500kV静安地下变电站水循环冷却系统故障分析

李 迅，王谢燕

（上海交通大学 电气工程系，上海 200240）

0 引言

随着上海经济的快速发展，为了解决上海浦西内环线以内中心城区供电紧张局面，改善电网结构，增加降压容量，优化供电模式，提高供电可靠性，上海市电力公司在中心城区建设了500kV静安地下变电站，同时将地面建设成静安雕塑公园［1]。

500kV地下变电站属国内首创，按全地下设计，本体按圆形考虑，地下结构为4层，在地下3层布置的变压器及电抗器，采用强油水冷的冷却方式。水循环冷却回路作为与主设备直接关联的重要辅助设备，它的故障将直接导致主变被迫停运或主变发热损坏。

500kV静安地下变电站是世博配套工程变电站，也是目前上海最大的一个地下变电站。以下通过分析静安地下变电站运行中发生的2次故障原因及采取的相关措施，引起同行注意，避免再次发生这类故障，从根本上确保主设备的安全运行。

1 水循环冷却系统特点

1.1 强迫油循环水冷方式

500kV静安地下变电站的500kV变压器、220kV变压器、66kV电抗器均采用强迫油循环水冷的冷却方式。油泵将设备顶部的热油加压后，进入油－水热交换器，油的热量被交换到水中，而被升温的水由循环水泵加压进入闭式冷却塔内的盘管中，在闭式冷却塔的内部，通过风扇的风及喷淋水的水带走热量，降温后的冷却水再重新进入油－水热交换器。冷却水系统包括变压器或电抗器的油－水热交换器、冷却塔、冷却水循环泵、油循环泵、喷淋水泵及管道等，工艺流程如图1所示［2]。

1.2 冷却水循环系统

500kV静安地下变电站现有2台500kV主变，单台容量为1 500MVA。主设备冷却水循环系统分为2组，分别设在1区和2区的2套500 kV变压器和66kV电抗器冷却水循环系统，如图2所示。

图1 静安地下变电站强迫油循环水冷示意图

图2 冷却水循环系统示意图

每套冷却水循环系统包括2台500kV变压器冷却水循环泵（一用一备）和2台66kV电抗器冷却水循环泵（一用一备）。每套冷却水循环系统均配有3台闭式冷却塔（两用一备），冷却水和闭式冷却塔使用的喷淋水，都由底层的1套补给水系统进行补给。

每套冷却水循环系统均由辅助控制系统，实时监测和控制各个管路的温度、压力和泵的运行状况，当1台水泵或者1个冷却塔发生故障时，辅助控制系统迅速将备用水泵或备用冷却塔投入运行，以确保主设备的冷却效果不受影响［3]。

在冷却水循环系统运行近1年的时间里，共发生了几次故障，虽然没有造成主变被迫停运的严重后果，但还是敲响了警钟。

2 故障分析

2.1 桩头接线发热引起循泵跳闸

1）故障现象 2010年6月正值世博会期间，静安地下变电站的一组主变及电抗器的循环水泵电源柜两路交流进线电源开关（站用电分屏上）发生了跳闸事件，分别来自站用电一段和二段的开关也都相继跳闸。经现场检查，发现循环水泵室进线电源切换柜内双电源装置切换电源输出桩头接线发热，焊锡熔化，现场接头发热照片如图3所示。

图3 循环水泵电源切换柜接头发热

2）故障分析 循环水泵的电源切换柜采用双路进线，进线经过双电源切换装置后，输出到4台循环水泵的接线方式，如图4所示。

图4 循环水泵电源切换示意图

由图4可以看出，循环水泵两路电源分别来自站用电一段和二段，双电源切换装置可以在一路电源失却的情况下，将另一路电源不带延时的切换上来使用，输出端为一段小母线带4台循环水泵，包括主变水循环的一用一备和低抗水循环的一用一备。

此次发热点发生在双电源切换装置的输出端至小母线的接头上，导致了相间短路将站用电一段开关跳开，此时双电源切换装置动作将站用电一段切至站用电二段运行，同样因为相间短路跳开了站用电二段开关，从而使4台循环水泵都失电，导致主、备循环水泵都无法正常运行。幸亏值班人员及时发现，临时用短接线进行短接，才避免事故的进一步扩大。

3）改进措施 通过以上分析，针对双电源切换装置输出端和小母线上的任何一点故障，都将引起4台循环水泵无法正常运行的设计缺陷，将接线方式做了调整。

通过现场调研，做了两个改进方案。改进方案一，由站用电一段供给1号小母线，此小母线下带1号泵和3号泵，分别作为主变和低抗的主循环水泵；而站用电二段供给2号小母线，此小母线下带2号泵和4号泵，分别作为主变和低抗的备用循环水泵，如图5所示。

图5 循环水泵电源改进方案一

在此接线方式下，如果一条母线上出现故障，将不会导致4台水泵全部停运，在辅助控制系统的控制下，将启动另外2台循环水泵。

考虑到更加恶劣的情况，如果站用电一段检修，2号小母线发生故障，此时由于1号小母线无电，仍将导致4台循环水泵无法运行。反之，当站用电二段检修，1号小母线发生故障，仍将导致4台循环水泵无法运行。

