湖北電網變電站站用交直流電源系統運行分析

王 婷，楊 銘，張侃君，葉龐琪，陳 堃，李寶珠

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

交直流系統作為電力系統中非常重要的電源系統，是保證變電站安全可靠輸送電能的一個必不可少的環節，為變電站內的一、二次設備提供電源，是繼電保護的控制核心。許多大型的電網事故都是由于站用電交直流系統問題所導致的。

為了確保站用電交直流系統安全可靠運行，國網湖北省電力公司結合國家電網公司下發的站用電交直流系統隱患排查細則，還有相關的措施、標準、導則等，對湖北電網站用交直流電源系統進行了全面的排查，并以專題的形式重點研究了隱患排查的內容和依據，提出了站用交直流電源系統隱患整改的措施和建議，對于站用電交直流系統問題的查找和維護具有一定的借鑒作用。

1 站用交直流電源系統隱患排查內容

根據國家電網公司相關要求，湖北電網對站用交直流電源系統進行了共計27個方面的排查，并以專題形式重點研究了以下6個問題：

1.1 站用交直流電源系統部分告警信號未上傳至調控部門[1-3]

直流系統蓄電池總輸出采用熔斷器+隔離開關方式的，直流回路采用熔斷器做為保護電器時，應裝設隔離電器，也可采用熔斷器和刀開關合一的刀熔開關。蓄電池出口回路熔斷器應帶有報警觸點，其他回路熔斷器，必要時可帶有報警觸點。

1.2 站用交流電源系統配置不足[3-8]

330 kV及以上變電站應至少配置3路站用電源。330 kV以下變電站應至少配置2路不同的站用電源。變電站不同外接站用電源不能取至同一個上級變電站。330 kV及以上變電站和地下220 kV變電站的備用站用變電源不能由該站作為單一電源的區域供電。當任一臺站用變退出時，備用站用變應能自動切換至失電的工作母線段繼續供電。每套充電裝置應有兩路分別取自不同站用電源的交流輸入互為備用，當運行的交流輸入失去時能自動切換到備用交流供電。

1.3 低壓脫扣裝置延時未設置[3]

站用電系統采用具有低電壓自動脫扣功能的開關時，應對該類開關脫扣設置一定延時，防止因站用電系統一次側電壓瞬時跌落造成脫扣。

1.4 站用電動力、蓄電池電纜混溝，蓄電池分隔、防火不符合要求[3,4]

湖北電網關于變電站（換流站）所用電動力電纜、蓄電池電纜防火不符合要求的專項隱患排查主要內容如下：

（1）所用電動力電纜應采用鎧裝防火電纜獨立敷設，不得與電纜溝其他電纜混溝；不具備獨立敷設條件的，宜采取加裝電纜防火槽盒、涂防火涂料、灌沙等臨時性措施。

（2）直流系統的電纜應采用阻燃電纜，兩組蓄電池的電纜應分別鋪設在各自獨立的通道內，盡量避免與交流電纜并排鋪設，在穿越電纜豎井時，兩組蓄電池電纜應加穿金屬套管。

（3）多組蓄電池應獨立安裝在不同的蓄電池室內或者在不同蓄電池組間設置防火隔墻。

1.5 直流饋出網絡采用環網供電或直流小母線供電[3,4]

直流系統對負載供電，應按電壓等級設置分電屏供電方式，不應采用直流小母線供電方式；直流饋出網絡應采用輻射狀供電方式，運行中嚴禁采用環狀供電方式。

1.6 直流回路中使用交流斷路器或交直流兩用斷路器[3,4,9]

直流回路嚴禁采用交流空氣斷路器，應采用具有自動脫扣功能的直流斷路器。除蓄電池出口總熔斷器以外，其余均為直流專用斷路器。當直流斷路器與熔斷器配合時，級差配置合理，直流斷路器下一級不應再接熔斷器。

2 交直流電源系統部分告警信號未上傳

2.1 存在的隱患

交直流電源系統存在的隱患如下：

（1）蓄電池出口無熔絲或熔斷告警功能未配置情況普遍；

（2）蓄電池出口熔斷告警信號未上傳調控部門情況普遍。

2.2 隱患整改建議

交直流電源系統故障告警相關整改建議如下：

（1）蓄電池出口總熔斷器應配置告警節點，并將該節點上傳至調度部門。對于不具備告警功能的熔斷器，應進行更換或加裝告警繼電器、對于缺少熔斷器的應更換帶告警功能的熔斷器成套裝置。

