换流站站用电系统设计

孙晓明，信 珂，周志勇

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

交流站用电源系统包括站用变压器、站用高低压开关柜/设备及其控制保护系统。高压直流输电换流站的站用电系统与交流超高压变电站的所用电系统有相似之处，但由于换流站内的阀冷却系统主循环泵、换流变和平波电抗器的冷却系统以及直流保护、极控等二次系统要求不间断运行，否则将会引起直流系统跳闸，直接影响到高压直流输电系统及其所连接的交流系统的安全稳定运行[1-4]，所以应保证交流站用电系统的可靠性，换流站比普通的变电站对站用电的要求更高。

1 换流站站用电系统设计原则

换流站的交流站用电系统一般采用三回独立电源供电，三路站用电源中，一般两回电源为工作电源，一回电源为备用电源，即“两运一备”的运行方式。换流站对站用电源的供电可靠性要求很高，每回站用电源应满足独立承担双极直流送电时的站用负荷。

保证站用电系统在故障时具有的性能。一回站用电源或一台变压器或一条母线故障时，不减少直流输送功率，并保持冗余，即有100%的备用可用于以后的故障；两回站用电源或两台变压器故障，不减少直流输送功率，但对以后的故障则无冗余。

对装设具有100%冗余的设备（如2台100%额定容量的泵），则每台设备应有一个独立的400 V母线供电。

对具有一个N+1冗余度的设备，除了提供两回独立的400 V电源外，还应带有一个切换系统。

由于高压直流输电系统一般为双极系统，每一极都可以单独运行，所以在考虑其供电系统时应尽量遵守与每一极对应的原则，以避免一极的停运而引起另一极的停运。

2 换流站站用电典型接线方式

换流站站用电系统的典型接线如图1所示。

1）直流换流站站用电系统应配置三路可靠电源。三路站用电电源分列运行，两主一备，其中第一第三路主用，第二路备用。每路站用电进线设备的容量按全站计算负荷选择。对于换流容量在1 000 MW及以上的换流站，应至少有一路电源取自站内主变压器或直降变，其它电源可取自站内或站外不同电源点。

站用电源的引接考虑以下几种可能性，并可通过技术经济比较确定：当站内有交流220 kV母线时，可从本站交流220 kV母线引接；当站内有降压变压器时，可从降压变压器第三绕组侧母线引接；从站外可靠性较高的引接35～110 kV线路至换流站。

2）站用电系统应采用与每极相对应的接线方式，以保证每极换流器的站用电负荷供电的相对独立性和可靠性，避免任一极换流器的站用电装置故障或检修时而影响另一极的安全运行。据此，站用电系统一般可采用下述接线方式。

图1 换流站站用电系统典型接线

站内设置三段10 kV高压站用电母线段，其中两个工作母线段（第I、III段）、一个备用母线段（第II段），每段均由独立的电源供电，工作母线与备用母线之间通过10 kV联络开关连接，两个工作母线段均可从备用母线段取得备用电源。各10 kV开关的容量按全站计算负荷选择。

每个10 kV母线段各接两台10/0.4 kV的低压站用变压器，两两分列运行，分别对两个极的站用电负荷供电。每台低压站用电变压器容量按每极站用负荷工作容量的100%考虑。

（3）站用400 V系统采用单母线，400 V母线分四段。一、二段为极1站用电提供电源，三、四段为极2站用电提供电源，一、二段之间，三、四段之间设置联络开关。各400V开关的容量按400V母线联络后的计算负荷选择。设4个动力中心（PC）；每极 2个动力中心（PC），互为备用。在动力中心（PC）下一层设多个电动机控制中心（MCC），以作为阀冷却负荷，换流变负荷，就地继电器室负荷等各级负荷的馈电电源。两直流极的负荷馈电电源应相互独立，取自不同的MCC及PC。

3 换流站站用电系统的控制系统

交流站用电源的控制包括交流站用变压器、交流站用电源开关的控制及监视以及工作/备用交流站用电源的自动投切和联锁。交流站用电源控制系统包含在站控系统中，按进线间隔独立配置双重化的控制柜用于站用电系统设备的控制和监视。配置双重化的站用电备自投设备，10 kV与400 V系统应独立配置。

3.1 换流站站用电系统的备自投设计

站用电备用自动投入装置是指通过监视进线电压、控制联络开关和进线开关的分合，来实现站用电源的自动切换，提高站用电的可靠性的装置，简称备自投。换流站站用电10 kV系统与400 V系统均应配置备自投装置，实现双重备自投，其中10 kV备自投为一主一备电源的备自投，400 V备自投为两路电源分列运行的备自投。

