湖北电网变电站站用交直流电源系统运行分析

王 婷，杨 铭，张侃君，叶庞琪，陈 堃，李宝珠

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

交直流系统作为电力系统中非常重要的电源系统，是保证变电站安全可靠输送电能的一个必不可少的环节，为变电站内的一、二次设备提供电源，是继电保护的控制核心。许多大型的电网事故都是由于站用电交直流系统问题所导致的。

为了确保站用电交直流系统安全可靠运行，国网湖北省电力公司结合国家电网公司下发的站用电交直流系统隐患排查细则，还有相关的措施、标准、导则等，对湖北电网站用交直流电源系统进行了全面的排查，并以专题的形式重点研究了隐患排查的内容和依据，提出了站用交直流电源系统隐患整改的措施和建议，对于站用电交直流系统问题的查找和维护具有一定的借鉴作用。

1 站用交直流电源系统隐患排查内容

根据国家电网公司相关要求，湖北电网对站用交直流电源系统进行了共计27个方面的排查，并以专题形式重点研究了以下6个问题：

1.1 站用交直流电源系统部分告警信号未上传至调控部门[1-3]

直流系统蓄电池总输出采用熔断器+隔离开关方式的，直流回路采用熔断器做为保护电器时，应装设隔离电器，也可采用熔断器和刀开关合一的刀熔开关。蓄电池出口回路熔断器应带有报警触点，其他回路熔断器，必要时可带有报警触点。

1.2 站用交流电源系统配置不足[3-8]

330 kV及以上变电站应至少配置3路站用电源。330 kV以下变电站应至少配置2路不同的站用电源。变电站不同外接站用电源不能取至同一个上级变电站。330 kV及以上变电站和地下220 kV变电站的备用站用变电源不能由该站作为单一电源的区域供电。当任一台站用变退出时，备用站用变应能自动切换至失电的工作母线段继续供电。每套充电装置应有两路分别取自不同站用电源的交流输入互为备用，当运行的交流输入失去时能自动切换到备用交流供电。

1.3 低压脱扣装置延时未设置[3]

站用电系统采用具有低电压自动脱扣功能的开关时，应对该类开关脱扣设置一定延时，防止因站用电系统一次侧电压瞬时跌落造成脱扣。

1.4 站用电动力、蓄电池电缆混沟，蓄电池分隔、防火不符合要求[3,4]

湖北电网关于变电站（换流站）所用电动力电缆、蓄电池电缆防火不符合要求的专项隐患排查主要内容如下：

（1）所用电动力电缆应采用铠装防火电缆独立敷设，不得与电缆沟其他电缆混沟；不具备独立敷设条件的，宜采取加装电缆防火槽盒、涂防火涂料、灌沙等临时性措施。

（2）直流系统的电缆应采用阻燃电缆，两组蓄电池的电缆应分别铺设在各自独立的通道内，尽量避免与交流电缆并排铺设，在穿越电缆竖井时，两组蓄电池电缆应加穿金属套管。

（3）多组蓄电池应独立安装在不同的蓄电池室内或者在不同蓄电池组间设置防火隔墙。

1.5 直流馈出网络采用环网供电或直流小母线供电[3,4]

直流系统对负载供电，应按电压等级设置分电屏供电方式，不应采用直流小母线供电方式；直流馈出网络应采用辐射状供电方式，运行中严禁采用环状供电方式。

1.6 直流回路中使用交流断路器或交直流两用断路器[3,4,9]

直流回路严禁采用交流空气断路器，应采用具有自动脱扣功能的直流断路器。除蓄电池出口总熔断器以外，其余均为直流专用断路器。当直流断路器与熔断器配合时，级差配置合理，直流断路器下一级不应再接熔断器。

2 交直流电源系统部分告警信号未上传

2.1 存在的隐患

交直流电源系统存在的隐患如下：

（1）蓄电池出口无熔丝或熔断告警功能未配置情况普遍；

（2）蓄电池出口熔断告警信号未上传调控部门情况普遍。

2.2 隐患整改建议

交直流电源系统故障告警相关整改建议如下：

（1）蓄电池出口总熔断器应配置告警节点，并将该节点上传至调度部门。对于不具备告警功能的熔断器，应进行更换或加装告警继电器、对于缺少熔断器的应更换带告警功能的熔断器成套装置。

