國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京市溧水區(qū)供電分公司 張喬悅

1 35kV單母線分段變電站全停故障

1.1 故障前運(yùn)行方式

某公司35kV CX變電站采用如圖1所示單母線分段接線方式，由于未特別設(shè)置母線保護(hù)，當(dāng)發(fā)生35kV母線故障時(shí)，無可動(dòng)作快速保護(hù)裝置，須依靠側(cè)變電站線路保護(hù)對(duì)故障進(jìn)行隔絕。該種設(shè)置方式導(dǎo)致目前設(shè)備在線路故障中被短路電流反復(fù)沖擊，并引發(fā)一場(chǎng)全站停電事故。該變電站分別連接一個(gè)110kV CH變電站和一個(gè)220kV XJ變電站，其中110kV CH變電站與故障變電站之間以11 DL斷路器和#1進(jìn)線連接，220kV XJ變電站與故障變電站之間以12DL斷路器和#2進(jìn)線連接。故障發(fā)生前，連接220kV XJ的12 DL斷路器處于閉合運(yùn)行狀態(tài)，故障變電站內(nèi)2 DL斷路器處于斷開未運(yùn)行狀態(tài)，35kV母分?jǐn)嗦菲? DL處于閉合運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 35kV CX變電站故障前運(yùn)行方式

1.2 繼電保護(hù)情況

在110kV CH變電站的出線1，設(shè)置三級(jí)的三相一次重合閘，并設(shè)置操作出口跳閘斷路器11 DL；在220kV XJ變電站的輸出2中，設(shè)置具有三相一次重合閘的三級(jí)相距保護(hù)，并在其操作的輸出端跳閘斷路器12 DL中給出其設(shè)置的詳細(xì)數(shù)值。35kV CX變電站應(yīng)用地區(qū)內(nèi)較為廣泛的繼電保護(hù)配置形式，見表1。

表1 35kV CX變電站繼電保護(hù)形式

由于35kV CX變電站為終端變電站，未曾在兩端設(shè)置進(jìn)線保護(hù)裝置，也未能應(yīng)用專門裝置保護(hù)母線安全[1]。除此之外，35kV側(cè)配備了備用電源自動(dòng)投入設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱“備自投”），在全站停電故障發(fā)生前，該備自投一時(shí)限5.0s跳1 DL，二時(shí)限1.0s合2 DL，且所有保護(hù)及備自投設(shè)備都處于運(yùn)行狀態(tài)[2]。

1.3 故障經(jīng)過概述

某晚35kV CX變電站發(fā)生全所失電故障，發(fā)生時(shí)間約為21點(diǎn)49分，值班人員在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)記錄變電站內(nèi)各繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)如下：2 DL和3 DL斷路器閉合，1 DL斷路器分位，35kV斷路器柜內(nèi)Ⅰ段母線銅排損壞，同時(shí)發(fā)現(xiàn)110kV CH變電站和220kV XJ變電站與35kV CX變電站進(jìn)線端的連接斷路器處于分位狀態(tài)。

2 繼電保護(hù)及備自投動(dòng)作分析

結(jié)合35kV CX變電站停電故障發(fā)生時(shí)繼電保護(hù)和備自投動(dòng)作報(bào)文記錄可知，故障發(fā)生前各設(shè)備動(dòng)作信息見表2、表3。

表2 CH變電站繼電保護(hù)和備自投動(dòng)作報(bào)文

表3 XJ變電站繼電保護(hù)動(dòng)作報(bào)文

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)CX變電站35kV I段母線出現(xiàn)兩相短路，1 DL斷路器母線側(cè)靜觸頭損壞較大。因?yàn)樵谶@一側(cè)沒有設(shè)置母線保護(hù)，所以只有依靠對(duì)側(cè)110kV CH變電站的線路1的過流II段保護(hù)動(dòng)作，才能跳開11 DL斷路器[3]。在該情況下，保護(hù)操作記錄顯示短路電流為25.44A，按照600/5變比換算后其值為3.05kA；因本次全站停電故障屬持續(xù)故障，設(shè)備無法自行恢復(fù)保護(hù)，因此電閘無法重新閉合，過流加速段再次跳開11 DL，使CH變電站對(duì)端的保護(hù)動(dòng)作終止。

由于11 DL未能重新閉合，導(dǎo)致35kV CX變電站兩側(cè)母線全部失壓，35kV CX變電站內(nèi)備自投設(shè)備自動(dòng)跳開，于是在21:47:57.436，1 DL跳開，2 DL閉合，但此時(shí)初始故障仍未被消除，導(dǎo)致故障電流重新產(chǎn)生，前端220kV XJ變電站12 DL斷路器二次跳開，這一動(dòng)作發(fā)生后，35kV CX變電站徹底整體停電。通過對(duì)本次變電站全停電故障各設(shè)備動(dòng)作報(bào)文記錄可以看出，故障過程中變電站節(jié)點(diǎn)保護(hù)與備自投都是正常的。

