特高压换流站站用电备自投越级动作的故障分析及改进措施

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站用电系统在特高压换流站中属于极其重要的辅助系统，其供电可靠性直接影响换流站的安全稳定运行。国网江苏省电力有限公司检修分公司的研究人员李然、孙毅、金铭、吕力，在2021年第5期《电气技术》上撰文，以特高压淮安换流站为例，详细介绍了换流站站用电系统的主体结构及备自投的动作逻辑，在此基础上对一起特高压换流站站用电备自投越级动作的故障进行了详细的分析，指出故障原因为10kV开关信号回路设计错误。针对该原因提出了相应的改进措施，并通过试验验证了该措施的正确性。

站用电系统作为特高压换流站的重要辅助系统，是保证特高压直流输电系统安全稳定运行的重要环节。相较于常规变电站，换流站站用电系统的可靠性要求更高，换流阀的阀冷系统、换流变的冷却系统、阀厅的空调系统等辅助系统均需站用电系统提供电源。当站用电系统出现异常时，站内的辅助系统均会受到影响，换流站甚至会出现由辅助系统异常引起的双极强迫停运。

为确保站用电供电的可靠性，目前特高压换流站均采用三路独立的电源供电，同时为保证在丢失任一路电源后不影响设备的正常运行，换流站还设计了10kV和400kV两级备自投功能。

1  特高压换流站站用电简介

特高压淮安换流站站用电系统如图1所示。站用电采用3路独立电源供电，其中主用电源2路，备用电源1路。第一路主用电源取自本站500kV 4M母线，经500kV/10kV降压变压器接入10kV 1M；第二路主用电源引自1000kV邻建特高压盱眙站110kV/10kV降压变压器10kV侧，经10kV高压电缆引接至本站10kV 2M。

图1  特高压淮安换流站站用电系统

备用电源引自35kV王店变电站，经本站内35kV/10kV降压变压器后接入10kV0M。10kV 1M通过111B、113B、121B、123B、101B站用变压器带400V极1高端阀组Ⅰ段P1HA、极1低端阀组Ⅰ段P1LA、极2高端阀组Ⅰ段P2HA、极2低端阀组Ⅰ段P2LA、站公用Ⅰ段SA；10kV 2M通过112B、114B、122B、124B、102B站用变压器带400V极1高端阀组Ⅱ段P1HB、极1低端阀组Ⅱ段P1LB、极2高端阀组Ⅱ段P2HB、极2低端阀组Ⅱ段P2LB、站公用Ⅱ段SB。

特高压淮安换流站站用电10kV电源采用两主一备的动作逻辑：①当主用电源进线失电压且备用电源电压正常时，备自投装置自动延时分开主用电源进线开关，合上联络开关，投入备用电源；②当主用电源恢复供电后，备自投装置自动分开联络开关，合上主用电源进线开关；③当备用电源进线失电压时，备自投装置不动作。

400V电源采用两路电源分列运行的备自投逻辑：①当一路电源进线失电压且另一路电源电压正常时，备自投装置自动分开故障电源进线开关合上联络开关，两段母线并列运行；②当故障电源恢复供电后，备自投装置自动延时分开母联开关再自动合上该路电源进线开关。

根据备自投先投电源侧、再投负荷侧的设计原则，为防止备自投越级动作，10kV备自投动作时间小于400V备自投动作时间，即当一路10kV主用电源故障后，10kV备自投首先动作，若动作不成功则由400V备自投作为后备动作。

2  故障过程分析

2019年6月2日11:08，淮安换流站执行10kV备自投验证试验。执行方式一试验，如图2所示，拉开511B进线开关51A3，51A3开关拉开1.5s后10kV 1M进线开关D101自动拉开，但母联开关D110未自动合上，10kV备自投未正确动作。4.5s后400V备自投越级动作，400V母线P1HA、P1LA、P2HA、P2LA、SA的进线开关D411、D413、D421、D423、D401自动拉开，母联开关D410、D420、D430、D440、D450开关自动合上。

