南方電網±200 Mvar鏈式STATCOM設備常見故障及其應對措施

陳湘龍

(廣州供電局有限公司,廣東 廣州 510000)

南方電網±200 Mvar鏈式STATCOM設備常見故障及其應對措施

陳湘龍

(廣州供電局有限公司,廣東 廣州 510000)

為了提高南方電網暫態穩定性,保證主網穩定,在交直流落點的樞紐變電站配置靜態無功發生器--STATCOM,可以在電網故障發生時提供動態無功支撐,提高電網暫態穩定性.本文以500kV北郊站為主,介紹南方電網典型配置的±200Mvar鏈式STATCOM系統的情況,對投產至今設備異常及故障情況,進行歸類與分析,并且從變電站運維人員的角度提出相應的應對措施及運維建議.

靜止同步補償器;設備故障;措施及建議

±200Mvar 鏈式STATCOM是目前南方電網靜止無功補償裝置的典型設計方案,截至2017年已經應用在東莞站、水鄉站、北郊站以及木棉站等500kV樞紐變電站.目前針對STATCOM的系統研究多數為實時動態仿真、系統控制策略、故障情況動態無功補償分析等,針對裝置硬件的研究主要為水冷系統設計、漏水檢測裝置實驗等方面,本文將以500kV北郊站為主,從變電運行的角度,總結南方電網STATCOM裝置實際運行的常見異常及故障案例,并由此對運行人員提出建議及應對措施.

1 南方電網現狀分析

南方電網是我國目前唯一的交直流并聯運行的超高壓、遠距離、大容量互聯電網,未來將達到"八直八交"的電網規模.目前,南方電網無功補償和電壓穩定方面存在以下問題.

1.1 受端電網動態無功補償不足

南方電網交直流重要落點--廣東省珠三角區域電網,多回直流集中饋入,城市群負荷高度密集.目前,珠三角電網廣泛采用電容器、電抗器投切的無功補償技術.以500kV北郊站為例,35kV母線配置的電抗器及電容器,由變電站值班員控制投切,響應速度較慢.即使變電站配置快速電容電抗投切裝置,其動態響應也是秒(s)級別,不能滿足系統暫態無功需求.

1.2 受端電網本地電源支撐不足

珠三角地區高度城鎮化,寸土寸金,建設本地電源日漸困難.隨著社會用電負荷進一步發展,本地電源的發電機無功容量將不足.電網發生故障時,負荷中心地區劇增的動態無功需求不能由區外的直流輸電通道送入,系統動態無功補償不足,有可能造成電網失穩.

1.3 西電東送電壓調控困難

南方電網西電東送的各種運行方式下電網潮流變化較大.隨著負荷發展,峰谷負荷差距日漸增大.負荷高峰時段容性無功功率需求大,電壓偏低;負荷低谷時段充電功率過剩,電壓過高,各級電網無功分層平衡困難.

基于目前的現狀,南方電網引入靜止無功補償技術.以廣州電網為例,2013年起,廣州電網北郊站與木棉站相繼配置了±200MVar鏈式靜止同步補償器STATCOM裝置,其暫態響應時間為20ms,遠低于其他無功補償技術,滿足了電網暫態無功補償需求.

2 STATCOM原理介紹

STATCOM即靜止同步補償器(即靜止無功發生器),指由IEGT等全控型電力電子器件來實現動態無功補償的裝置.其基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器及專用變壓器連接在電網,在控制策略的調控下,STATCOM調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值,使得STATCOM吸收或發出相應的無功功率,從而實現動態無功補償.

若不計損耗,電網和STATCOM輸出的交流電壓分別用相量Us 和Ustatcom表示,連接電抗器X上的電壓UL即為Us和Ustatcom之間的相量差.如圖1中I 表示電流,改變STATCOM 交流側輸出電壓的幅值及其相對Us 的相位,就可以改變連接電抗上的電壓UL,從而控制STATCOM 從電網吸收的電流和幅值,即無功功率的性質和大小.當Ustatcom> Us 時,電流超前電壓90°,STATCOM 吸收容性無功功率(圖2a);當Ustatcom< Us時,電流滯后電壓90°,STATCOM 吸收感性無功功率(圖2b),從而實現動態無功補償.

