丁北平 陳東海 嚴(yán)浩軍 王 磊 姜子庠

（1.寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315010；2.上海電力學(xué)院，上海 200090）

隨著國內(nèi)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨緊密，中壓母線短路容量愈來愈高。目前我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，社會(huì)電力用戶主要由中壓系統(tǒng)即10kV和35kV等級(jí)供電，大多使用封閉式的中置柜以電纜引出，操作頻繁，運(yùn)行電流大，故障過電壓高，設(shè)備安全距離與高壓設(shè)備相比有差距，且制造質(zhì)量近年來有下降趨勢(shì)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長短路事故幾率較高。

除特殊設(shè)計(jì)外，現(xiàn)有保護(hù)規(guī)程對(duì)中壓母線的主保護(hù)未做強(qiáng)制性規(guī)定[1]，在實(shí)際中僅靠主變高、低后備復(fù)壓過流來保護(hù)，切除故障時(shí)間長，一般為1.2～2s，母線短路事故時(shí)設(shè)備損毀往往非常嚴(yán)重。

近年來各地電網(wǎng)中置柜短路燒毀事故逐漸增多，本文以2011年某局電網(wǎng)發(fā)生的中置柜短路事故為研究對(duì)象，分析故障的典型類型和產(chǎn)生原因，研究現(xiàn)有中壓母線保護(hù)方案及其適用性，提出一種基于選擇性且適于現(xiàn)場改造的中壓母線快速保護(hù)方案，滿足國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)場改造的需要。

1 中置柜短路事故分析

從某局110kV舒家變10 kV Ⅰ段母線、220kV寧西變10 kV正母、220kV廣濟(jì)變35 kV Ⅱ段母線等多次中置柜事故來看，故障的發(fā)展過程大致為：中壓供電饋線上發(fā)生單相接地故障，由此產(chǎn)生覆蓋全系統(tǒng)的故障過電壓、弧光接地過電壓將中置柜絕緣薄弱點(diǎn)擊穿，形成短路回路，饋線開關(guān)動(dòng)作，饋線開關(guān)跳閘引起的暫態(tài)恢復(fù)電壓擾動(dòng)使原已絕緣受損的中置柜運(yùn)行工況更為惡劣，最后引發(fā)該中置柜弧光短路，除少量配置中壓母差保護(hù)的新220kV變電所外，此時(shí)主變低壓過流保護(hù)啟動(dòng)，短路電流長期存在將中置柜燒毀。在整個(gè)過程中，短路位置由饋線側(cè)轉(zhuǎn)移到母線，故障形式由單相發(fā)展為多相，由于中置柜隔室狹小和電壓擾動(dòng)，母線故障時(shí)通常發(fā)展為三相短路。另外國內(nèi)也有雷擊線路引發(fā)中置柜短路爆炸的記載。

從多次故障搶修現(xiàn)場看，中置柜故障大多發(fā)生在手車小室、電纜小室，母線小室較少損壞；短路電流雖未發(fā)生短路超標(biāo)但數(shù)額已相對(duì)較大、接近超標(biāo)；在未配置母差保護(hù)時(shí)，母線短路持續(xù)時(shí)間較長，設(shè)備嚴(yán)重?fù)p毀，修復(fù)極為困難且停電時(shí)間長，有母差保護(hù)時(shí)，母線短路累計(jì)持續(xù)時(shí)間很短（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中最長的140ms），因IEC298標(biāo)準(zhǔn)附錄中規(guī)定10kV開關(guān)柜的內(nèi)部耐燃弧時(shí)間為100ms，因此設(shè)備會(huì)有局部燒傷，但損毀較輕，不會(huì)殃及相鄰間隔設(shè)備，修復(fù)相對(duì)容易。

可見，中壓母線短路事故的起因多為饋線線路側(cè)故障，事故擴(kuò)大的原因?yàn)橹兄霉裰圃熨|(zhì)量參差不齊、發(fā)熱、材料老化等造成的絕緣水平下降，存在薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)備損壞嚴(yán)重的原因?yàn)橹袎耗妇€沒有主保護(hù)，僅靠主變低后備復(fù)壓過流保護(hù)切除故障，短路持續(xù)時(shí)間過長。長期看，隨著東部沿海城市110～500kV高壓輸電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和變電站布局的緊密化，電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)將減小而短路超標(biāo)問題將愈發(fā)突出，在這一趨勢(shì)下中壓母線的短路容量將愈來愈大，在部分來不及改造的老舊變電所，此類短路事故一旦發(fā)生損毀將更嚴(yán)重。

2 國內(nèi)外解決方案

針對(duì)上述問題，督促設(shè)備制造廠商提高中置柜制造質(zhì)量是重要解決措施，同時(shí)在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，電力部門應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備的絕緣監(jiān)督管理，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備交接試驗(yàn)、定期預(yù)試、狀態(tài)檢修等制度。

