楚雄換流站閥冷系統(tǒng)無主泵跳閘原因分析與優(yōu)化措施

蔡 恒，張青松，林波江，徐 浚

(貴州電網(wǎng)公司 龍里供電局，貴州 龍里 551200)

0 引言

閥冷系統(tǒng)為換流閥的安全運行提供冷卻，以保障換流閥運行溫度在正常范圍內(nèi)，是云廣直流工程中最重要的輔助系統(tǒng)。而閥冷系統(tǒng)的主循環(huán)泵(簡稱主泵)為內(nèi)冷水回路建立穩(wěn)定的壓力，以保證內(nèi)冷水回路順利循環(huán)，確保換流閥的冷卻效果［1］。楚雄換流站極Ⅱ高端系統(tǒng)調(diào)試期間出現(xiàn)一起無主泵跳閘事件，影響云廣特高壓直流的安全運行。云廣特高壓直流工程輸送直流功率較大，一旦發(fā)生閉鎖將對云南電網(wǎng)乃至南方主網(wǎng)的安全穩(wěn)定構(gòu)成威脅，因此分析該起跳閘事件的成因，提出了有針對性的改進(jìn)措施，對云廣直流的安全穩(wěn)定運行提供參考意見。

1 閥冷系統(tǒng)主泵運行概述

楚雄換流站共4 套閥冷卻系統(tǒng)。每套閥冷卻系統(tǒng)由兩個冷卻系統(tǒng)組成［2］:一是內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)，通過去離子水對換流閥進(jìn)行冷卻;二是噴淋水循環(huán)系統(tǒng)，通過冷卻塔對內(nèi)冷水進(jìn)行冷卻。閥冷卻系統(tǒng)回路圖如圖1。主泵是內(nèi)冷水循環(huán)系統(tǒng)的核心設(shè)備，為內(nèi)冷水的穩(wěn)定循環(huán)提供可靠的壓力。主泵在正常運行狀態(tài)時，一臺工作，另一臺備用，每臺主泵都能100%滿足冷卻需要。主泵的切換由軟件設(shè)置自動切換，切換周期為三周［2］。如果一臺泵需要檢修或者發(fā)生故障，將切換到另一臺泵運行，切換不應(yīng)引起直流系統(tǒng)停運。

圖1 云廣直流閥冷卻系統(tǒng)回路圖Fig.1 Cooling loop of valve-cooling system

2 楚雄站閥冷無主泵跳閘原理分析

閥冷系統(tǒng)跳閘的信號有兩大類［3］:主跳閘(VCS-TRIP Main)和備用跳閘(VCS-TRIP Backup)。以極Ⅱ高端閥冷系統(tǒng)為例，其中主跳閘由Main1 和Main2 兩個出口回路組成，分別由－KT1和KT2 兩繼電器出口至極Ⅱ高端保護(hù)接口屏(=12R10 +R1)，KT1 和KT2 的出口時間由S7-400控制器內(nèi)部程序控制，除無主泵跳閘之外，電導(dǎo)率低，內(nèi)冷水溫度高，壓力低，流量低的跳閘信號都通過－KT1 和－KT2 繼電器出口;備用跳閘由Backup1 和Backup2 兩個出口回路組成，是為閥冷無主泵跳閘設(shè)計的單獨回路，分別由主泵P011 和P012 的電源接觸器－K11 和－K12 的兩組常閉輔助觸點串聯(lián)出口至極Ⅱ高端保護(hù)接口屏(=12R10 +R1)，由該屏內(nèi)部時間繼電器－K801和－K802 延時5 s 后動作出口跳閘。閥冷系統(tǒng)無主泵跳閘控制原理如圖2 所示。閥冷系統(tǒng)正常運行時－K11 和－K12 接觸器不同時吸合，系統(tǒng)延時500 ms 完成主泵切換，主泵切換期間=12U11+UT1－K11/K12 觸點復(fù)歸(注:=12U11 +UT1為高端閥冷控制屏編號)，=12R10 +R1－K801/K802 計時開始，SER 報“=12U11+UT1 NO Pump ON Trip”信號。

圖2 閥冷系統(tǒng)無主泵跳閘信號回路簡圖Fig.2 Signal loop diagram about no pump on trip of valve-cooling system

3 楚雄站閥冷無主泵跳閘動作事件分析

3.1 閥冷無主泵跳閘事件過程

2009 年12 月30 日故障前系統(tǒng)運行方式:極Ⅱ高端和極Ⅱ低端閥組處于解鎖狀態(tài)，輸送功率250 MW，極Ⅱ高端閥冷第二路400 V 交流電源投入運行，主泵P011 投入運行，主泵P012 備用。

