上分別對(duì)宜賓換流站的水冷系統(tǒng)在主循環(huán)泵啟動(dòng)方式、站用電備自投與主循環(huán)泵切換時(shí)間、主循環(huán)泵電源開關(guān)選型等方面作出了改進(jìn)措施，有效增強(qiáng)了閥水冷流量保護(hù)抵抗交流電網(wǎng)擾動(dòng)的能力，明顯提高了賓金直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

特高壓直流；閥水冷系統(tǒng)；交流電網(wǎng)突發(fā)擾動(dòng)

0 引 言

相比于交流輸電線路，直流輸電系統(tǒng)在長(zhǎng)距離大容量輸電方式上存在著明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。中國幅員遼闊，電源和負(fù)荷逆向式分布，隨著國內(nèi)直流輸電技術(shù)飛速發(fā)展，超高壓、特高壓直流輸電工程在中國輸電網(wǎng)架中得到了廣泛應(yīng)用[2]。如何保障直流輸電線路的可靠性已經(jīng)成為研究直流輸電的熱點(diǎn)問題[3]。換流站的閥水冷系統(tǒng)是確保換流閥連續(xù)正常工作的重要組成部分[4]，在發(fā)生交流側(cè)電網(wǎng)的突發(fā)故障時(shí)，可能會(huì)造成閥水冷保護(hù)的誤動(dòng)作[5]，導(dǎo)致直流輸電線路負(fù)荷丟失。保障閥水冷系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，增強(qiáng)其交流側(cè)突發(fā)振蕩的抗干擾能力，對(duì)直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[6]。

結(jié)合復(fù)龍、中州換流站因500kV交流側(cè)電網(wǎng)突發(fā)擾動(dòng)導(dǎo)致閥水冷系統(tǒng)保護(hù)跳閘的事件，分別對(duì)宜賓換流站的閥水冷主循環(huán)泵啟動(dòng)方式、站用電備自投與主循環(huán)泵切換時(shí)間、主循環(huán)泵電源開關(guān)選型等3個(gè)方面在復(fù)龍、中州換流站的基礎(chǔ)上作出了改進(jìn)措施，并分析相應(yīng)的改進(jìn)效果，增強(qiáng)了宜賓換流站的閥水冷系統(tǒng)的可靠性。

1 換流閥水冷系統(tǒng)保護(hù)誤動(dòng)事件及試 驗(yàn)簡(jiǎn)述

1.1 復(fù)龍換流站閥水冷流量保護(hù)動(dòng)作事件

2013年7月5日13時(shí)50分，復(fù)奉直流逆變側(cè)(奉賢站)交流系統(tǒng)故障引起雙極四閥組換相失敗。換相失敗導(dǎo)致整流側(cè)(復(fù)龍站)500kV交流側(cè)電網(wǎng)突發(fā)擾動(dòng)，造成復(fù)龍站站用電系統(tǒng)異常振蕩，此次事件導(dǎo)致復(fù)龍換流站閥水冷系統(tǒng)8臺(tái)主循環(huán)泵中的6臺(tái)流量低保護(hù)動(dòng)作，造成4臺(tái)雙極端閥水冷主循環(huán)泵全部停運(yùn)，損失負(fù)荷達(dá)到3 200 MW。其中換相失敗時(shí)，復(fù)龍站交流側(cè)的錄波器波形如圖1所示。

圖1 復(fù)龍站500kV交流側(cè)電壓波形

1.2 復(fù)龍換流站備自投功能配合試驗(yàn)

當(dāng)500kV交流側(cè)電網(wǎng)突發(fā)振蕩時(shí)，有可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流站內(nèi)站用電系統(tǒng)的備自投功能動(dòng)作。復(fù)龍站主循環(huán)泵站用電配置結(jié)構(gòu)如圖2所示，由兩段10kV母線及兩段400 V母線組成，主循環(huán)泵的交流電源分別取自不同400 V母線段，兩段10kV母線是為400 V母線供電。其備自投配合邏輯為：當(dāng)10kV 進(jìn)線電壓低于額定電壓的70%時(shí)，延時(shí)1.02 s后10kV 進(jìn)線開關(guān)自動(dòng)斷開，再延時(shí)0.58 s 后10kV 聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)合上繼續(xù)為負(fù)荷供電。當(dāng)400 V 進(jìn)線電壓低于額定電壓的70%時(shí)，延時(shí)4 s 后400 V 進(jìn)線開關(guān)自動(dòng)斷開，再延時(shí)1 s 后400 V 聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)合上繼續(xù)為負(fù)荷供電。