（2）對影響變電站安全運行的交直流系統其它故障，如站用電交流失電、重要負荷交流失壓、UPS故障、直流系統接地故障、直流系統充電機故障、直流開關跳閘、交流串入直流等影響變電站長期安全穩定運行的告警信息應上傳至調度部門。

（3）對于失壓類告警，如不具備告警輸出，應加裝欠電壓繼電器；對于不具備交流串入直流故障測記和報警功能的直流系統絕緣監測裝置，應進行改造；對于直流開關沒有輔助報警接點的應進行更換。

3 低壓脫扣裝置延時未設置

3.1 存在的隱患

湖北電網變電站站用交流電源系統中采用的交流斷路器基本都配置了低壓脫扣功能，主要可分為以下兩種類型：

（1）具備低電壓自動脫扣功能但無法進行延時設置的交流斷路器；

（2）具備低電壓自動脫扣功能且能夠進行延時設置的交流斷路器。

目前湖北電網變電站站用交流電源系統中的交流斷路器低壓脫扣延時設置主要存在以下問題：如果站用交流電源系統交流斷路器無低壓脫扣功能，是否需要加裝？如果站用交流電源系統交流斷路器具備低壓脫扣功能，且能夠進行延時設置，但延時定值整定原則只有“防止因站用電系統一次側電壓瞬時跌落造成脫扣”，難以實施。

3.2 隱患整改建議

（1）站內沒有對電能質量有特殊要求的設備，應盡快拆除低壓脫扣裝。

（2）若需裝設低壓脫扣裝置，應將低壓脫扣裝置更換為具備延時和面板顯示功能的低壓脫扣裝置。

（3）若拆除困難或需要裝設低壓脫扣裝置的，延時時間應與系統保護和重合閘時間配合，躲過系統瞬時故障。

4 站用交流電源系統配置不足

針對低壓脫扣裝置存在的隱患提出以下整改建議：

4.1 站用交流系統配置方式

湖北電網變電站（換流站）站用交流電源，根據接線方式可分為以下6種配置方式：

（1）三電源單母分段接線

如圖1所示，該配置方式目前主要用于湖北電網1000 kV特高壓、500 kV變電站、±500 kV換流站，其主要特點是：三路電源接入站用電10 kV母線，400 V母線分段，并設置母聯開關。

該配置方式相比于其他接線方式，供電可靠性最高，但同時成本也最高，從供電可靠性上看是目前最優的供電方式。

圖1 三電源兩級單母分段接線示意圖Fig.1 The schematic diagram of single bus section of three power supply

（2）雙ATS配置

圖2所示的配置方式目前為湖北電網220 kV新建、改造變電站標準方式，其主要特點是：雙站用變分別經ATS切換后接入單母線分段，正常時兩段母線分列運行。

該配置方式能夠在一定程度上保證變電站重要負荷的可靠供電，應該來說是一種較好的供電方式。

（3）單ATS配置

如圖3所示，該配置方式目前為湖北電網110 kV及以下新建、改造變電站標準方式，其主要特點是：雙站用變經單一ATS切換后接入單母線，正常工作時單電源運行。該配置方式由于在正常運行時只有單電源輸出到單母線，供電可靠性相對較低，但成本也較低。

圖2 雙ATS配置Fig.2 Double ATS configuration

圖3 單ATS配置Fig.3 Single ATS configuration

（4）單母線分段接線

如圖4所示，該配置方式目前為湖北電網現有常規220 kV變電站通用方式，其主要特點是：雙站用變分別接入各自母線，正常工作時母線分列運行，設置有母聯開關。該配置方式供電可靠性較高，與三電源單母分段接線方式類似，主要區別在于站用電源數量一般為兩路。

（5）單母線1接線

圖5所示的配置方式目前為湖北電網現有常規110 kV及以下變電站通用方式，其主要特點是：雙站用變經（或不經）切換回路接入低壓母線，正常工作時只有單臺站用變接入。該配置方式由于正常時只有單電源輸出到單母線，供電可靠性相對較低。

圖4 單母線分段接線Fig.4 Single bus section wiring

圖5 單母線1接線Fig.5 Single bus 1 wiring

（6）單母線2接線

圖6所示的配置方式目前為湖北電網單變單母線35 kV變電站采用的主要方式，其主要特點是：單臺站變接入單一400 V母線。該配置方式由于只有單電源、單母線，供電可靠性相對最低。

