基于多维分析的500kV变...统可靠性提升可行性措施研究_黄秀娟.pdf

基于多维分析的 变电站站用电交流系统可靠性提升可行性措施研究黄秀娟，潘成程，沙俊民，邓超，王周杰，席钰佳（国网浙江省电力有限公司超高压分公司，浙江 杭州 ）摘要：变电站设计、施工、设备选型及日常运检过程中存在重视一二次主设备、轻视站用辅助设备的情况，对站用电交流系统重视不够，为站用电交流系统的可靠运行埋下了隐患。从站用电进线、馈线典型接线方式和保护配置方面探讨了某典型 变电站站用电交流系统运行现状和存在的问题，从馈线配置、备自投设置、保护配合、负荷分配等多维分析，提出可行的站用电可靠性提升措施，为变电站站用电交流系统可靠运行提供借鉴。关键词：变电站；站用电；多维分析；可靠性中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：黄秀娟（），从事变电运维及站用电交直流管理工作；潘成程（），高级工程师，从事变电生产管理工作。引言 变电站站用电交流系统是指站内 低压系统，主要包括 低压进线、馈线系统及相关保护，主要为站内主变冷却、直流充电装置、消防水泵、断路器和隔离开关操作、储能、加热，以及空调、通风、检修、试验、照明等生产生活用电提供交流电源，其供电可靠性是变电站安全稳定运行的基础。由于变电站设计、施工、设备选型、验收及日常运检过程中存在重视一二次主设备，轻视站用辅助设备的情况，因此对站用电交流系统重视不够，给站用电交流系统乃至变电站运行的可靠性埋下了隐患，本文以某座 典型枢纽变电站为例，就变电站站用电交流系统现状和提升措施进行研究，为站用电交流系统的可靠运行提供借鉴。典型配置 站用电进线配置 进线接线方式该 典型枢纽变电站站用电交流系统进线配置如图所示。该系统配置路站用电源，所用变和所用变分别提供路容量相同、互为备用的站用电源，即交流段和交流 段电源，正常运行方式下，其 低压进线断路器 、为合位；所用变提供第路站用电源（为外接电源），正常运行方式下，其 低压进线断路器 和 为分位，作为交流段和交流 段故障时的备用电源。为交流段和交流 段的联络断路器，正常运行方式下为分位，防止两段交流电源并列，当外接电源和任一站用电源同时故障时，通过合上 断路器，恢复故障段交流电源供电。电工技术系统解决方案图进线接线方式 进线保护配置站用电进线保护主要配置了备用电源自投装置（简称“备自投”）和进线断路器电流保护。以段为例，备自投在交流段进线电源失电，备用电源有压的情况下，跳开段低压进线断路器 ，合上备用电源进线断路器 ，恢复交流段供电。备自投通用逻辑简图如图所示。图 备自投通用逻辑图 低压进线断路器配置电流保护，设置组定值，分别为过负荷长延时 定 值（、）、短 路 短 延 时 定 值（、）、短路瞬时动作定值（、），主要与 所用变高压断路器过流定值及动作时间配合。站用电馈线配置 馈线接线方式站用电典型馈线配置如图所示，基本分为级。其图站用电馈线接线方式中，至级（以继保室为例）为星型辐射结构，第三级电源通过自动切换装置（）进行双电源切换。第四级多配置为环供结构，主要分为室外交流环供和继保室交流环供。室外交流环供主要为断路器、隔离开关的电机电源、操作电源和加热器、照明电源等，典型配置为一个电压等级一个交流环供网络。继保室交流环供电源主要为二次屏柜照明和打印机电源，典型配置为每个继保室一个交流环供网络。馈线保护配置馈线保护主要依靠各级空开级差配合及 切换。该 典型枢纽变电站级差整体配置如图所示，各级空开满足级差倍关系，各类型空开过流脱扣特性见表，站用电交流系统大多选用或型空开。表相同额定电流的空开分类空开类型瞬时脱扣电流额定电流型型型 型 负责主电源和备用电源间的切换，其中备用电源来自同层级且由非同源的另一路供电。当主电源消失时，自动切至备用电源供电，当主电源恢复后，自动切回主电源供电方式。可靠性分析 进线可靠性分析该 典型枢纽变电站站用电交流系统进线接线方式已具有较高可靠性，满足设计规程及可靠性要求，下面仅对馈线保护即备自投和进线断路器定值设置进行可靠性分析。