为此，提出了循环水泵电源改进方案二的接线方式，如图6所示。

图6 循环水泵电源改进方案二

从图6可以看出，改进接线方案二采用了2个双电源切换装置，分别接入了1号小母线和2号小母线，每条小母线相当于有主用和备用两个电源。任何一段站用电检修时，倘若有1根小母线发生故障，立即启用另外一段站用电对无故障的母线供电，使得至少有2台循环水泵正常运行，这样就确保了主设备的安全运行。

2.2 瞬时失压引起循环泵跳闸

1）故障现象 2011年3月20日凌晨，静安地下变电站自动化后台发出1号站用变电压回路断线、直流一段母线电压异常告警信号等光字牌闪亮，信息窗口报：1号逆变器装置输出母线失压告警；2号逆变器装置输出母线失压告警；4号主变冷却器泄露或故障等各信号出现，瞬时复归。现场检查发现，500kV 1号故障录波装置启动录波；220kV 1号和2号故障录波装置启动录波；2区循环水泵跳开，遥控失灵，就地手动开启1号泵和4号泵，运行正常。

2）故障分析 通过回放故障录波，查明当日3：24，35kV某条线路的低压配电站发生短路故障，造成静安地下变电站35kV一母及二母电压二次值突降到8V左右（变比为350／1），以上过程持续时间近100ms，后各开关电流恢复正常。由循环水泵电源接线图可知，2区循环水泵电源与1区相同，同为双路电源，接入双电源自切装置，分别来自站用电一段和站用电二段，故障发生前运行在站用电一段上（站用电一段接自1号站用变，1号站用变接自35kV一段母线）。

当1号站用变电压突降100ms时，由于循环水泵控制回路电源取自循环水泵电源自切屏交流动力电源的一相，该相也发生短时电压下降，所以判断是因控制电压瞬时下降造成启动回路中的自保中间继电器返回，使循环水泵启动接触器断电造成循环水泵跳机。

通过分析循环水泵控制图可知，在正常情况下辅助控制系统给循环水泵控制回路一个启泵信号，将X1节点闭合，然后自保持继电器K01带点吸合，保持循环水泵运行状态。当日发生故障时，由于K01失电100ms，导致K01返回，造成循环水泵跳闸。

为了验证上述判断，采用继保HD6940校验台，对循环水泵启动回路中的K01进行校验，校验内容为K01继电器的返回电压以及可以使K01继电器返回的最短时间，即在加正常电压过程中使电压瞬时失去造成继电器返回，查找可以使继电器返回的最短失压返回时间。试验表明，在K01继电器的线圈电压低于115V时，若交流失压时间大于15ms，都会造成K01继电器返回。从而证实了当日3：24：44系统发生电压瞬降时，1号站用变高低压侧电压均下降，由1号站用变下的站用电一段电压下降至110V以下，失压时间为100ms左右，造成自保中间继电器返回，导致循环水泵跳机。

此次辅机系统发生大面积跳机故障，直接原因是由于电网上发生的低压系统短路造成本站的35kV母线电压下降。由于地下变电站辅机设备电气控制回路，普遍采用了自保中间继电器，该继电器不具有躲避瞬时失电的能力，故380V母线电压瞬时下降使得辅机跳机，这是造成此次停机的根本原因。

3）改进措施 首先，对辅机系统的控制回路是否采用和主设备相同的直流控制回路方式，这样可以使交流系统上发生的故障不会影响到辅机系统的控制回路上，由于直流系统在变电站内比较稳定和可靠，发生控制回路故障的概率就可以大大降低。但是，作为国内首个500kV地下变电站，首次引进了辅控系统来控制循环水泵等设备，如果将这些设备的控制回路均接入直流系统，对直流系统将会造成什么影响还有待进一步的调研和商榷。

其次，地下变电站的辅机系统大多数是接在35kV站用电一段上，使得本次1号站用变电压瞬时下降影响的范围较大。由于静安地下变电站35kV系统出线多达17条，还在扩建更多的新线路，今后有可能再发生由于站外低压回路故障造成的电压下降，从而影响本站辅机系统，所以将使用66kV（500kV低压电抗侧）母线上的3号站用变来代替1号站用变，使外部对站内循环水泵等重要辅机设备的影响减小到最少，这是因为在66kV母线上只有电抗器及3号站用变，无线路及变压器。

4 结语

500kV静安地下变电站作为首座引入都市市中心的大型地下变电站，它的建设、环境评估、调试和运行经验，必将为今后建设更多的地下变电站提供借鉴和参考。

500kV静安地下变电站采用的主变水冷系统，也是解决地下变电站主变冷却的主要方式。500kV静安地下变电站近一年内在水循环系统中发生的2次故障，将为今后设计、建设和使用地下变电站的水循环系统，提供参考意见和借鉴的运行经验。

［1]沈 婷，乐党救.500kV静安（世博）地下变电站设计方案［J].电力建设，2008，29（7）：8－11.

［2]许建华，朱伟林，乐党救.500kV静安（世博）地下变电站工程［J].上海电力，2007（2）：192－197.

［3]陈宝运.500kV静安（世博）地下变电站水工设计特点［J].电力建设，2008，29（7）：8－11.