（2）对影响变电站安全运行的交直流系统其它故障，如站用电交流失电、重要负荷交流失压、UPS故障、直流系统接地故障、直流系统充电机故障、直流开关跳闸、交流串入直流等影响变电站长期安全稳定运行的告警信息应上传至调度部门。

（3）对于失压类告警，如不具备告警输出，应加装欠电压继电器；对于不具备交流串入直流故障测记和报警功能的直流系统绝缘监测装置，应进行改造；对于直流开关没有辅助报警接点的应进行更换。

3 低压脱扣装置延时未设置

3.1 存在的隐患

湖北电网变电站站用交流电源系统中采用的交流断路器基本都配置了低压脱扣功能，主要可分为以下两种类型：

（1）具备低电压自动脱扣功能但无法进行延时设置的交流断路器；

（2）具备低电压自动脱扣功能且能够进行延时设置的交流断路器。

目前湖北电网变电站站用交流电源系统中的交流断路器低压脱扣延时设置主要存在以下问题：如果站用交流电源系统交流断路器无低压脱扣功能，是否需要加装？如果站用交流电源系统交流断路器具备低压脱扣功能，且能够进行延时设置，但延时定值整定原则只有“防止因站用电系统一次侧电压瞬时跌落造成脱扣”，难以实施。

3.2 隐患整改建议

（1）站内没有对电能质量有特殊要求的设备，应尽快拆除低压脱扣装。

（2）若需装设低压脱扣装置，应将低压脱扣装置更换为具备延时和面板显示功能的低压脱扣装置。

（3）若拆除困难或需要装设低压脱扣装置的，延时时间应与系统保护和重合闸时间配合，躲过系统瞬时故障。

4 站用交流电源系统配置不足

针对低压脱扣装置存在的隐患提出以下整改建议：

4.1 站用交流系统配置方式

湖北电网变电站（换流站）站用交流电源，根据接线方式可分为以下6种配置方式：

（1）三电源单母分段接线

如图1所示，该配置方式目前主要用于湖北电网1000 kV特高压、500 kV变电站、±500 kV换流站，其主要特点是：三路电源接入站用电10 kV母线，400 V母线分段，并设置母联开关。

该配置方式相比于其他接线方式，供电可靠性最高，但同时成本也最高，从供电可靠性上看是目前最优的供电方式。

图1 三电源两级单母分段接线示意图Fig.1 The schematic diagram of single bus section of three power supply

（2）双ATS配置

图2所示的配置方式目前为湖北电网220 kV新建、改造变电站标准方式，其主要特点是：双站用变分别经ATS切换后接入单母线分段，正常时两段母线分列运行。

该配置方式能够在一定程度上保证变电站重要负荷的可靠供电，应该来说是一种较好的供电方式。

（3）单ATS配置

如图3所示，该配置方式目前为湖北电网110 kV及以下新建、改造变电站标准方式，其主要特点是：双站用变经单一ATS切换后接入单母线，正常工作时单电源运行。该配置方式由于在正常运行时只有单电源输出到单母线，供电可靠性相对较低，但成本也较低。

图2 双ATS配置Fig.2 Double ATS configuration

图3 单ATS配置Fig.3 Single ATS configuration

（4）单母线分段接线

如图4所示，该配置方式目前为湖北电网现有常规220 kV变电站通用方式，其主要特点是：双站用变分别接入各自母线，正常工作时母线分列运行，设置有母联开关。该配置方式供电可靠性较高，与三电源单母分段接线方式类似，主要区别在于站用电源数量一般为两路。

（5）单母线1接线

图5所示的配置方式目前为湖北电网现有常规110 kV及以下变电站通用方式，其主要特点是：双站用变经（或不经）切换回路接入低压母线，正常工作时只有单台站用变接入。该配置方式由于正常时只有单电源输出到单母线，供电可靠性相对较低。

图4 单母线分段接线Fig.4 Single bus section wiring

图5 单母线1接线Fig.5 Single bus 1 wiring

（6）单母线2接线

图6所示的配置方式目前为湖北电网单变单母线35 kV变电站采用的主要方式，其主要特点是：单台站变接入单一400 V母线。该配置方式由于只有单电源、单母线，供电可靠性相对最低。