在做好設(shè)備采購、運(yùn)行管理等工作預(yù)防事故發(fā)生的同時(shí)，另一方面，要尋求適用當(dāng)前城市電網(wǎng)短路水平、電網(wǎng)架構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境的技術(shù)措施。對(duì)于這類事故，快速動(dòng)作隔離故障是國內(nèi)外多數(shù)繼電保護(hù)解決方案的立足點(diǎn)，方案的設(shè)計(jì)盡量達(dá)到安全性、快速性、選擇性、靈敏性是指導(dǎo)原則?，F(xiàn)有解決方案如下表所示。

表1 現(xiàn)有解決方案

母線定時(shí)限速斷保護(hù)整定時(shí)間最低為0.5s，由于銅排150ms開始熔毀[2]，此方案能夠降低短路后設(shè)備損毀程度，但可能成效不大。

高阻抗完全/不完全差動(dòng)保護(hù)造價(jià)高，接線復(fù)雜，不能實(shí)現(xiàn)故障間隔的定位，同時(shí)兩相不完全式母差保護(hù)對(duì)某些故障形式會(huì)誤判而擴(kuò)大停電范圍，如本文1中分析的故障發(fā)展過程，若饋線上B相接地而引起中置柜中A或C相絕緣破壞，此時(shí)不完全母差將誤判母線故障而非饋線故障，從而切除母線擴(kuò)大事故停電范圍。此外，對(duì)現(xiàn)有變電所的中置柜，其饋線CT無多余繞組，若安裝差動(dòng)CT又無空間，因此不適用現(xiàn)有變電所的技術(shù)改造。

在20世紀(jì)90年代歐洲開始研究將電孤光保護(hù)應(yīng)用于中低壓中置柜內(nèi)部保護(hù)[3]，90年代末芬蘭電網(wǎng)開始配備。在國內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)中，南方電網(wǎng)2009年試用的弧光保護(hù)，采用檢測(cè)開關(guān)柜母線室的弧光信號(hào)和過流信號(hào)跳主變低壓側(cè)開關(guān)的典型應(yīng)用方案，這種應(yīng)用方式回避了最常發(fā)生故障的開關(guān)柜母線室和電纜室，從而可以不考慮選擇性動(dòng)作問題，這構(gòu)不成真正意義上的母線保護(hù)，也不能充分發(fā)揮電弧光保護(hù)快速性、選擇性的優(yōu)勢(shì)，方案的效果大打折扣。

南網(wǎng)在也試裝了一種網(wǎng)絡(luò)化的電流閉鎖式母線保護(hù)，采用深圳南瑞的饋線保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)和低壓側(cè)后備保護(hù)進(jìn)行組網(wǎng)，等同于以各饋線保護(hù)瞬動(dòng)接點(diǎn)并聯(lián)閉鎖進(jìn)線保護(hù)的快速保護(hù)。當(dāng)母聯(lián)開關(guān)閉合時(shí)，按其系統(tǒng)的保護(hù)邏輯，母聯(lián)保護(hù)將直接閉鎖低壓側(cè)后備保護(hù)，整套系統(tǒng)將不起作用，這達(dá)不到運(yùn)行方式變換的要求。

國內(nèi)已有110kV等級(jí)及以上的基于IEC61850的母差保護(hù)產(chǎn)品，其中江蘇無錫西涇變電站的110kV保護(hù)方案與國網(wǎng)公司中壓母線智能保護(hù)規(guī)劃方案類似，但在中壓母線上仍延續(xù)以前保護(hù)規(guī)程，未設(shè)置中壓母線保護(hù)。

可見，現(xiàn)場條件限制了現(xiàn)有上述保護(hù)方案的實(shí)用性。

3 基于選擇性的中壓母線快速保護(hù)方案

根據(jù)中置柜設(shè)備配置密度大、中壓系統(tǒng)多重故障易發(fā)生的現(xiàn)狀，充分利用弧光保護(hù)精確定位及中置柜隔室相互獨(dú)立的特點(diǎn)，考慮中壓母線系統(tǒng)的每個(gè)隔室、每個(gè)死區(qū)，以故障弧光加主變低壓側(cè)的電流突變構(gòu)成雙判據(jù)跳閘，以失靈、過流信號(hào)構(gòu)成區(qū)分饋線、母線的選擇性保護(hù)，形成精確化的中置柜全覆蓋保護(hù)系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)保護(hù)時(shí)延長、保護(hù)范圍不精確的缺點(diǎn)，達(dá)到在不改變?cè)幸弧⒍卧O(shè)備的前提下對(duì)變電所進(jìn)行改造，通過本技術(shù)找到保供電與保設(shè)備的最大效益平衡點(diǎn)的目的。