圖2 復(fù)龍換流站主循環(huán)泵啟動(dòng)回路配置

復(fù)龍站在建站驗(yàn)收期間進(jìn)行了2次站用電備自投與主循環(huán)泵切換時(shí)間配合功能試驗(yàn)。在對(duì)10kV和400 V備自投試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生在主循環(huán)泵啟動(dòng)過程中由于閥內(nèi)水冷流量低導(dǎo)致流量保護(hù)動(dòng)作跳閘[8]。

1.3 中州換流站主循環(huán)泵啟動(dòng)回路電源開關(guān)脫扣事件

2014年1月15日，中州換流站在進(jìn)行500kV線路單相短路接地故障試驗(yàn)時(shí)，站用電400 V交流母線電壓受到擾動(dòng)，三相電壓波形產(chǎn)生畸變，持續(xù)時(shí)間約為52 ms，波動(dòng)期間電壓均出現(xiàn)不同程度下降。其中B相電壓下降最大，峰值電壓約為正常值的30%，持續(xù)時(shí)間約為40 ms。試驗(yàn)造成4臺(tái)運(yùn)行主循環(huán)泵啟動(dòng)回路電源開關(guān)全部過流跳閘，并切換至備用主循環(huán)泵運(yùn)行。擾動(dòng)時(shí)的400 V站用電母線電壓波形如圖3所示。

圖3 故障時(shí)400V站用電母線電壓波形

2 交流側(cè)電壓擾動(dòng)造成閥水冷系統(tǒng)故 障的原因分析

通過復(fù)龍、中州換流站發(fā)生的事故以及相關(guān)的試驗(yàn)可以看出，閥水冷系統(tǒng)的誤動(dòng)作是由交流側(cè)出現(xiàn)電壓擾動(dòng)而引起的。現(xiàn)對(duì)上述事件和試驗(yàn)所造成的閥水冷系統(tǒng)保護(hù)誤動(dòng)作的原因進(jìn)行分析。

2.1 復(fù)龍換流站閥水冷流量保護(hù)動(dòng)作原因分析

復(fù)龍換流站閥水冷主循環(huán)泵啟動(dòng)方式為變頻器控制，其具體配置如圖2所示。500kV交流側(cè)電壓出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)過電壓，導(dǎo)致變頻器中間直流電壓上升，造成變頻器直流過壓保護(hù)動(dòng)作。通過對(duì)復(fù)龍換流站軟件仿真可知，當(dāng)復(fù)龍站500kV交流系統(tǒng)側(cè)電壓出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)波形如圖4所示，變頻器會(huì)出現(xiàn)過電壓，變頻交流器中間直流電壓如圖5所示。當(dāng)復(fù)龍換流站閥水冷主循環(huán)泵啟動(dòng)回路中的變頻器發(fā)生故障時(shí)，只能切換至備用變頻器啟動(dòng)回路，若備用回路中的變頻器也同時(shí)故障，將導(dǎo)致兩臺(tái)主循環(huán)泵停運(yùn)，閥水冷流量低保護(hù)動(dòng)作出口。

圖4 500kV交流系統(tǒng)電壓波形

圖5 變頻器中間直流電壓波形

2.2 復(fù)龍換流站備自投功能配合試驗(yàn)造成保護(hù)動(dòng)作原因分析

當(dāng)500kV交流側(cè)電網(wǎng)突發(fā)振蕩時(shí)，有可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流站內(nèi)站用電系統(tǒng)的備自投功能動(dòng)作；此時(shí)若站用電備自投與主循環(huán)泵切換時(shí)間配合不到位，將嚴(yán)重影響閥水冷的主水流量，導(dǎo)致流量保護(hù)動(dòng)作。在對(duì)復(fù)龍主循環(huán)泵站備自投試驗(yàn)中，10kV和400 V備自投的切換，均導(dǎo)致主循環(huán)泵啟動(dòng)過程中由于閥內(nèi)水冷流量低導(dǎo)致流量保護(hù)動(dòng)作跳閘[8]。

