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母線保護裝置。但在實際電網(wǎng)運行中，無專用母線保護裝置的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裝置的內(nèi)橋接線，如圖1所示。主變壓器縱差動保護用電流互感器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行了安裝。圖1中主變壓器1B差動保護范圍除了主變壓器回路本身外，還擴大至母線橋113斷路器以及壩密線151線路斷路器?？梢姡髯儔浩?B、2B差動保護分別兼作了110 kV母線1M、2M的快速保護。

圖1 河石壩變電站110 kV內(nèi)橋接線圖(無母線保護)

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。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負荷;當(dāng)河石壩110 kV 1M故障，主變壓器1B差動保護快速動作使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，從而會出現(xiàn)降低供電可靠性、系統(tǒng)穩(wěn)定性的嚴重問題，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臨時退出運行(如:差動保護斷線告警、裝置死機等)時，該主變壓器所連接的一段母線失去快速保護。

(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。

(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)程要求需帶負荷測試主變壓器差動保護電流互感器極性，測試期間差動保護將退出運行。該段時間區(qū)間，110 kV 1M無快速保護。

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(輸電線路對側(cè)II段保護、主變壓器高壓側(cè)方向閉鎖過電流保護)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，嚴重降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性;

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

(2)本站及其所帶負荷全部失壓的后果，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

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，送電需要線路對側(cè)保護來作該段母線的充電保護。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，該機組及其負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、壩密線的有功負荷將按“零”、無功功率盡量調(diào)至最小的要求進行控制。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的一段母線發(fā)生三相短路，靠相鄰110 kV線路II段保護切除故障。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)置專用母線保護而形成最嚴重的災(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)配置專用的微機母線差動保護，上述問題即可有效解決。

2.1 母差保護實施依據(jù)

文獻［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。

文獻［3］中電力系統(tǒng)元件(發(fā)電機、變壓器、線路、母線、電動機等)繼電保護的基本任務(wù)，也是對繼電保護配置的總體要求，就是當(dāng)被保護的電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時，應(yīng)該由該元件繼電保護裝置迅速準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 母差保護實施方案

內(nèi)橋接線方式下，母差保護的主變壓器高壓側(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，達到可靠、自動地隔離故障的目的?？梢圆捎媚覆畋Ｗo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)

2.3 母線差動與主變壓器差動保護范圍、動作結(jié)果對比

110 kV母差保護范圍擴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110 kV部分的保護范圍重疊。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載全部失壓的后果，達到迅速、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)，可以重點檢查達到省時的目的。當(dāng)1B差動動作、而母線I段差動保護未動作，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“窩電”問題。

最重要的是，“零秒”切除故障，確保了發(fā)電機組的安全運行。文獻［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不能夠動作，則需要通過輸電線路對側(cè)II段保護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，嚴重降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至可能引起發(fā)電機失去同步而導(dǎo)致更嚴重的系統(tǒng)影響。

內(nèi)橋接線方式下，配置專用的微機母差保護，有利于提高母線故障時繼電保護的快速性與選擇性;此外，母線保護裝置具備完善的充電保護功能，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。

［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.