4.2 存在的隱患

針對湖北電網現有的這6種主要配置方式，結合實際運維經驗，理論上存在以下隱患：

（1）采用雙ATS配置方式時，由于兩母線之間沒有聯絡開關，當某一ATS故障后，對應母線存在長時間失去電源的風險；由于ATS無故障閉鎖邏輯，當其中一母線發生故障失壓，會導致故障范圍擴大。

（2）采用單ATS配置方式時，如果ATS故障，則全站將存在較長時間失去交流電源的風險；充電機、主變風冷等重要負荷存在虛假雙電源問題。

（3）采用單母線分段接線方式時，一些母聯自投，無故障閉鎖邏輯，存在自投到故障回路上、全站失去交流電源的風險。

（4）采用單母線1接線方式時，切換回路故障，存在失去交流電源的風險；切換回路屬盲切，不能判斷故障，也會導致全站失去交流電源；充電機、主變風冷等重要負荷存在虛假雙電源問題。

（5）采用單母線2接線方式時，如果站變故障，必須馬上修復，否則變電站將被迫停電；充電機、主變風冷等重要負荷的供電可靠性會下降。

目前湖北電網變電站（換流站）站用交流電源的配置主要存在220 kV及以下變電站站用電源配置不足問題嚴重，變電站僅配置一臺站用變現象普遍。不滿足《國家電網公司防止變電站全停十六項措施》中“變電站應至少配置兩路不同的站用電源，不同外接站用電源不能取至同一個上級變電站”要求。

另220 kV及以下變電站站用電不具備自動切換功能的情況普遍，主要分為站用電單母線接線，兩臺站變之間不能自動切換（非ATS站）與站用電單母線分段接線，分段開關不能自投（非ATS站）兩大類問題。

圖6 單母線2接線Fig.6 Single bus 2 wiring

4.3 隱患整改建議

針對湖北電網站用交流電源交流電源系統，提出以下整改建議：

（1）換流站應配置三路獨立站用電源，1路來至站內變壓器或直降變，1路來自站外，另1路根據實際情況確定。

（2）500 kV及以上變電站應配置3路獨立站用電源，220 kV變電站應至少配置兩路獨立站用電源，當主變壓器為兩臺及以上時，由主變壓器低壓側引接的站用工作變壓器臺數不宜少于2臺，并應裝設一臺從站外可靠電源引接的專用備用變壓器。當周邊地區難以引接站外可靠電源時，可配置專用應急電源；當變電站初期只有一臺主變壓器時，除由站內引接一臺站用工作變壓器外，應再設置一臺從站外可靠電源引接的專用備用變壓器。當周邊地區難以引接第二回站外可靠電源時，可配置專用應急電源。

（3）當110 kV及35 kV變電站有兩臺主變壓器時，應從不同變壓器低壓側引接兩路站用電源；對于新建或改造的110 kV及35 kV變電站，當只有一回電源進線（一臺變壓器）時，分別從變壓器低壓側、電源進線斷路器之前引接兩臺所用變壓器。對于現存只有一回電源進線（一臺變壓器）的110 kV及35 kV變電站，只配有一臺站用變時，要留有應急電源接入點，對站用交流系統故障在調度端應加強監視，制定站用交流系統故障應急處理方案，確保在蓄電池放電時間內能使站用交流系統故障得到解決，否則應配置兩路交流站用電源。同時給重要用戶供電的變電站、縣政府及以上級別機構所在地的變電站、變電站給多個變電站供電的變電站站用電應按兩路進行改造。