極Ⅱ系統(tǒng)調(diào)試試驗內(nèi)容:極Ⅱ高端閥冷系統(tǒng)丟失一路交流電源，檢驗閥冷系統(tǒng)穩(wěn)定性和切換的可靠性。

試驗步驟:12 月30 日13:27:31 分運行人員斷開極Ⅱ高端閥冷系統(tǒng)第一路交流400 V 電源－Q1 電源空開，極Ⅱ高端閥冷系統(tǒng)運行無異常，閥冷系統(tǒng)電源、主泵未切換，13:28:33 分運行人員重新合上第一路交流－ Q1 電源空開，12:29:21 分?jǐn)嚅_極Ⅱ高端閥冷系統(tǒng)第二路交流400 V電源－Q1 電源空開，極Ⅱ高端閥冷系統(tǒng)交流電源、主泵切換正常，但極Ⅱ高端閥組跳閘，極Ⅱ低端閥組繼續(xù)運行，輸送功率250 MW 不變，此次跳閘未造成直流功率損失。

3.2 故障查找與原因分析

跳閘后，運行檢修人員迅速開展事故處理和故障原因查找，如圖3 所示。試驗前極Ⅱ高端閥冷的電源是在第二路，主泵P011 在運行，－K11接觸器吸合，觸點1，2;3，4;5，6 閉合;－K11的繼電器保持常勵磁狀態(tài)。

圖4 中左邊的－K11 (31、32)觸點和右邊－K11 (21、22)觸點處于打開狀態(tài)，12:29:21 分切換閥冷電源后，閥冷主泵隨之切換到P012 運行，根據(jù)S7 軟件邏輯可知［4］，閥冷主泵切換時間是500 ms，也就是說，在切換的500 ms內(nèi)，閥冷主泵1 的－ K11 接觸器彈出 (不吸合)，K11 的繼電器不勵磁，圖4 中－K11 (31、32)觸點和－ K11 (21、22)觸點處于閉合狀態(tài);切換瞬間，主泵P012 延時500 ms 后由停運轉(zhuǎn)啟動，在切換的500 ms 內(nèi)，主泵P012 并未得電，即主泵2 的接觸器K12 仍為彈出狀態(tài) (未吸合);同樣分析可知，此時圖4 中左邊的－K12 (31，32)觸點和右邊－ K12 (21，22)觸點均處于閉合狀態(tài);由圖2 可知，－ K11 和－K12 觸點串聯(lián)起來的回路分別是閥冷的備用跳閘回路 1 (Backup1) 和備用跳閘回路 2(Backup2)，此兩條回路分別連接到極2 高端保護(hù)接口屏 (=12R10+R1)中的－ K801 和－K802 延時繼電器，使得－ K801 和－ K802 兩個繼電器 (延時繼電器，延時5 s 跳閘)同時勵磁。由圖2 知，－K801 和－K802 的兩個觸點是并聯(lián)關(guān)系，并且延時5 s 觸點閉合出口。假如－K801 和－ K802 均正常工作，那么邏輯應(yīng)該是:－K801 勵磁后，－K801 的觸點要在5 s 后才閉合接通跳閘回路，在5 s 內(nèi) (實際上在500 ms后)，閥冷已經(jīng)切換到主泵2，這時－ K12 的觸點閉合，－K12 繼電器開始勵磁，－K12 繼電器的觸點 (31，32)和 (21，22)就立即斷開，因此立即切斷了－ K801 和－ K802 的工作電源，－K801 和－ K802 均不再勵磁，因此－ K801 和－K802 的觸點立即返回。

圖3 閥冷主泵電氣硬接線圖Fig.3 Electric connection chart of main pump in valve-cooling system

圖4 跳閘繼電器觸點聯(lián)系圖Fig.4 Relation chart of trip relay node

事實上閥冷切換中出現(xiàn)了無主泵跳閘，因為楚雄換流站閥冷無主泵跳閘是通過－ K801 和－K802 延時5 s 出口實現(xiàn)，并不是軟件延時，因此考慮可能是繼電器硬件損壞，檢修人員為驗證猜想，通過分別對－K801 和－K802 繼電器的A1 和A2 端子加直流電源，觀察繼電器的“U”指示燈和“R”指示燈的閃爍情況判斷繼電器的正常與否，在測試過程中，對－K802 繼電器的A1 端和A2 端子加直流電源時，計時5 s 后，“R”的紅燈閃爍，證明－K802 繼電器功能完好，但對－K801繼電器的A1 端和A2 端子加直流電源時，“R”端子瞬時就閃爍，證明－K801 繼電器的內(nèi)部延時模塊已經(jīng)損壞，現(xiàn)場更換－K801 繼電器后，經(jīng)閥冷系統(tǒng)電源切換試驗，測試正常，未出現(xiàn)跳閘。Ation chart of trip relay node 因此總結(jié)得出極Ⅱ高端閥組跳閘原因:(1)直接原因:時間繼電器－K801 損壞，極Ⅱ高端保護(hù)接口屏 (=12R10 +R1)－K801 時間繼電器無延時(要求延時5 s)出口，(2)間接原因:極Ⅱ高端閥冷系統(tǒng)主泵切換瞬間，閥冷系統(tǒng)后備跳閘信號 (Backup Trip)無延時出口。