备自投常励磁继电器稳定性继电器型备自投使用的电压、电流继电器多为常励磁继电器，运行 年以上时易发生节点或励磁模块卡涩异常，备自投逻辑满足时节点不能正常动作，导致备自投不能可靠动作，进而造成 交流母线失电。继电器型备自投功能继电器型备自投启动回路如图所示，其判据仅为进线电源的电压、电流，备用电源电压以及备用电源进线断路器位置。当 低压母线故障跳开电源侧断路器时，备自投动作条件满足，将动作于故障的 低压母线，导致故障进一步恶化。此外，当 低压母线进线断路器（、）偷跳时，进线电压仍在，备自投动作不满足，无法可靠动作，将导致失电的 交流母线无法及时恢复供电。系统解决方案电工技术 图备自投启动回路 进线断路器定值配置可靠性该 变电站低压断路器定值未纳入统一定值管理，一般由站内根据厂家或设计建议值整定，缺少上下供电系统配合考虑。由表可以看出，该区域运检中心所辖座同类型 变电站发生低压侧短路故障时所用变 高压断路器和 低压进线断路器动作行为不统一，不利于故障分析处置。表 低压进线断路器定值整定及动作行为站所站站低压定值 折算至高压侧定值 高压侧定值 动作行为低压断路器先动作低压断路器先动作低压断路器先动作低压断路器先动作高压断路器先动作低压断路器先动作 馈线可靠性分析站用电馈线接线方式中所用电室至级电源为星型辐射结构并配置备自投、等主备电源自动切换装置，整体可靠性较高，下面仅对室外交流环供电源结构以及馈线负荷分配的可靠性进行分析。室外交流环供电源可靠性如图所示，该变电站室外场地交流电源为一个电压等级设置一个环供网络，正常运行方式下交流、段进线闸刀 、合上，分段闸刀 分开，由交流段电源和 段电源分别供电。当环供网络中任一节点故障时，合上 即可恢复供电。当个节点故障时，失电点无法及时恢复供电。若失电点为场地照明、加热等不重要负荷则影响不大；若失电点为断路器储能电源，隔离开关操作和电机电源，则会导致设备处于无法电动操作状态，严重影响电网安全稳定运行。馈线负荷分配可靠性当前站用电交流馈线普遍存在就近施工问题，导致负荷分层分级设置不合理。如某座 典型枢纽变电站部分不重要负荷（如食堂及车库交流电源）因距离所用电图 室外 场地交流环供网络室近，接于所用电室第二级电源，而部分重要负荷（如主变泡沫喷淋系统动力电源）因距离所用电室远，接于继保室第三级电源。在该馈线负荷接线方式下，接于上一级交流馈线的不重要负荷故障跳闸易造成同级或下级重要负荷失电，降低站用交流系统的可靠性。各级空开极差配合可靠性该 典型枢纽变电站站用电交流空开基本满足级差配合要求，但仍有少部分间隔级差配置不当，不满足上下级空开额定电流比 的要求，甚至出现下级空开容量高于上级空开的情况，见表。当级差配置不当的支路发生故障时空开容易越级跳闸，若上级空开异常无法脱扣则会进一步扩大停电范围，降低站用电交流系统可靠性。表站用电交流系统某支路交流空开级差配置级数空开名称额定电流第一级进线断路器 第二级 小室 路电源 第三级 小室空调照明总电源 第四级 小室工作照明 可靠性提升方法原理根据各元件的功能关系，站用电交流系统的可靠性可简化为串联系统模型、并联系统模型、串并联混合系统模型。串联系统模型可靠性串联系统模型由几个元件串联而成，其中任何一个元件失效均会导致整个系统失效，站用电交流系统中的继电器型备自投和单电源供电的非重要负荷均属于串联系统模型，其可靠性计算公式为：电工技术系统解决方案（）（）（）式中，（）为系统总可行性；（）为第个串联元件的可靠性。由式（）可得，提高串联系统模型可靠性的举措主要有减少串联元件个数和提高串联元件可靠性。并联系统模型可靠性并联系统模型由几个元件并联而成，当所有并联元件全部失效时系统才失效，站用电交流系统中由双路电源供电的重要负荷属于并联模型，其可靠性计算公式为：（）（）（）由式（）可得，提高并联系统模型可靠性的举措主要有提高单个并联元件的可靠性和加强冗余配置。串并联混合系统模型可靠性站用电交流系统中还会出现串并联混合型系统，如交流环供网络。