3 35kV母線故障的預(yù)防方式優(yōu)化

3.1 母線故障現(xiàn)象保護(hù)措施

根據(jù)本市現(xiàn)行35kV單母線分段變電站的繼電保護(hù)裝置，35kV母線自身無專用保護(hù)，當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，必須依賴對(duì)側(cè)變電站的線路保護(hù)動(dòng)作，該35kV CX變電站的母線繼電保護(hù)配置方式符合該市現(xiàn)行要求，只能依靠對(duì)側(cè)變電站的線路保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行故障隔離。在運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)生4次短路時(shí)，會(huì)對(duì)母線上的設(shè)備造成4次持續(xù)的沖擊，最后造成整個(gè)變電站的失電。35kV母線分段斷路器過流保護(hù)是在與主變備用保護(hù)相匹配的情況下進(jìn)行調(diào)試的，其工作時(shí)間為1.1s，遠(yuǎn)大于對(duì)側(cè)線路保護(hù)Ⅱ段的動(dòng)作時(shí)限（0.5s），實(shí)際不能有效地保護(hù)母線。

3.2 優(yōu)化方案

通過以上的分析，可以看出，在某一段母線發(fā)生故障時(shí)，造成整個(gè)變電站完全停止的主要因素是，當(dāng)前本站沒有能夠迅速啟動(dòng)35kV母分?jǐn)嗦菲鞯谋Ｗo(hù)，不能將故障的范圍限制在故障段。這樣，僅有的一條母線發(fā)生故障，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)變電站的全部停電。針對(duì)電力系統(tǒng)中的母線故障特征及繼電保護(hù)的工作特征，本文提出三種優(yōu)化保護(hù)效果的措施。

3.2.1 主變差動(dòng)保護(hù)范圍包含35kV母線

方案一是將主變的差動(dòng)保護(hù)擴(kuò)展到35kV母線的保護(hù)。此方案的保護(hù)原則與內(nèi)橋式變電站相同，也就是在母線發(fā)生故障時(shí)，主變差動(dòng)保護(hù)的出口跳主變?nèi)齻?cè)斷路器，如在圖1中所示，1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)的輸出端跳入1 DL斷路器，3 DL斷路器，1號(hào)主變10kV側(cè)斷路器。在本次變電站失電故障發(fā)生后，#1主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作發(fā)生時(shí)間早于前端110kV CH變電站，所以三側(cè)斷路器會(huì)因差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作作用跳開，#2進(jìn)線供電正常。在確保2號(hào)主變電安全的前提下，可有效地降低短路電流的脈動(dòng)頻率，從而使2號(hào)主變供電安全可靠，不會(huì)造成全廠停電。若本次故障出現(xiàn)在35kV II母位置，三側(cè)斷路器也會(huì)因差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作作用跳開，#1進(jìn)線供電正常，變電站主變正常供電，則本次全站停電事故不會(huì)發(fā)生。為防止35kV母線分相操作備自投合于故障母線，必須使母分備自投同步閉鎖。

3.2.2 35kV母線加裝母線保護(hù)

方案二：在35kV母線上安裝母線保護(hù)，在35kV I母發(fā)生故障時(shí)，母線保護(hù)會(huì)立即跳出1 DL。3 DL與1號(hào)主變高壓側(cè)斷路器，進(jìn)入備用斷路器關(guān)閉2 DL，2號(hào)主變重新開始供電。如果在35kV II母中出現(xiàn)故障，那么，在母線保護(hù)的作用下，會(huì)立即跳出3 DL和#2主變的高壓側(cè)斷路器，以確保#1主變的正常供電而不會(huì)出現(xiàn)全所的停電。與第一種方法相同，在母線保護(hù)的動(dòng)作過程中，母分?jǐn)嗦菲鱾渥酝堕]鎖也要被關(guān)閉。

3.2.3 35kV母分流保護(hù)優(yōu)化

當(dāng)前，35kV過流保護(hù)的整定模式是與主變后備保護(hù)相結(jié)合，用作主變的遠(yuǎn)備用保護(hù)，對(duì)側(cè)線路的III段保護(hù)與母分過流保護(hù)相結(jié)合，兩種保護(hù)的操作時(shí)間各有一個(gè)級(jí)差0.3s。當(dāng)35kV母線發(fā)生故障后，由于母分過流保護(hù)的時(shí)間延時(shí)太久而不能跳開35kV母分?jǐn)嗦菲?，造成?duì)側(cè)的線路保護(hù) II部分的先行動(dòng)作。