圖1 STATCOM原理示意圖

圖2 STATCOM工作原理矢量圖

3 常見故障類型

以北郊站STATCOM為例分析其常見故障類型,該站的基本配置情況如下:配置兩套35kV 電壓等級±100Mvar鏈式STATCOM裝置,整組容量±200Mvar,通過專用#8主變連接至220kV 5M、6M母線.它主要由換流鏈、連接電抗器、專用變壓器及其他輔助設備、繼電保護、控制與監測設備、交直流及UPS電源、水冷系統等組成.該站投運至今4年,設備異常及跳閘發生率較高.從運維經驗分析,設備常見故障可以歸結為三大類:一是換流鏈閥組故障;二是水冷系統故障;三是交直流系統故障.

3.1 換流鏈閥組故障

北郊站STATCOM系統采用角形接線,AB、BC、CA相間各自級聯27個功率單元,采用鏈式結構串聯,見圖3所示.每個功率單元由4個IEGT(見圖4)、電容器、放電電阻、旁路裝置、控制板卡、通信光纖等設備構成.換流鏈閥組故障是STATCOM系統最常見、最復雜的故障類型.

圖3 功率單元之間級聯情況示意圖

換流鏈閥組故障可以分為以下幾種:脈沖閉鎖、單元旁路、充電異常等故障類型,這三大類型中還包含了電壓采樣錯誤、各類芯片故障、IEGT損壞、光纖通信故障等等.

圖4 功率單元的4個IEGT工作示意圖

3.1.1 脈沖閉鎖

STATCOM系統的脈沖信號如果無法到達單元主控板,則反饋信號不正常,此時會發出脈沖閉鎖信號.一般該故障的原因為:(1)光纖損壞.(2)單元主控板光纖座損壞.(3)單元主控板受干擾.

解決方法為:(1)更換損壞的過流光纖,并對光纖進行功率衰減測試.(2)更換光纖頭.(3)更換單元主控板.(4)單元主控板電源防干擾處理.

3.1.2 單元旁路

每一個功率單元都設置有旁路回路,當該單元發生故障時,STATCOM系統允許單元在線旁路,不影響整套系統運行.單元旁路的主要原因有:IEGT故障(需要排查IEGT是否真實故障)、主控板卡故障、電源芯片故障等.

正常情況下,每個IEGT有一個反饋脈沖信號,當給IEGT發出脈沖序列時,IEGT都會給出反饋脈沖信號,根據IEGT的反饋信號檢測IEGT是否真實故障.

解決方法為:(1)更換IEGT.(2)根據實際檢查結果更換單元主控板、IEGT驅動板、命令光纖或反饋光纖等.

3.1.3 充電異常

一般充電異常會發脈沖閉鎖,STATCOM系統無法啟動.原因主要為電壓采樣異常(涉及到單元主控板、電壓采樣板),或者充電回路異常(涉及到隔離電源、充電板等設備).

解決方法為:(1)更換電壓采樣板或單元主控板;(2)更換隔離電源或充電板.(3)檢查電壓采樣或充電回路接線端子并進行緊固.

3.2 水冷系統故障

在STATCOM系統中,水冷是非常重要的輔助系統.水冷系統故障.,STATCOM將退出運行.而水冷系統故障也存在故障誤報的可能.

3.2.1 漏水檢測故障

在STATCOM閥組中引入了漏水檢測裝置,可以及時檢測漏水情況并發出信號.而檢測裝置存在以下可能.(1)模塊真實漏水.(2)傳感器異常(或傳感器安裝位置過低).(3)漏水檢測板損壞.(4)單元主控板損壞.(5)裝置受干擾而誤報.

解決方法:(1)更換相模塊.(2)更換傳感器(調整傳感器安裝位置).(3)更換漏水檢測板.(4)更換單元主控板.(5)軟硬件抗干擾處理.

3.2.2 電纜短路

水冷系統的整個回路需要大量的風機、水泵、閥門等,這些電纜在敷設過程中,有可能因為絕緣老化或者損壞,導致電纜間線路短路,進而跳開上一級空氣開關,導致水冷退出運行.

解決方法:結合停電檢修計劃,對水冷系統的電纜線路進行重新敷設,確保線路不交叉,不容易發生短路故障.