（4）對于采用專用備用變壓器的變電站，專用備用變壓器應處于熱備用狀態；采用專用應急電源的變電站，專用應急電源應具備自動啟動并接入站用工作母線的功能。

5 站用電動力、蓄電池電纜混溝，蓄電池分隔、防火不符合要求

5.1 存在的隱患

目前湖北電網對于變電站所用電動力電纜、蓄電池電纜防火的處理現狀如下：

（1）所用電動力電纜、蓄電池電纜防火措施不足情況普遍；

（2）所用電動力電纜、蓄電池電纜大多與電纜溝其他電纜混溝；

（3）不具備獨立敷設條件的，大多沒有采取加裝電纜防火槽盒、涂防火涂料、灌沙等臨時性措施；（4）330 kV及以下變電站站用電蓄電池組隔離不到位情況普遍。

5.2 隱患整改建議

針對變電站所用電動力電纜、蓄電池電纜防火現狀所存在的隱患提出如下整改建議：

（1）電纜加上鎧裝層可以增加電纜的機械強度，提高防侵蝕能力。對于不存在外力破壞及侵蝕，同時防鼠措施較好的變電站，可以不采用鎧裝電纜。

（2）對站用動力電纜與其他電纜同溝，兩組蓄電池電纜同溝鋪設的情況，應盡快對其分溝，使其在不同的電纜通道內。對不具備分溝條件的，應盡量分層鋪設，并應采取防火措施。分層應按照由高到低的電力電纜、強電至弱電的控制和信號電纜、通訊電纜“由上而下”地順序排列。

（3）對不具備改造條件的，應采取加裝防火隔板、噴涂防火涂料、修繕防火墻、填充防火沙等隔離措施。

（4）對使用的非阻燃電纜，應盡快更換為阻燃電纜。

（5）蓄電池電纜穿越電纜豎井部分應加穿金屬套管。

（6）當多組蓄電池安裝在一個房間時，若一組蓄電池故障起火，可能造成多組蓄電池均被毀壞，造成事故。具備條件時，多組蓄電池應盡量獨立安裝在不同的蓄電池室內，否則應在不同蓄電池組間設置防火隔墻。對于容量為300 Ah及以下的閥控蓄電池，可安裝在電池柜內。

6 直流饋出網絡采用環網供電或直流小母線供電

6.1 存在的隱患

目前湖北電網對于直流饋出網絡供電方式的配置現狀如下：

（1）直流饋出網絡供電采用環網供電或直流小母線供電方式的現象普遍；

（2）直流饋出網絡中35(10)kV開關柜頂直流網絡被允許采用的供電方式不確定。

6.2 隱患整改建議

針對直流饋出網絡供電所存在的隱患，提出如下整改建議：

（1）直流系統的饋出接線方式應采用輻射狀供電方式，以保障上下級開關的級差配合，提高了直流系統供電可靠性。對于具體對負荷供電方式，應按一次設備的電壓等級配置分電屏，保護屏頂小母線的供電方式應淘汰。這樣接線的優點在于如果負荷處電源開關下口出現故障，僅跳負荷斷路器，或者最多跳分電屏對這一路輸出的斷路器，避免了直流小母線負荷斷路器下口故障，由于小母線總進線斷路器，很難實現與下級負荷斷路器的級差配合而誤動，造成停電范圍擴大。另外由于直流小母線往往在屏頂布置，接線復雜，連接點多，其裸露部分易照成誤碰或接地故障。

（2）根據《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》,35 kV、10 kV開關柜現有采用直流小母線方式供電，應按電壓等級改造為分電屏供電方式，以避免由于負荷開關下口故障，造成小母線總進線開關無法應對級差配合而誤動，擴大停電范圍。

7 直流回路中使用交流斷路器或交直流兩用斷路器

7.1 存在的隱患

目前湖北電網對于變電站站用直流系統直流專用斷路器的使用現狀如下：

（1）變電站（換流站）站用直流系統普遍存在使用交流斷路器、交直流斷路器的情況；

（2）存在站用直流系統中使用交直流兩用斷路器，但未及時進行專項直流性能驗證，不滿足要求。

7.2 隱患整改建議

熔斷器由于其動作特性受環境影響，且受到沖擊電流后，動作特性也會改變，因此直流系統不應采用熔斷器。但出口總熔斷器由于熔斷電流大，動作特性不易受環境及沖擊電流的影響，能開斷較大故障電流，造價相對便宜，從電網多年運行來看，直流系統可滿足現場運行需求。

除蓄電池出口總熔斷器外，對于使用直流系統使用交流斷路器的應更換為直流斷路器；對于使用交直流斷路器的應驗證其直流性能，不滿足要求的應更換。

8 結論

本文以湖北電網站用電交直流電源系統隱患排查為例，采用專題研究的方式，對重點出現的6類問題進行研究分析和隱患排查工作，以此為依據，提出了站用電交直流電源系統隱患整改的措施和建議，對于站用電交直流系統問題的查找和維護具有一定的借鑒作用。

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