在此基礎(chǔ)上，提出35kV母線側(cè)過電流保護(hù)的新思路，并提出將35kV母線側(cè)過電流保護(hù)與主變的差動(dòng)保護(hù)相結(jié)合的新思路。該調(diào)整方法是將操作時(shí)間壓縮到0.2s，其調(diào)整數(shù)值是根據(jù)10kV母線或母線發(fā)生故障不動(dòng)和35kV發(fā)生故障的敏感動(dòng)作來調(diào)整的。以圖1所示母線繼電保護(hù)方式為例，當(dāng)35kV I母運(yùn)行異常后，前端110kV CH變電站會(huì)直接作出跳開動(dòng)作進(jìn)行保護(hù)，重合動(dòng)作失效后，35kV CX變電站站內(nèi)備自投設(shè)備關(guān)閉2 DL斷路器，此時(shí)35kV母分?jǐn)嗦菲髡?dòng)作，跳開3 DL斷路器進(jìn)行過流保護(hù)，確保#2主變穩(wěn)定供電。若35kV II母發(fā)生故障，對(duì)側(cè)線路保護(hù)會(huì)在0.2s內(nèi)跳開3 DL斷路器進(jìn)行母線保護(hù)，則35kV CX變電站內(nèi)#1線路會(huì)得到穩(wěn)定供電，也會(huì)避免發(fā)生全站停電故障。根據(jù)當(dāng)前35kV CX變電站單母線分段配置方式，若2號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)作用區(qū)出現(xiàn)故障，而該故障被35kV母線側(cè)的過電流保護(hù)裝置所切斷。

3.4 改進(jìn)措施成效對(duì)比

第一種改進(jìn)措施，在進(jìn)行全站主變差動(dòng)保護(hù)時(shí)，需要重新接入保護(hù)出口跳閘回路和高壓側(cè)電流互感回路，同時(shí)增加閉鎖母分備自投回路，二次回路需要進(jìn)行大量工作，且對(duì)其進(jìn)行帶載及傳動(dòng)試驗(yàn)，因此對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的理論分析；第二種改進(jìn)措施雖然采用母線保護(hù)可以快速地將其斷開，但安裝母線保護(hù)時(shí)，需要將其與各個(gè)互感器回路連接起來，而且對(duì)二次回路和調(diào)試都有較大的影響；而第三種改進(jìn)措施在35kV母分過流保護(hù)中，只要對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)即可，是最容易實(shí)施的一種方法。然而，兩種方式僅需經(jīng)受1個(gè)瞬間的短路電流，而三種方式則要經(jīng)受3個(gè)瞬間的短路電流，其所需的持續(xù)時(shí)間為0.9s（過電流II區(qū)0.5s+過電流加速區(qū)0.2s+母分過流區(qū)0.2s），明顯地對(duì)裝置造成較大的影響。

結(jié)果表明，在35kV CX變電站中，上述三種方法都可以有效地將故障區(qū)域限定在故障母線內(nèi)，從而達(dá)到防止全站停電的目的。方案一、方案二的二次電路的改進(jìn)雖然具有較大的工程和較多的測(cè)試難度，但是在出現(xiàn)故障時(shí)僅需經(jīng)受一次暫態(tài)的短路電流；方案三是最簡(jiǎn)單的一種方法，但是在最壞狀態(tài)下，仍然需要經(jīng)受3次短路的沖擊，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間為0.9s。

3.5 10kV母線運(yùn)行方式分析

在35kV CX變電站中，缺少10kV母分?jǐn)嗦菲鬟@一關(guān)鍵設(shè)備。一旦主變停電，相應(yīng)的10kV母線負(fù)載將被切斷。通常情況下，變電站都應(yīng)該配備10kV母分?jǐn)嗦菲?，并附帶?duì)應(yīng)的10kV母分備自投裝置。在第一及第二種優(yōu)化方案中，當(dāng)10kV母線分列工作時(shí)，主變電站斷電后，10kV母分備會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。其會(huì)跳開主變電站的10kV斷路器，并關(guān)閉10kV母分?jǐn)嗦菲?，這樣所在區(qū)域的負(fù)載就能重新獲得電力供應(yīng)。但是，在10kV母線并列工作的情況下，斷開故障母線主變電后，不會(huì)對(duì)相關(guān)的10kV母線產(chǎn)生任何影響。這意味著，當(dāng)35kV母線發(fā)生故障時(shí)，無論哪種情況都不會(huì)對(duì)10kV的負(fù)載造成影響。

然而，在方案三中，當(dāng)10kV母線分列工作時(shí)，10kV負(fù)載同樣需要通過10kV母分備自啟動(dòng)來恢復(fù)供電。當(dāng)10kV母線并列工作時(shí)，35kV母分過電流保護(hù)在35kV母分?jǐn)嗦菲魃系淖饔孟?，無法完全將35kV母分?jǐn)嗦菲髋c10kV母分隔開。根據(jù)圖2顯示，即使35kV母線的3DL跳閘，10kV端的線路仍然存在短路電流。因此，方案三可采用10kV母分備自投設(shè)備保障二級(jí)線路的穩(wěn)定供電。這種方式可以避免潛在的問題，確保10kV負(fù)載在各種情況下都能夠穩(wěn)定供電。

圖2 10kV母線并列運(yùn)行時(shí)的短路電流

綜上，本文所介紹的三種繼電保護(hù)均可將母線故障局限于某一節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到防止整條線路斷電的目的。第一種方法和第二種方法的實(shí)現(xiàn)工作量大、操作復(fù)雜，第三種方法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是對(duì)母線裝置的影響最多會(huì)達(dá)到3次。在實(shí)際進(jìn)行變電站母線故障處理時(shí)，可綜合考慮選出一種能最大限度保障終端變電站的供電可靠的方案。