4.2 存在的隐患

针对湖北电网现有的这6种主要配置方式，结合实际运维经验，理论上存在以下隐患：

（1）采用双ATS配置方式时，由于两母线之间没有联络开关，当某一ATS故障后，对应母线存在长时间失去电源的风险；由于ATS无故障闭锁逻辑，当其中一母线发生故障失压，会导致故障范围扩大。

（2）采用单ATS配置方式时，如果ATS故障，则全站将存在较长时间失去交流电源的风险；充电机、主变风冷等重要负荷存在虚假双电源问题。

（3）采用单母线分段接线方式时，一些母联自投，无故障闭锁逻辑，存在自投到故障回路上、全站失去交流电源的风险。

（4）采用单母线1接线方式时，切换回路故障，存在失去交流电源的风险；切换回路属盲切，不能判断故障，也会导致全站失去交流电源；充电机、主变风冷等重要负荷存在虚假双电源问题。

（5）采用单母线2接线方式时，如果站变故障，必须马上修复，否则变电站将被迫停电；充电机、主变风冷等重要负荷的供电可靠性会下降。

目前湖北电网变电站（换流站）站用交流电源的配置主要存在220 kV及以下变电站站用电源配置不足问题严重，变电站仅配置一台站用变现象普遍。不满足《国家电网公司防止变电站全停十六项措施》中“变电站应至少配置两路不同的站用电源，不同外接站用电源不能取至同一个上级变电站”要求。

另220 kV及以下变电站站用电不具备自动切换功能的情况普遍，主要分为站用电单母线接线，两台站变之间不能自动切换（非ATS站）与站用电单母线分段接线，分段开关不能自投（非ATS站）两大类问题。

图6 单母线2接线Fig.6 Single bus 2 wiring

4.3 隐患整改建议

针对湖北电网站用交流电源交流电源系统，提出以下整改建议：

（1）换流站应配置三路独立站用电源，1路来至站内变压器或直降变，1路来自站外，另1路根据实际情况确定。

（2）500 kV及以上变电站应配置3路独立站用电源，220 kV变电站应至少配置两路独立站用电源，当主变压器为两台及以上时，由主变压器低压侧引接的站用工作变压器台数不宜少于2台，并应装设一台从站外可靠电源引接的专用备用变压器。当周边地区难以引接站外可靠电源时，可配置专用应急电源；当变电站初期只有一台主变压器时，除由站内引接一台站用工作变压器外，应再设置一台从站外可靠电源引接的专用备用变压器。当周边地区难以引接第二回站外可靠电源时，可配置专用应急电源。

（3）当110 kV及35 kV变电站有两台主变压器时，应从不同变压器低压侧引接两路站用电源；对于新建或改造的110 kV及35 kV变电站，当只有一回电源进线（一台变压器）时，分别从变压器低压侧、电源进线断路器之前引接两台所用变压器。对于现存只有一回电源进线（一台变压器）的110 kV及35 kV变电站，只配有一台站用变时，要留有应急电源接入点，对站用交流系统故障在调度端应加强监视，制定站用交流系统故障应急处理方案，确保在蓄电池放电时间内能使站用交流系统故障得到解决，否则应配置两路交流站用电源。同时给重要用户供电的变电站、县政府及以上级别机构所在地的变电站、变电站给多个变电站供电的变电站站用电应按两路进行改造。