4 閥冷無主泵跳閘邏輯缺陷及優(yōu)化建議

4.1 閥冷無主泵跳閘邏輯缺陷

(1)閥冷系統(tǒng)備用跳閘信號(閥冷無主泵運行跳閘)出口無延時，致使每次主泵切換時SER均報“NO PUMP ON TRIP”，相應(yīng)保護(hù)接口屏－K801和－K802 出口跳閘時間繼電器吸合。

(2)閥冷系統(tǒng)對應(yīng)的保護(hù)接口屏?xí)r間繼電器－K801，－K802 任意一個繼電器故障，相應(yīng)閥組直接無延時跳閘，影響特高壓直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4.2 閥冷無主泵跳閘優(yōu)化建議

參考貴廣Ⅰ回安順換流站閥冷系統(tǒng)軟件邏輯圖［5］，得知貴廣I 回閥冷系統(tǒng)無主泵跳閘邏輯并未采用諸如－K801 和－K802 延時繼電器的硬件延時出口實現(xiàn)，而僅采用內(nèi)部軟件邏輯延時，在判別閥冷無主泵運行后軟件延時2s 跳閘，相比之下，云廣直流工程楚雄換流站閥冷無主泵跳閘是設(shè)置的硬件延時，為保證可靠性，設(shè)置了雙繼電器出口，但是在實際過程中還是容易出現(xiàn)單個延時繼電器損壞導(dǎo)致的閥冷無主泵運行無延時跳閘，降低了閥冷系統(tǒng)運行可靠性。

根據(jù)目前的系統(tǒng)設(shè)計，云廣閥冷系統(tǒng)在主泵切換過程中，會發(fā)出無主泵運行的跳閘信號，并啟動相應(yīng)的延時繼電器。主泵切換結(jié)束后，跳閘信號復(fù)歸。為了減少直流系統(tǒng)因硬件故障引起的跳閘事故，建議對閥冷系統(tǒng)目前存在的無主泵跳閘邏輯和控制回路作如下更改:

(1)無主泵跳閘軟件邏輯更改建議:修改閥冷軟件，在S7 控制程序中增加主泵切換過程中閥冷系統(tǒng)Backup Trip 跳閘信號的延時模塊T222，并設(shè)定TV 輸入約2～3 s。如圖5 所示。

圖5 主泵切換邏輯中增加的延時模塊Fig.5 Increased time－lapse module in main pump switchover logic

(2)無主泵跳閘硬接線控制回路更改建議:如圖2 所示，閥冷主泵正常運行中，若－ K11，－K12和延時繼電器K801，－K802 中任意一個設(shè)備損壞，均可能導(dǎo)致主泵切換引起的直流閉鎖。因此建議更改控制回路如圖6 所示。圖6 中無主泵跳閘繼電器1，2 為直流24V 驅(qū)動設(shè)備，通過硬連線分別接入數(shù)字量輸出模塊的Q9.1，Q9.2 節(jié)點(圖5 中)，其常開觸點分別與所在閥組保護(hù)接口屏中的延時出口繼電器相連。

圖6 無主泵跳閘控制回路改進(jìn)Fig.6 Control loop improvement in no pump on trip logic

此種優(yōu)化改進(jìn)方式，將無主泵跳閘信號通過內(nèi)部程序判別、延時后再輸出，同時結(jié)合控制回路改進(jìn)，將徹底避免閥冷系統(tǒng)因繼電器等硬件設(shè)備問題不可靠引起的跳閘。同時，在改進(jìn)建議實施前，特別是在閥冷主泵自動和手動切換前，應(yīng)加強－K801 和－ K802 的檢測工作，實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)問題早更換，杜絕在閥冷切換時再次發(fā)生因繼電器硬件故障導(dǎo)致的異常跳閘。

5 結(jié)論

結(jié)合楚雄換流站極Ⅱ高端閥組調(diào)試期間發(fā)生的閥冷無主泵跳閘事件，分析了閥冷主泵控制規(guī)律及閥冷無主泵跳閘原理，得出如下結(jié)論:

(1)2009 年12 月30 日閥冷主泵切換引起的跳閘是由于－K801 時間繼電器延時模塊損壞，無延時出口跳閘導(dǎo)致。

(2)對無主泵跳閘進(jìn)行軟件更改:在S7 控制程序中增加主泵切換過程中閥冷系統(tǒng)Backup Trip 跳閘信號前增加T222 延時模塊，并設(shè)定TV輸入約2～3 s 的延時。

(3)更改無主泵跳閘硬接線控制回路，將圖2 中－K11 和－K12 繼電器觸點串聯(lián)輸出更改為單繼電器觸點輸出，同時更改軟件邏輯判別。為避免繼電器損壞再次對閥冷切換造成的影響，同時更改軟件和控制回路是合理且行之有效的解決方案。

［1］劉森，宋述波，劉俊，等.貴廣直流肇慶換流站閥冷切換控制系統(tǒng)淺析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(12):109-111，117.Liu Sen，Song Shu bo，Liu Jun，et al.Basic analysis on the valve cooling system's switching control problem of Zhaoqing converter station，Gui-Guang HVDC project ［J］.Power System Protection and Control，2009，37 (12):109-111，117.