图2  方式一试验

现场检查淮安换流站的事件顺序记录（sequence of event, SOE）发现，在51A3开关断开后，D110开关报出未储能信号（现场检查该开关实际状态为已储能），随后报出10kV站用电备自投闭锁信号。现场检修人员随即对后台的SOE进行了详细的梳理，见表1。

表1  故障过程的SOE

3  故障原因分析

查看站用电控制逻辑，发现D110开关控制模块中，在合开关时，若判断开关处于未储能状态，则立即闭锁合闸命令，如图3所示。同时检查10kV备自投闭锁逻辑，当D101、D102、D103、D110、D120开关动作失败（命令下发2s后，开关位置未完成分合操作）时，立即闭锁10kV备自投功能，如图4所示。

图3  开关未储能闭锁逻辑

图4  备自投闭锁逻辑

由于10kV备自投闭锁，10kV 1M进线一直处于欠电压状态，其所带的400V母线P1HA、P1LA、P2HA、P2LA、SA均处于欠电压状态。延时4.5s后，400V备自投拉开进线开关D411、D413、D421、D423、D401，合上母联开关D410、D420、D430、D440、D450。400V备自投动作后，D110开关未储能信号消失。整个备自投动作过程如图5所示。

图5  备自投动作过程

经判断，备自投逻辑及动作过程正确。本次10kV备自投越级动作是由于母联开关D110错误报出未储能信号造成的。10kV开关柜使用的断路器为ABB VD4型真空断路器，为弹簧储能机构。弹簧机构的断路器，合闸操作之后会立即给合闸弹簧储能，以确保能够进行一次分-合-分操作，母联开关储能回路如图6所示。

图6  母联开关储能回路

由于开关需要向两套站用电接口屏（station auxiliary power system interface, SPI） A、SPI B分别上传合闸弹簧未储能信号，而VD4本体只提供了一对合闸弹簧未储能信号触点（一常开、一常闭），无法满足实际需求。故在控制回路中通过串入中间继电器CR的方法获得了两副常闭报警触点，该中间继电器接入图6所示的220V单相交流回路中。

该220V交流信号取自站公用Ⅰ段SA，由10kV 1M供电，试验时拉开51A3开关后，10kV 1M失电，连带着挂在10kV 1M上的站公用Ⅰ段SA失电，从而导致CR中间继电器失电向两套控制系统报“合闸弹簧未储能”信号，控制系统执行闭锁程序，母联开关D110无法合上。

4  改进措施

修改开关信号回路接线，取消X3:1A与X3:1之间的短接线，改连至直流正电公共端X161L+:12，取消X3:5与X3:4之间的短接线，改连接至直流负电公共端X161L:12。将中间继电器CR与合闸弹簧未储能信号触点接入直流电源回路，改进后的母联开关储能回路如图7所示。

图7  改进后的母联开关储能回路

修改接线后重新进行方式一试验，拉开511B进线开关51A3，51A3开关拉开1.5s后10kV 1M进线开关D101自动拉开，随后母联开关D110自动合上，10kV备自投正确动作。

5  结论

特高压换流站对站用电的供电可靠性要求极高，因此除了采用三路独立的电源供电外，还设计了10kV与400V两级备自投功能来提高其可靠性。为保证两级备自投功能的正常运行，根据先投电源侧、再投负荷侧的设计原则，特高压换流站内的10kV备自投应先于400V备自投动作。

本文针对一起特高压换流站的备自投越级动作进行了深入的分析，指出了故障原因为10kV开关信号回路设计错误。针对该原因，本文提出了相应的改进措施，并通过后续的试验验证了改进措施的有效性，对后续新建特高压换流站的建设有一定的指导意义。

本文编自2021年第5期《电气技术》，论文标题为“特高压换流站站用电备自投越级动作的故障分析及改进措施”，作者为李然、孙毅、金铭、吕力。