可将串并联混合型系统分解为若干个串联小系统和并联小系统，通过提升单个元件的可靠性、减少串联元件数量、加强重要环节的冗余配置，来提升整个系统的可靠性。可行性提升措施研究鉴于该 变电站站用电交流系统的可靠性与备自投、进线断路器定值设置、室外交流环供电源、馈线负荷配置、各级空开级差配合密切相关，下面将从这些方面探究相应的可靠性提升措施。进线可靠性提升措施 备自投装置可靠性提升该 变电站的继电器型备自投为串联型模型，可靠性提升举措如下。（）减少串联元件。有条件时将继电器型备自投改造为装置型备自投，即将串联元件降低至个。以该变电站为例，如图所示，继电器型备自投可靠动作需要个电压继电器、个电流继电器和个时间继电器均正确动作。鉴于电力系统常用元器件可靠性较高，假设单个元件可靠度为 ，那么进行改造后备自投整体的故障率由 降低至 ，可靠性提升 倍，见表。表不同备自投可靠性比较备自投类型元件数件单元件可靠性整体故障率继电器型备自投 装置型备自投 （）提高串联元件可靠性。充分考虑系统可靠性和经济性，在无改造条件时，可将运行年限较久的常励磁继电器更换为电子式继电器，实现单元件故障率降低，从而提升整体可靠性。如将该站老旧的、继电器型电流、电压互感器更换为 、集成电路型电流、电压继电器，以提升备自投的可靠性。进线断路器定值配置可靠性提升表中，该区域运检中心所辖变电站的低压进线断路器的灵敏度优于高压断路器，使得低压侧各类短路故障时，均为低压断路器先动作，能有效防止低压母线故障时备自投误动。变电站定值中，在低压短路故障短路电流达到短路短延时定值（、）时，高压断路器灵敏度优于低压断路器，高压断路器先动作，能有效防止进线断路器以上至 所用变范围内故障时备自投拒动。鉴于备自投误动的危害性远高于拒动，因此需考虑所用变高低压侧保护定值的配置管理，将低压断路器定值统一整定为低压断路器的灵敏度优于高压断路器，提高站用电交流系统供电可靠性。馈线可靠性提升措施 室外交流环供电源可靠性提升室外交流环供电源为串并联混合型系统，综合考虑可靠性和安全性，其可靠性提升措施主要为减少串联元件数量。有条件时将环供网络改造为可靠性较高的星型辐射网络。无改造条件时将按电压等级设置的大环供网络改进为按串设置的小环供网络。本站在尽量减少电缆敷设和接线改动情况下，将图室外交流大环供改造为每串设置一个小环供，提高室外交流供电可靠性，如图所示。图改进后的室外交流小环供电源 馈线负荷可靠性提升按照站用电交流系统馈线负荷的重要性进行分层分级供电，将重点保障的重要馈线负荷接在站用电交流系统第二级电源，将一般负荷接在第三级、第四级电源。此外，对于重要馈线负荷，还可增加冗余配置，即对重要负荷实行两路电源供电，提升系统可靠性。系统解决方案电工技术 各级空开级差可靠性提升如表所示，对站用电交流系统各级空开级差配合情况进行摸排，及时更换级差配置不当的空开，避免故障时空开越级跳闸，可提升站用电交流系统可靠性。表某支路交流空开级差配置调整级数空开名称调整前级差调整后级差第一级进线断路器 第二级 小室 路电源 第三级 小室空调照明总电源 第四级 小室工作照明 结语本文从站用电进线、馈线典型接线方式和保护配置等方面探讨了某 变电站站用电交流系统运行现状和存在的问题，从备自投、进线断路器定值、室外交流环供电源、馈线负荷、空开级差等方面为站用电可靠性提升提供了解决方案。随着老旧变电站设备改造工程的日益增多，相关站用电可靠性措施补强可随着设备改造工程有序铺开，将本文研究的可靠性提升举措应用于站用电相关改造等工作中，能显著提升电力系统的可靠性水平。参考文献 樊红克 某 站用交流电源系统存在的问题分析及整改建议 电气工程与自动化，（）：周茜一种变电站站用交流电源系统的改进方法广东科技，（）：万仲海在严重故障下保证站用交流电源可靠供电的处理方法 电力自动化，（）：侯捷 站用电源系统配合存在风险点分析与管控措施 工业技术，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：（上接第 页）校核煤种较多，机组停运检修、维护的次数增多