特高壓換流站站用電備自投越級動作的故障分析及改進措施

李 然 孫 毅 金 銘 呂 力

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，南京 211100）

0 引言

站用電系統作為特高壓換流站的重要輔助系統，是保證特高壓直流輸電系統安全穩定運行的重要環節。相較于常規變電站，換流站站用電系統的可靠性要求更高，換流閥的閥冷系統、換流變的冷卻系統、閥廳的空調系統等輔助系統均需站用電系統提供電源。當站用電系統出現異常時，站內的輔助系統均會受到影響，換流站甚至會出現由輔助系統異常引起的雙極強迫停運[1-3]。為確保站用電供電的可靠性，目前特高壓換流站均采用三路獨立的電源供電，同時為保證在丟失任一路電源后不影響設備的正常運行，換流站還設計了10kV和400kV兩級備自投功能[4]。

1 特高壓換流站站用電簡介

圖1 特高壓淮安換流站站用電系統圖

特高壓淮安換流站站用電系統如圖1所示。站用電采用3路獨立電源供電，其中主用電源2路，備用電源1路。第一路主用電源取自本站500kV 4M母線，經500kV/10kV降壓變壓器接入10kV 1M；第二路主用電源引自1 000kV鄰建特高壓盱眙站110kV/10kV降壓變壓器10kV側，經10kV高壓電纜引接至本站10kV 2M。備用電源引自35kV王店變電站，經本站內35kV/10kV降壓變壓器后接入10kV 0M。10kV 1M通過111B、113B、121B、123B、101B站用變壓器帶400V極1高端閥組Ⅰ段P1HA、極1低端閥組Ⅰ段P1LA、極2高端閥組Ⅰ段P2HA、極2低端閥組Ⅰ段P2LA、站公用Ⅰ段SA；10kV 2M通過112B、114B、122B、124B、102B站用變壓器帶400V極1高端閥組Ⅱ段P1HB、極1低端閥組Ⅱ段P1LB、極2高端閥組Ⅱ段P2HB、極2低端閥組Ⅱ段P2LB、站公用Ⅱ段SB。

特高壓淮安換流站站用電10kV電源采用兩主一備的動作邏輯：①當主用電源進線失電壓且備用電源電壓正常時，備自投裝置自動延時分開主用電源進線開關，合上聯絡開關，投入備用電源[5]；②當主用電源恢復供電后，備自投裝置自動分開聯絡開關，合上主用電源進線開關；③當備用電源進線失電壓時，備自投裝置不動作。

400V電源采用兩路電源分列運行的備自投邏輯：①當一路電源進線失電壓且另一路電源電壓正常時，備自投裝置自動分開故障電源進線開關合上聯絡開關，兩段母線并列運行；②當故障電源恢復供電后，備自投裝置自動延時分開母聯開關再自動合上該路電源進線開關。

根據備自投先投電源側、再投負荷側的設計原則，為防止備自投越級動作，10kV備自投動作時間小于400V備自投動作時間，即當一路10kV主用電源故障后，10kV備自投首先動作，若動作不成功則由400V備自投作為后備動作[6-7]。

2 故障過程分析

2019年6月2日11:08，淮安換流站執行10kV備自投驗證試驗。執行方式一試驗，如圖2所示，拉開511B進線開關51A3，51A3開關拉開1.5s后10kV 1M進線開關D101自動拉開，但母聯開關D110未自動合上，10kV備自投未正確動作。4.5s后400V備自投越級動作，400V母線P1HA、P1LA、P2HA、P2LA、SA的進線開關D411、D413、D421、D423、D401自動拉開，母聯開關D410、D420、D430、D440、D450開關自動合上。

圖2 方式一試驗

現場檢查淮安換流站的事件順序記錄（sequence of event, SOE）發現，在51A3開關斷開后，D110開關報出未儲能信號（現場檢查該開關實際狀態為已儲能），隨后報出10kV站用電備自投閉鎖信號。現場檢修人員隨即對后臺的SOE進行了詳細的梳理，見表1。

表1 故障過程的SOE

3 故障原因分析

查看站用電控制邏輯，發現D110開關控制模塊中，在合開關時，若判斷開關處于未儲能狀態，則立即閉鎖合閘命令，如圖3所示。

圖3 開關未儲能閉鎖邏輯

同時檢查10kV備自投閉鎖邏輯，當D101、D102、D103、D110、D120開關動作失敗（命令下發2s后，開關位置未完成分合操作）時，立即閉鎖10kV備自投功能，如圖4所示。

圖4 備自投閉鎖邏輯

由于10kV備自投閉鎖，10kV 1M進線一直處于欠電壓狀態，其所帶的400V母線P1HA、P1LA、P2HA、P2LA、SA均處于欠電壓狀態。延時4.5s后，400V備自投拉開進線開關D411、D413、D421、D423、D401，合上母聯開關D410、D420、D430、D440、D450。400V備自投動作后，D110開關未儲能信號消失。

整個備自投動作過程如圖5所示。

圖5 備自投動作過程

經判斷，備自投邏輯及動作過程正確。本次10kV備自投越級動作是由于母聯開關D110錯誤報出未儲能信號造成的。

10kV開關柜使用的斷路器為ABB VD4型真空斷路器，為彈簧儲能機構。彈簧機構的斷路器，合閘操作之后會立即給合閘彈簧儲能，以確保能夠進行一次分-合-分操作，母聯開關儲能回路如圖6所示。

圖6 母聯開關儲能回路

由于開關需要向兩套站用電接口屏（station auxiliary power system interface, SPI） A、SPI B分別上傳合閘彈簧未儲能信號，而VD4本體只提供了一對合閘彈簧未儲能信號觸點（一常開、一常閉），無法滿足實際需求。故在控制回路中通過串入中間繼電器CR的方法獲得了兩副常閉報警觸點，該中間繼電器接入圖6所示的220V單相交流回路中。

該220V交流信號取自站公用Ⅰ段SA，由10kV 1M供電，試驗時拉開51A3開關后，10kV 1M失電，連帶著掛在10kV 1M上的站公用Ⅰ段SA失電，從而導致CR中間繼電器失電向兩套控制系統報“合閘彈簧未儲能”信號，控制系統執行閉鎖程序，母聯開關D110無法合上。

4 改進措施

修改開關信號回路接線，取消X3:1A與X3:1之間的短接線，改連至直流正電公共端X161L+:12，取消X3:5與X3:4之間的短接線，改連接至直流負電公共端X161L?:12。將中間繼電器CR與合閘彈簧未儲能信號觸點接入直流電源回路[8-10]，改進后的母聯開關儲能回路如圖7所示。

圖7 改進后的母聯開關儲能回路

修改接線后重新進行方式一試驗，拉開511B進線開關51A3，51A3開關拉開1.5s后10kV 1M進線開關D101自動拉開，隨后母聯開關D110自動合上，10kV備自投正確動作。

5 結論

特高壓換流站對站用電的供電可靠性要求極高，因此除了采用三路獨立的電源供電外，還設計了10kV與400V兩級備自投功能來提高其可靠性。為保證兩級備自投功能的正常運行，根據先投電源側、再投負荷側的設計原則，特高壓換流站內的10kV備自投應先于400V備自投動作。本文針對一起特高壓換流站的備自投越級動作進行了深入的分析，指出了故障原因為10kV開關信號回路設計錯誤。針對該原因，本文提出了相應的改進措施，并通過后續的試驗驗證了改進措施的有效性，對后續新建特高壓換流站的建設有一定的指導意義。