3.1.1 10 kV换流站站用电系统备自投逻辑

10 kV一主一备电源的备自投逻辑：

1）当主电源进线失压且备用电源电压正常时，备自投装置自动延时分开主电源进线开关，合上联络开关，投入备用电源；

2）当主电源恢复供电后，备自投装置自动分开联络开关，合上主电源进线开关；

3）当备用电源进线失压时，备自投装置不动作。

备自投充电条件：I、II、III母线至少有两个三相有压；三路进线低压侧开关至少有两个在合位，两分段开关至少有一个在分位。同时满足两个条件经15 s后充电完成。

备自投放电条件：两分段开关均在合位；I、II、III母至少有两个均无压；有外部闭锁信号；三路进线低压侧开关的跳位接点异常；母线TV断线，联络断路器弹簧未储能，压力异常等。满足任何一个放电条件，闭锁备自投。

3.1.2 400 V换流站站用电系统备自投逻辑

400 V两路电源分列运行的备自投逻辑：

1）当一路电源进线失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。

换流站各备自投分别监视对应进线开关1、进线开关2的三相电压或者三相电流，当电压低于欠压整定值或者电流小于无流整定值时，启动自动投入逻辑。备自投的电压监视继电器宜采用三相电压监视继电器，其欠压定值宜设置为0.8倍额定电压，防止单相故障或电压过低时主泵工作异常。

备自投充电条件：I、II母线均三相有压；两路进线开关在合位，分段开关在分位。同时满足两个条件经15 s后充电完成。

备自投放电条件：分段开关均在合位；I、II母均无压；有外部闭锁信号；两路进线及分段开关的跳位接点异常；母线TV断线，联络断路器弹簧未储能，压力异常等。满足任何一个放电条件，闭锁备自投。

3.1.3 10 kV备自投与400 V备自投的配合

10 kV备自投优先动作，如果10 kV备自投未动作，400 V备自投动作。400 V备自投动作时间必须小于换流阀水冷主泵最大允许失电时间和400 V重要负载电源切换装置的切换时间。10 kV备自投动作时间应小于400 V备自投动作时间。

当一路10 kV工作电源故障后，10 kV备自投首先动作，若动作不成功则由400 V备自投作为后备动作，如果仍然动作不成功则由电源切换装置动作。任何一路站用电故障或者站用电回路单一元件故障都不能造成直流停运。

3.2 换流站站用电系统的监视和控制

对站用电源系统的监视范围：站用变压器高压侧电流、电压；站用变压器低压侧电流、电压；站用变压器高压侧有功；10 kV母线电压；380 V母线电压；站用变压器温度、分接头状态、高低压侧开关状态；10 kV母线开关及分段开关状态；380 V母线开关及分段开关状态。考虑到交流站用电系统对换流站安全稳定运行的重要性，应对380 V站用电屏上重要负荷回路的空开跳闸信号进行采集。

对站用电源系统的控制：站用变压器高压侧开关；站用变压器分接头；10 kV母线开关及分段开关状态；380 V母线开关及分段开关状态。

4 换流站站用电系统的保护及其他二次设计

4.1 交流站用电源保护系统

35 kV及10 kV站用变压器配置差动保护、过电流保护、过负荷保护、本体及调压开关瓦斯保护等。

10 kV分段断路器应配置独立保护，分段保护带有二段时限的过流及零序过流保护功能。具有充电保护功能，向故障母线充电时，跳开本断路器。

4.2 站用电系统的联锁

换流站站用电的控制系统应根据换流站最终交流站用电源接线提供联锁功能，除此之外，应对站用电10 kV及380 V系统进行相关的电气联锁设计。特别由于换流站要求站用电系统在三路进线电源N-2故障时仍然保证换流站的稳定运行，10 kV系统的电气联锁设计应与10 kV备自投动作逻辑相适应。

4.3 站用电系统与火灾报警系统的联动

换流站站用电系统与火灾报警系统应设计有火灾联动，当发生火灾时，为防止火灾蔓延，火灾报警系统应切除风机、空调等负荷，因此要求此类负荷站用电屏电源回路开关配置分励脱扣器，并应设计相关二次接线。

5 结语

作为直流输电的重要组成部分，站用电源系统的可靠性直接关系到直流输电的安全，本文提出的换流站站用电源系统设计方案有利于提高站用电源的可靠性，可供同类工程参考借鉴。