2.3 中州換流站主循環(huán)泵啟動(dòng)回路電源開關(guān)脫扣原因分析

當(dāng)交流側(cè)電壓出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，會(huì)造成站用交流電壓下降。中州換流站的400 V交流母線三相電壓均在交流側(cè)故障時(shí)出現(xiàn)不同程度下降，短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)處于半失電狀態(tài)；但電動(dòng)機(jī)在機(jī)械慣性的作用下仍在轉(zhuǎn)動(dòng)，在其轉(zhuǎn)動(dòng)尚未停止前，400 V交流母線電壓迅速恢復(fù)又令其再次啟動(dòng)。因?yàn)闅埩羰４诺拇嬖冢藭r(shí)外施偏磁疊加殘留剩磁的作用會(huì)使其內(nèi)部電氣特性產(chǎn)生畸變，進(jìn)而產(chǎn)生沖擊電流，最高可達(dá)到17倍的額定電流值(In)；中州換流站主循環(huán)泵啟動(dòng)回路電源開關(guān)最初選型時(shí)的短路動(dòng)作電流值(脫扣電流值)遠(yuǎn)小于故障時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流值，所以主循環(huán)泵電源開關(guān)過流保護(hù)動(dòng)作。

3 宜賓換流站閥水冷系統(tǒng)的改進(jìn)措施

3.1 閥水冷主循環(huán)泵啟動(dòng)方式改進(jìn)措施

宜賓換流站閥水冷系統(tǒng)在復(fù)龍站的基礎(chǔ)上對(duì)主循環(huán)泵啟動(dòng)方式做出改進(jìn)措施。其主循環(huán)啟動(dòng)由軟啟動(dòng)器控制，并在軟啟動(dòng)回路之外又增加了工頻回路。具體配置如圖6所示，主循環(huán)泵正常啟動(dòng)時(shí)通過軟啟動(dòng)器控制，當(dāng)主循環(huán)泵在軟啟動(dòng)器回路運(yùn)行穩(wěn)定后，自動(dòng)切換至工頻回路保持長(zhǎng)期運(yùn)行。

軟啟動(dòng)器和變頻器的區(qū)別在于[7]：軟啟動(dòng)器是個(gè)調(diào)壓器，用于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，輸出時(shí)改變電壓不改變頻率；而變頻器是用于需要調(diào)速的地方，其輸出時(shí)不但改變電壓，而且同時(shí)改變頻率。變頻器啟動(dòng)方式易受外部電壓影響，對(duì)于恒定頻率和負(fù)荷的設(shè)備較為不適合。軟啟動(dòng)器啟動(dòng)方式受外界電壓變化擾動(dòng)影響較小，具有較好的啟動(dòng)特性，且啟動(dòng)參數(shù)可調(diào)。

圖6 宜賓換流站主循環(huán)泵啟動(dòng)回路配置

當(dāng)復(fù)龍換流站閥水冷主循環(huán)泵啟動(dòng)回路中的變頻器發(fā)生故障時(shí)，只能切換至備用變頻器啟動(dòng)回路；若備用回路中的變頻器也同時(shí)故障，將導(dǎo)致兩臺(tái)主循環(huán)泵停運(yùn)，閥水冷流量低保護(hù)動(dòng)作出口。而宜賓換流站啟動(dòng)回路中的變頻器發(fā)生故障時(shí)，若備用泵軟啟回路和工頻回路均正常時(shí)，則切換至備用泵軟啟回路啟動(dòng)。當(dāng)軟啟回路穩(wěn)定運(yùn)行后，切換至備用工頻回路長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；若備用泵軟啟回路故障且工頻回路正常時(shí)，切換至備用泵工頻回路啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行；若備用泵軟啟回路正常且工頻回路故障時(shí)，切換至備用泵軟啟回路啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行。若備用泵軟啟回路和工頻回路均故障，運(yùn)行泵軟啟回路正常時(shí)，則延時(shí)3 s后切換至運(yùn)行泵軟啟回路啟動(dòng)并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

由此可知，當(dāng)換流站500kV交流側(cè)電網(wǎng)突發(fā)擾動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)器回路加工頻回路的主循環(huán)泵啟動(dòng)方式具有更強(qiáng)的抗干擾能力，保證了閥水冷主循環(huán)泵的可靠運(yùn)行，增強(qiáng)了閥水冷系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2 站用電備自投與主循環(huán)泵切換時(shí)間改進(jìn)措施

根據(jù)復(fù)龍站站用電備自投功能的參數(shù)設(shè)置及閥水冷流量保護(hù)動(dòng)作的原因分析，宜賓站對(duì)閥水冷系統(tǒng)及站用電系統(tǒng)進(jìn)行了如下改進(jìn)：

1)在備自投切換時(shí)間上做出改進(jìn)，盡量減小400 V備自投時(shí)間定值以縮短主泵電機(jī)丟失電源時(shí)間。優(yōu)化后的400V備自投時(shí)間定值為延時(shí)3.8 s后400 V進(jìn)線開關(guān)自動(dòng)斷開，再延時(shí)0.9 s后400 V聯(lián)絡(luò)開關(guān)自動(dòng)合上繼續(xù)為主循環(huán)泵供電。優(yōu)化備自投時(shí)間定值后，保證低流量保護(hù)不會(huì)跳閘。