該整套保護(hù)系統(tǒng)由主控單元、電流單元、弧光繼電器擴(kuò)展器、弧光繼電器、弧光傳感器和專用聯(lián)接電纜組成。以雙主變、中壓母線單母分段、2#主變配甲、乙開關(guān)的變電所為典型配置對(duì)象，雙主變配一個(gè)主控單元，主控單元采集兩臺(tái)主變低壓側(cè)保護(hù)CT電流和母聯(lián)開關(guān)電流，主變低壓側(cè)Ⅰ、Ⅱ段PT零序電壓，以及所有低壓側(cè)中置柜的母線室的弧光傳感器。每個(gè)饋線柜配一弧光繼電器裝置，用于采集裝在每個(gè)饋線柜的開關(guān)室、電纜室的弧光傳感器，同時(shí)聯(lián)接該饋線間隔的跳閘出口。母聯(lián)柜也配一弧光繼電器裝置，用于采集裝母聯(lián)柜的開關(guān)室、CT室的弧光傳感器。方案的典型配置如圖1所示。

圖1 基于選擇性的中壓母線快速保護(hù)方案典型配置

該方案保護(hù)邏輯的分區(qū)按照開關(guān)劃分，而不是傳統(tǒng)的以CT劃分。邏輯分為3類，有饋線/母聯(lián)/主變低壓側(cè)保護(hù)，死區(qū)保護(hù)，失靈保護(hù)。表2中T1、T2整定范圍為70～150ms。

動(dòng)作序列如下：①饋線柜電纜室、開關(guān)室故障時(shí)，饋線保護(hù)動(dòng)作切除故障；如故障發(fā)生在開關(guān)室開關(guān)的母線側(cè)，則主控單元啟動(dòng)死區(qū)保護(hù)跳主變低壓側(cè)開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)；若主變低壓側(cè)開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)拒動(dòng)，則啟動(dòng)失靈保護(hù)跳主變高壓側(cè)開關(guān)；②所有開關(guān)柜母線室、主變低壓側(cè)開關(guān)柜開關(guān)室故障時(shí)，主變低壓側(cè)保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)啟動(dòng)后跳閘；如故障發(fā)生在主變柜開關(guān)室開關(guān)的主變側(cè)，則主控單元啟動(dòng)主變低壓側(cè)死區(qū)保護(hù)跳主變高壓側(cè)開關(guān)；若母聯(lián)開關(guān)拒動(dòng)，則啟動(dòng)母聯(lián)失靈保護(hù)跳非故障母線段上的主變低壓側(cè)開關(guān)；③母聯(lián)柜開關(guān)室，CT室故障時(shí)，當(dāng)主變低壓側(cè)母線并列運(yùn)行時(shí)，母聯(lián)開關(guān)跳閘，若故障仍存在，則啟動(dòng)母聯(lián)死區(qū)保護(hù)跳故障電流側(cè)主變低壓開關(guān)；當(dāng)主變低壓側(cè)母線分列運(yùn)行時(shí)，直接跳故障電流側(cè)主變低壓開關(guān)。

表2

在裝置分別通過國家電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備電磁兼容實(shí)驗(yàn)室、華東中試所、西安高壓電器研究所的型式試驗(yàn)、動(dòng)模測(cè)試和引弧試驗(yàn)，使其達(dá)到入網(wǎng)應(yīng)用級(jí)別后，該方案已在浙江寧波電網(wǎng)110kV青竹變投入試運(yùn)行。

4 結(jié)論

實(shí)踐表明，隨著城市電網(wǎng)短路水平的不斷提高和中置柜服役時(shí)間的延長，設(shè)備絕緣水平下降引起的中壓母線短路事故逐漸增多，極大影響正常供電秩序，設(shè)備修復(fù)困難且周期長?；谶x擇性的中壓母線快速保護(hù)方案吸收電流保護(hù)、失靈保護(hù)、弧光保護(hù)的特點(diǎn)，針對(duì)國內(nèi)電網(wǎng)現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際而設(shè)計(jì)，利用選擇性跳閘實(shí)現(xiàn)對(duì)中置柜所有隔室的全覆蓋保護(hù)，改造方便、適用性強(qiáng)、應(yīng)用前景廣闊。另外，該方案在實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)方面需進(jìn)一步積累。

[1] GB/T 14285—2006. 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S].

[2] SIDHU T S，SAGO G S，SACHDEV M S. Multi sensor secondary device for detection of low-level arcing faults in metal-clad MCC switchgear panel [J]. IEEE Trans on Power Delivery，2002. 17(1): 129-134.

[3] JONES R A, et al. Staged tests increase awareness of arc-flash harzards in electrical equipment.IEEE Pretrolleum and Chemical Indutry Conference,September, 1997.