3.2.3 風機故障

水冷系統的冷卻水需要冷卻循環,從閥組室出來的冷卻水經過室外的散熱片,降低溫度后再次進入水冷系統.戶外散熱風機由于環境的考驗,故障率較高.

解決方法:對風機的戶外控制裝置采取加裝防雨防塵等措施,確保風機可以最大程度安全運行.

3.3 交直流供電系統故障

STATCOM系統的交流供電系統采用ATS自動切換裝置;直流供電系統采用專用蓄電池組,并加裝了UPS不間斷電源.交直流供電系統均采用雙回路供電,因此,STATCOM系統的交直流供電可靠性較高.主要故障集中在站用電失壓、直流系統絕緣降低、蓄電池故障、UPS控制板故障等.

解決方法:(1)提高本站的站用電以及外來電源的可靠性.(2)提高直流系統絕緣性能,定期清掃端子排,防止相關直流回路受潮等.(3)更換蓄電池,對蓄電池進行定期維護工作.(4)定期進行UPS切換試驗.

4 應對措施及建議

針對STATCOM系統主要故障的原因及分析,從變電運行人員的角度,提出如下運維建議.

4.1 換流鏈運行維護管理

4.1.1 日常巡視項目

(1)在換流鏈室外,檢查振動、聲響、異味、冒煙等情況.(2)通過STATCOM視頻監控系統觀察換流鏈室內的情況.檢查照明、地面積水及異物、設備放電、冒煙、過熱等情況.(3)通過上位機,查看換流鏈室每個功率單元的狀態,檢查直流電壓正常,設備狀態正常,無報警和故障信號.(4)通過上位機觀察水冷系統進閥溫度、出閥溫度、供水壓力、水位、電導率以及流量應正常.(5)系統監控屏、系統控制屏和裝置控制屏的交直流電源指示燈正常、電壓電流正常.

4.1.2 特殊巡視項目

(1)更換單元后,24小時內應注意更換單元的狀態,以及水冷系統壓力是否正常.(2)滿容量運行時,水冷系統水溫是否異常,室外引線接頭有無過熱、變色.(3)檢修、改造、試驗或半年以上的停用后重新投入時,檢查冷卻水電導率值有無異常,是否滲漏;對換流鏈進行試驗充電正常.

4.1.3 定期維護項目

(1)進行換流鏈室空調系統的檢查.(2)進行換流鏈的維護檢查.(3)內部結構定期檢測.(4)換流鏈的電容進行充電試驗、放電電阻的放電試驗.(5)STATCOM輸出電壓波形進行測試.

4.2 水冷系統運行維護管理

4.2.1 日常巡檢項目

(1)控制屏面板的信號指示正確.(2)檢查去離子水流量正常.(3)氮氣瓶壓力檢查正常.(4)檢查水泵及風機的電機運行時的噪聲、溫度等正常.(5)緩沖灌液位檢查正常.

4.2.2 特殊巡檢項目

(1)水冷系統發生泄漏恢復后,水冷系統是否還要漏水現象.(2)大風天氣過后,觀察風機上方是否有覆蓋物.(3)水冷系統檢修后,應在24小時內加強巡視.

4.2.3 定期維護項目

(1)啟動補水泵補水,檢查補水泵是否有異常振動、噪聲,壓力、流量是否正常.(2)對主循環泵、風機電機的軸承進行潤滑.(3)安排廠家人員對水冷系統進行維護和檢修.

4.3 交直流系統運行維護管理

對于STATCOM的交直流系統的運行維護要求,與變電站自身的交直流系統運行維護管理要求一致,即對站用電、ATS裝置、直流充電機、絕緣監測裝置、蓄電池等,開展日常的維護和特巡.

5 結語

本文首先介紹了南方電網±200Mvar鏈式STATCOM系統的基本情況,并簡要介紹了STATCOM的原理.結合榮信電力電子公司提供的相關資料,以北郊站STATCOM運行情況為例分析了常見故障類型及原因,并提出了解決方法.通過分析可知,為了使STATCOM系統更好地發揮實際作用,有效提高南方電網動態無功儲備以及暫態無功補償能力,STATCOM的設備制造和維護水平有待進一步提高,變電站運行人員運維技術也需要不斷積累和提升.本文提出的故障應對措施及運維建議,對變電站人員進行STATCOM的運維和研究,也具有一定的參考意義.

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