2)在備用主循環(huán)泵啟動(dòng)延時(shí)上做出改進(jìn)；若發(fā)生交流系統(tǒng)擾動(dòng)或工頻回路故障，將直接切換至備用泵的軟啟回路啟動(dòng)，閥水冷控制系統(tǒng)內(nèi)無延時(shí)設(shè)置，可以使備用泵快速啟動(dòng)，及時(shí)建立主水流量。

3.3 閥水冷主循環(huán)泵啟動(dòng)回路電源開關(guān)選型的改進(jìn)措施

為防止主循環(huán)泵啟動(dòng)回路電源開關(guān)的短路動(dòng)作電流值(脫扣電流值)過小而導(dǎo)致開關(guān)本體過流保護(hù)動(dòng)作，宜賓站閥水冷主循環(huán)泵電機(jī)所配置的啟動(dòng)回路電源開關(guān)脫扣電流定值均>17倍的電機(jī)額定運(yùn)行電流值，其所采用的電源開關(guān)參數(shù)如表1所示；避免了因400 V交流母線電壓擾動(dòng)導(dǎo)致主循環(huán)泵啟動(dòng)回路電源開關(guān)脫扣的設(shè)備隱患，從而保證了閥水冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表1 啟動(dòng)回路電源開關(guān)參數(shù)

4 結(jié) 論

閥水冷系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于保證特高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行具有重大意義。為保障閥水冷系統(tǒng)可靠運(yùn)行，避免發(fā)生500kV交流側(cè)電網(wǎng)突發(fā)擾動(dòng)而造成閥水冷系統(tǒng)誤動(dòng)作的情況，宜賓換流站做出了如下的改進(jìn)措施，并取得了良好的效果：

1)在閥水冷主循環(huán)泵啟動(dòng)方式上，宜賓換流站采用了軟啟動(dòng)器啟動(dòng)后自動(dòng)切換至工頻回路保持長(zhǎng)期運(yùn)行的改進(jìn)措施，即使軟啟動(dòng)器故障，主循環(huán)泵仍可通過工頻回路繼續(xù)運(yùn)行。與復(fù)龍換流站的變頻器回路控制啟動(dòng)方式相比，具備了更高的穩(wěn)定性，電源回路也增加了更多的選擇，避免了因主循環(huán)泵啟動(dòng)元件故障導(dǎo)致主循環(huán)泵停運(yùn)的隱患，增強(qiáng)了閥水冷系統(tǒng)抵御交流電網(wǎng)振蕩的能力。

2)在站用電備自投與主循環(huán)泵切換時(shí)間上做出改進(jìn)，更改站用電400 V備自投功能的時(shí)間定值后，最大限度地保證了閥水冷主循環(huán)泵的電力供應(yīng)；取消水冷控制系統(tǒng)內(nèi)兩臺(tái)主循環(huán)泵之間切換的延時(shí)設(shè)置，給主水回路流量提供了持續(xù)的動(dòng)力；確保閥水冷流量保護(hù)不會(huì)因站用電系統(tǒng)擾動(dòng)切換而導(dǎo)致跳閘。

3)在主循環(huán)泵啟動(dòng)回路電源開關(guān)選型的問題上，宜賓站充分汲取中州換流站的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，后期更換了全部閥水冷主循環(huán)泵電源開關(guān)，開關(guān)本體的過流保護(hù)定值均大于電機(jī)額定運(yùn)行電流值的17倍，避免了因站用電交流系統(tǒng)短時(shí)擾動(dòng)導(dǎo)致閥水冷主循環(huán)泵啟動(dòng)回路電源開關(guān)脫扣的隱患。

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The converter valve cooling system is an important part of ultra-high voltage direct current(UHVDC)transmission system. When 500kV AC power grid at both ends of UHVDC system has disturbances, the protection of valve cooling system will act which makes load losing. The accidents of Fulong and Zhongzhou converter stations are introduced briefly, and the reasons of their valve cooling system problems are analyzed. Then the valve cooling system of YiBin converter station is improved on the way by modifying the start-up mode of main circulation pump, reducing the time of closing the spare power automatic switch and the spare circulation pump switch and changing the switch of main circulation pump power. Those measures effectively enhance the ability of valve water flow against the disturbances of AC power grid, which significantly improves the operation reliability of Bin-Jin DC transmission system.

UHVDC; valve cooling system; sudden disturbance of AC power grid

TM772

B

1003-6954(2017)02-0024-04

2016-11-18)