（4）对于采用专用备用变压器的变电站，专用备用变压器应处于热备用状态；采用专用应急电源的变电站，专用应急电源应具备自动启动并接入站用工作母线的功能。

5 站用电动力、蓄电池电缆混沟，蓄电池分隔、防火不符合要求

5.1 存在的隐患

目前湖北电网对于变电站所用电动力电缆、蓄电池电缆防火的处理现状如下：

（1）所用电动力电缆、蓄电池电缆防火措施不足情况普遍；

（2）所用电动力电缆、蓄电池电缆大多与电缆沟其他电缆混沟；

（3）不具备独立敷设条件的，大多没有采取加装电缆防火槽盒、涂防火涂料、灌沙等临时性措施；（4）330 kV及以下变电站站用电蓄电池组隔离不到位情况普遍。

5.2 隐患整改建议

针对变电站所用电动力电缆、蓄电池电缆防火现状所存在的隐患提出如下整改建议：

（1）电缆加上铠装层可以增加电缆的机械强度，提高防侵蚀能力。对于不存在外力破坏及侵蚀，同时防鼠措施较好的变电站，可以不采用铠装电缆。

（2）对站用动力电缆与其他电缆同沟，两组蓄电池电缆同沟铺设的情况，应尽快对其分沟，使其在不同的电缆通道内。对不具备分沟条件的，应尽量分层铺设，并应采取防火措施。分层应按照由高到低的电力电缆、强电至弱电的控制和信号电缆、通讯电缆“由上而下”地顺序排列。

（3）对不具备改造条件的，应采取加装防火隔板、喷涂防火涂料、修缮防火墙、填充防火沙等隔离措施。

（4）对使用的非阻燃电缆，应尽快更换为阻燃电缆。

（5）蓄电池电缆穿越电缆竖井部分应加穿金属套管。

（6）当多组蓄电池安装在一个房间时，若一组蓄电池故障起火，可能造成多组蓄电池均被毁坏，造成事故。具备条件时，多组蓄电池应尽量独立安装在不同的蓄电池室内，否则应在不同蓄电池组间设置防火隔墙。对于容量为300 Ah及以下的阀控蓄电池，可安装在电池柜内。

6 直流馈出网络采用环网供电或直流小母线供电

6.1 存在的隐患

目前湖北电网对于直流馈出网络供电方式的配置现状如下：

（1）直流馈出网络供电采用环网供电或直流小母线供电方式的现象普遍；

（2）直流馈出网络中35(10)kV开关柜顶直流网络被允许采用的供电方式不确定。

6.2 隐患整改建议

针对直流馈出网络供电所存在的隐患，提出如下整改建议：

（1）直流系统的馈出接线方式应采用辐射状供电方式，以保障上下级开关的级差配合，提高了直流系统供电可靠性。对于具体对负荷供电方式，应按一次设备的电压等级配置分电屏，保护屏顶小母线的供电方式应淘汰。这样接线的优点在于如果负荷处电源开关下口出现故障，仅跳负荷断路器，或者最多跳分电屏对这一路输出的断路器，避免了直流小母线负荷断路器下口故障，由于小母线总进线断路器，很难实现与下级负荷断路器的级差配合而误动，造成停电范围扩大。另外由于直流小母线往往在屏顶布置，接线复杂，连接点多，其裸露部分易照成误碰或接地故障。

（2）根据《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》,35 kV、10 kV开关柜现有采用直流小母线方式供电，应按电压等级改造为分电屏供电方式，以避免由于负荷开关下口故障，造成小母线总进线开关无法应对级差配合而误动，扩大停电范围。

7 直流回路中使用交流断路器或交直流两用断路器

7.1 存在的隐患

目前湖北电网对于变电站站用直流系统直流专用断路器的使用现状如下：

（1）变电站（换流站）站用直流系统普遍存在使用交流断路器、交直流断路器的情况；

（2）存在站用直流系统中使用交直流两用断路器，但未及时进行专项直流性能验证，不满足要求。

7.2 隐患整改建议

熔断器由于其动作特性受环境影响，且受到冲击电流后，动作特性也会改变，因此直流系统不应采用熔断器。但出口总熔断器由于熔断电流大，动作特性不易受环境及冲击电流的影响，能开断较大故障电流，造价相对便宜，从电网多年运行来看，直流系统可满足现场运行需求。

除蓄电池出口总熔断器外，对于使用直流系统使用交流断路器的应更换为直流断路器；对于使用交直流断路器的应验证其直流性能，不满足要求的应更换。

8 结论

本文以湖北电网站用电交直流电源系统隐患排查为例，采用专题研究的方式，对重点出现的6类问题进行研究分析和隐患排查工作，以此为依据，提出了站用电交直流电源系统隐患整改的措施和建议，对于站用电交直流系统问题的查找和维护具有一定的借鉴作用。

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