曾 明

(攀枝花電業(yè)局，四川 攀枝花 617067)

0 引言

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大與改造，對于只有兩回輸電線路、兩臺主變壓器的110 kV變電站一般采用斷路器數(shù)量最少、投資較少的內(nèi)橋接線方式。

此種接線方式，主變壓器高壓側(cè)無斷路器，僅通過隔離開關(guān)與母線連接。其主變壓器的差動保護(hù)范圍已經(jīng)包括了110 kV母線，故未對高壓側(cè)母線配置專用的110 kV母線保護(hù)裝置。但在實際電網(wǎng)運行中，無專用母線保護(hù)裝置的110 kV內(nèi)橋接線對供電可靠性、電網(wǎng)運行穩(wěn)定性帶來很大影響。

1 無專用母線保護(hù)裝置的110 kV內(nèi)橋接線運行分析

1.1 主變壓器縱差動保護(hù)范圍分析

某地區(qū)110 kV河石壩變電站采用無專用母線保護(hù)裝置的內(nèi)橋接線，如圖1所示。主變壓器縱差動保護(hù)用電流互感器TA，除分別安裝于主變壓器中、低壓側(cè)外，還在母線橋及出線上分別進(jìn)行了安裝。圖1中主變壓器1B差動保護(hù)范圍除了主變壓器回路本身外，還擴(kuò)大至母線橋113斷路器以及壩密線151線路斷路器?？梢姡髯儔浩?B、2B差動保護(hù)分別兼作了110 kV母線1M、2M的快速保護(hù)。

圖1 河石壩變電站110 kV內(nèi)橋接線圖(無母線保護(hù))

1.2 正常運行方式分析

河石壩變電站在本地區(qū)110 kV電網(wǎng)中的位置如圖2所示，在系統(tǒng)正常運行方式下，圖2中所有元件全部帶電運行，135 MW發(fā)電機(jī)通過110 kV雙通道(環(huán)網(wǎng))在220 kV銀江變電站并入四川主網(wǎng)運行。河石壩變電站是河門口電廠135 MW機(jī)組出力通道的組成部分，成為110 kV環(huán)網(wǎng)內(nèi)重要的節(jié)點，其兩臺主變壓器擔(dān)負(fù)著片區(qū)市政供電、礦務(wù)局等高危用戶的供電任務(wù)。

圖2 四川某地區(qū)部分110 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

此系統(tǒng)中，除河石壩110 kV母線外，所有元件(輸電線路、母線、主變壓器)均配置了能保證快速性、選擇性的專用縱聯(lián)或者縱差動保護(hù)。正常情況下，河石壩變電站母線橋113斷路器處于運行狀態(tài)，兩臺主變壓器高壓側(cè)并聯(lián)運行，分別承擔(dān)40 MW負(fù)荷;當(dāng)河石壩110 kV 1M故障，主變壓器1B差動保護(hù)快速動作使1B中、低壓側(cè)，以及151、113斷路器跳閘，確保了電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

1.3 特殊運行方式分析

在以下3種特殊運行方式下，將造成內(nèi)橋接線的110 kV母線其中一段失去快速保護(hù)，從而會出現(xiàn)降低供電可靠性、系統(tǒng)穩(wěn)定性的嚴(yán)重問題，呈現(xiàn)出很高的安全風(fēng)險。

(1)正常運行方式下，因為某一主變壓器差動保護(hù)臨時退出運行(如:差動保護(hù)斷線告警、裝置死機(jī)等)時，該主變壓器所連接的一段母線失去快速保護(hù)。

(2)當(dāng)1臺主變壓器檢修期間，為保證110 kV網(wǎng)絡(luò)處于環(huán)網(wǎng)運行狀態(tài)，短時停電配合拉開主變壓器高壓側(cè)隔離開關(guān)后，母線橋需要恢復(fù)運行。主變壓器差動保護(hù)屬檢修范圍，故該主變壓器所連接的一段110 kV母線無快速保護(hù)。

(3)當(dāng)主變壓器1B檢修結(jié)束后，因大修或者差動回路二次改動，按規(guī)程要求需帶負(fù)荷測試主變壓器差動保護(hù)電流互感器極性，測試期間差動保護(hù)將退出運行。該段時間區(qū)間，110 kV 1M無快速保護(hù)。

特殊運行方式下的故障情況分析如下。

當(dāng)處于上述特殊運行方式時，若該段母線故障，需要通過該站110 kV兩段母線上所有電源元件的后備保護(hù)(輸電線路對側(cè)II段保護(hù)、主變壓器高壓側(cè)方向閉鎖過電流保護(hù))越級動作才能切除故障，這勢必導(dǎo)致:

(1)切除故障的時間較長，嚴(yán)重降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

文獻(xiàn)［1］中電力系統(tǒng)受到大干擾后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上出現(xiàn)的不平衡轉(zhuǎn)矩將使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生劇烈的相對運動;當(dāng)發(fā)電機(jī)的相對角的振蕩超過一定限度時，發(fā)電機(jī)便會失去同步?？梢姡捎跓o法快速切除故障(特別是三相短路)，將給河門口電廠135 MW機(jī)組帶來很大沖擊，容易誘發(fā)機(jī)組失穩(wěn)而導(dǎo)致更嚴(yán)重的系統(tǒng)影響。

(2)本站及其所帶負(fù)荷全部失壓的后果，供電可靠性極差;

(3)隔離故障、恢復(fù)送電的速度受到制約。地調(diào)調(diào)度員在處理事故時，無法根據(jù)保護(hù)動作情況，就能立即判明故障點的位置。特別是雷雨季節(jié)，很難僅僅通過110 kV線路II段的動作情況就能斷定是線路本身末端故障還是變電站母線故障。明確故障點的時間越長，隔離故障就慢，從而影響恢復(fù)送電的速度。

1.4 其他隱患分析

1.4.1 母線橋無專門的充電保護(hù)

在實際檢修工作中，當(dāng)110 kV一段母線檢修結(jié)束，而相應(yīng)主變壓器檢修工作仍在進(jìn)行的情況非常普遍。該段母線送電時，由于無專門的充電保護(hù)，送電需要線路對側(cè)保護(hù)來作該段母線的充電保護(hù)。同理，該段母線故障，由于切除故障時間較長，降低系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

1.4.2 風(fēng)險極高、最薄弱的運行方式將導(dǎo)致局部電網(wǎng)崩潰

圖2中，當(dāng)環(huán)網(wǎng)內(nèi)任一輸電線路停電計劃檢修或發(fā)生永久性故障，河門口電廠135 MW機(jī)組將通過單通道(環(huán)網(wǎng)打開)與主網(wǎng)并列運行。2008年至2010年，該110 kV環(huán)網(wǎng)線路故障情況統(tǒng)計如表1。

可見近4年來，線路因計劃檢修導(dǎo)致該110 kV電網(wǎng)開環(huán)運行的時間平均達(dá)到每年16天以上，而線路因永久性故障跳閘共24條次，年平均6條次，存在較高的故障概率。

表1 圖2環(huán)網(wǎng)中，110 kV輸電線路計劃檢修與故障情況統(tǒng)計

環(huán)網(wǎng)中某一元件計劃檢修或者故障，110 kV環(huán)網(wǎng)即刻出現(xiàn)開環(huán)運行。根據(jù)N-1事故策略，為保證其余某一元件故障后，該機(jī)組及其負(fù)載所形成的孤立電網(wǎng)(以下稱孤網(wǎng))能夠保持頻率與電壓穩(wěn)定，調(diào)度員將有關(guān)傳輸斷面進(jìn)行功率控制。如110 kV銀鳳線檢修時，110 kV銀密線、壩密線的有功負(fù)荷將按“零”、無功功率盡量調(diào)至最小的要求進(jìn)行控制。如果此時出現(xiàn)上述“特殊運行方式”時，河石壩失去主變壓器差動保護(hù)的一段母線發(fā)生三相短路，靠相鄰110 kV線路II段保護(hù)切除故障。容量如此小的孤網(wǎng)在三相短路的巨大沖擊下，還要“較長”的時間才能脫離故障，該局部電網(wǎng)崩潰的概率與風(fēng)險將非常高。之前所做的負(fù)荷控制，將會因為功角穩(wěn)定問題付諸東流。這種情況，會由于內(nèi)橋接線未設(shè)置專用母線保護(hù)而形成最嚴(yán)重的災(zāi)難。

2 對策建議

當(dāng)110 kV變電站主接線采用內(nèi)橋接線方式時，110 kV母線應(yīng)配置專用的微機(jī)母線差動保護(hù)，上述問題即可有效解決。

2.1 母差保護(hù)實施依據(jù)

文獻(xiàn)［2］中在110 kV及以上的雙母線和分段單母線上，為保證有選擇性地切除任一組(或段)母線上所發(fā)生的故障，而另一組(或段)無故障的母線仍能繼續(xù)運行，應(yīng)裝設(shè)專用的母線保護(hù)。

文獻(xiàn)［3］中電力系統(tǒng)元件(發(fā)電機(jī)、變壓器、線路、母線、電動機(jī)等)繼電保護(hù)的基本任務(wù)，也是對繼電保護(hù)配置的總體要求，就是當(dāng)被保護(hù)的電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時，應(yīng)該由該元件繼電保護(hù)裝置迅速準(zhǔn)確地給距離故障元件最近的斷路器發(fā)出跳閘命令，使故障元件及時從電力系統(tǒng)中斷開，以最大限度地減少對電力元件本身的損壞，降低對電力系統(tǒng)安全供電的影響，并滿足電力系統(tǒng)的某些特定要求(如保持電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性等)。

2.2 母差保護(hù)實施方案

內(nèi)橋接線方式下，母差保護(hù)的主變壓器高壓側(cè)電流需用其本體套管的TA接入母差保護(hù)來實現(xiàn)，橋斷路器以及其他支路電流仍采用其斷路器的TA電流。主變壓器高壓側(cè)套管TA作為母線一支路電流參與差流計算，與正常方式無異，在此不再贅述。

需要特別指出的是，母差保護(hù)也應(yīng)跳主變壓器三側(cè)斷路器，防止主變壓器中、低壓側(cè)的電源反送至故障點，達(dá)到可靠、自動地隔離故障的目的。可以采用母差保護(hù)跳主變壓器高壓側(cè)斷路器的出口接點啟動中間繼電器去聯(lián)切中、低壓側(cè)斷路器的方式來具體實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 110 kV內(nèi)橋接線圖(配有母線保護(hù))

2.3 母線差動與主變壓器差動保護(hù)范圍、動作結(jié)果對比

110 kV母差保護(hù)范圍擴(kuò)大至主變壓器本體高壓側(cè)套管TA處，與主變壓器差動保護(hù)110 kV部分的保護(hù)范圍重疊。正常運行方式下，兩者均投入運行，雖然其動作結(jié)果一樣，但是故障點未必相同。

2.4 母差保護(hù)動作情況分析

當(dāng)在上述“特殊運行方式”期間，河石壩110 kV 1M故障，其110 kV母差保護(hù)首先以“零秒”快速且有選擇性地動作，使151、113以及主變壓器1B中、低壓側(cè)斷路器同時跳閘，而110 kV 3M、主變壓器2B依然可以正常運行，避免了河石壩全站及其所供負(fù)載全部失壓的后果，達(dá)到迅速、有選擇性將故障隔離的目的，確保了供電可靠性以及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步提高供電可靠性，可以在確保主變壓器2B不過載、不發(fā)生與小電源非同期并列等有關(guān)條件下，主變壓器1B所供的失壓負(fù)荷可以通過備用電源自動投入裝置自動轉(zhuǎn)移給2B供電(備用電源自動投入裝置動作后將中、低壓側(cè)母線分段斷路器自動投入來實現(xiàn))。

當(dāng)主變壓器1B差動與母線I段差動保護(hù)同時動作時，就能說明故障在河石壩110 kV 1M范圍內(nèi)，可以重點檢查達(dá)到省時的目的。當(dāng)1B差動動作、而母線I段差動保護(hù)未動作，則說明故障在1B本體及其中、低壓側(cè)的范圍內(nèi)，調(diào)度員在拉開1B高壓側(cè)隔離開關(guān)后，可將110 kV系統(tǒng)恢復(fù)環(huán)網(wǎng)運行，從而降低開環(huán)運行可能帶來的元件過載或者發(fā)電機(jī)“窩電”問題。

最重要的是，“零秒”切除故障，確保了發(fā)電機(jī)組的安全運行。文獻(xiàn)［1］中快速切除故障在提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面起著首要的、決定性的作用。

3 結(jié)語

無專用母線保護(hù)裝置的110 kV內(nèi)橋接線，在正常運行情況，當(dāng)某段母線故障時，可利用主變壓器差動保護(hù)快速且有選擇性地動作;在上述特殊運行方式下，當(dāng)某段母線故障時，因主變壓器差動保護(hù)不能夠動作，則需要通過輸電線路對側(cè)II段保護(hù)越級動作才能切除故障，這勢必導(dǎo)致切除故障的時間較長，嚴(yán)重降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至可能引起發(fā)電機(jī)失去同步而導(dǎo)致更嚴(yán)重的系統(tǒng)影響。

內(nèi)橋接線方式下，配置專用的微機(jī)母差保護(hù)，有利于提高母線故障時繼電保護(hù)的快速性與選擇性;此外，母線保護(hù)裝置具備完善的充電保護(hù)功能，所以在對檢修后的母線段充電時，它能夠靈敏、快速地反映各種故障，同樣提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

需要指出的是，當(dāng)變電站在系統(tǒng)中處于聯(lián)絡(luò)地位時，建議主接線的設(shè)計不宜采用橋形接線;若因土地、配電裝置結(jié)構(gòu)等條件所限，則應(yīng)安裝母線保護(hù)。

［1］劉天琪，邱曉燕.電力系統(tǒng)分析理論［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［2］賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理(3版)［M］.北京:中國電力出版社，1994.

［3］《中國電力百科全書》編輯委員會.中國電力百科全書電力系統(tǒng)卷［M］.北京:中國電力出版社，2000.