关于站用变交流电源系统保护级差配合及开关失效事故扩大问题的探讨

胡晓霞++彭岳云

摘  要：主要讨论了站用电源系统保护级差配合，分析和探讨了从设计到现场应用的保护配置和级差配合普遍存在的问题，以期为相关工作提供参考。

关键词：站用电源系统;级差配合;越级;跳闸

中图分类号：TM774+.2            文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.010

1  案例回顾

案例1：2005-03-06，220 kV象山站生活负荷发生接地故障，交流馈线开关、交流进线开关未跳闸，站变零序过流保护越级动作跳闸#1站变，380 V备自投动作切换，因为故障仍然存在，所以，造成#2站变零序过流保护越级动作跳闸。全站交流失电后，影响了主变风冷电机，主变被迫停运，造成大面积停电。

案例2：2011-07，220 kV交椅变电站发生了馈线支路BN短路，馈线开关与站用交流进线开关未跳闸，380 V备自投零序过流保护因为整定值与站变零序过流保护不配合，接线原理为接地保护未动作。站变零序过流保护越级动作跳闸后，380 V备自投切换扩大了事故范围，使全站站用交流失电。

案例3：2012-01，110 kV罗湖变电站发生了馈线支路相间短路，馈线开关和站用交流进线开关未跳闸，站变过流保护越级动作，不闭锁380 V备自投动作切换，使全站站用交流电源失电。

2  存在的问题

该系统中存在的问题包括站变定时限过流保护与交流进线开关、主馈电开关定时限过流保护整定配合，站变零序过流保护与380 V备自投零序过流保护整定配合，备自投有效闭锁切换、动作逻辑设置不合理等，这些都直接影响了系统的运行安全。

3  解决问题的思路

针对以上问题，只有解决了开关与站变保护的级差配合，合理、有效地甄别站变过流保护、零序过流保护、380 V备自投过流保护和零序过流保护等，进而决定是否闭锁备自投。这样，当站用变压器内部出现故障时，站变保护动作就不会闭锁380 V备自投，则380 V备自投的闭锁、全站交流失电等问题就迎刃而解了;反之，对站变外部故障，采取闭锁380 V备自投，避免给系统造成更大的事故。

3.1  涉及到的解决技术

3.1.1  涉及到的380 V备自投技术

为了确保站用交流电源，主变风冷负荷、直流充电机等重要负荷要保证交流母线供电的持续性。在站变高、低压开关偷跳，站变内部故障，电源异常等情况下，备自投装置能够自动切换到备用线路，保证系统供电的连续性。

图1为备自投用电系统，工作变压器提供工作电源，备用变压器提供备用电源。在正常运行的情况下，开关1DL合，1ZKK合，2ZKK分，2DL分（冷备用）或合（热备用）。当工作电源侧发生故障时，工作电源开关1ZKK跳开，确认开关1ZKK分开后，此时，由于不存在原动力和励磁，所以，残压的幅值和频率会随时间而衰减。当母线残压小于一定值后，再合上开关2DL和2ZKK。

3.1.2  ATS开关系统的应用

交流系统采用的是ATS（Automatic Tranfer Switch）开关，与两进线一母联的接线方式相比，其优势在于：①由于ATS本身的运动、传动机械简单、紧凑，除了电气联锁外，还可以通过机械齿轮传动结构完成机械联锁功能，能有效保证系统的安全性;而两进线一母联的接线方式存在两路交流电源非同期并列的问题，目前的机械闭锁尚不能保证其有效性。②二次回路简单，方便检修，解决了传统两进线一母联由继电器等组成的复杂逻辑回路。③它能够选择多种工作模式，实现本地/远程控制。图2所示为两进线一母联的接线方式。

图1  备自投用电系统示意图       图2  两进线一母联的接线方式

3.1.3  使用电子脱扣器

如果供电系统的馈线全部采用辐射供电，与负荷距离较远，影响故障电流幅值，热磁脱扣器开关将难以快速隔离故障，因此，要实现馈线开关、进线开关与站变保护的级差配合，要求馈线开关使用定时限的电子脱扣器。

南方电网变电站大量应用ABB、施耐德等品牌交流开关，其在隔离各种故障方面的能力主要包括以下几点。

3.1.3.1  接地故障

一般配置漏电保护，带漏电保护的断路器为成熟产品。

从深圳站用交流电源发生事故的案例中可以看出，严格执行检修、生活负荷必须经带漏电保护开关接出的规定，就可以有效地解决接地故障隔离问题。

3.1.3.2  相零短路、相间短路故障

相零短路与接地故障下故障电流流经的路径是有区别的。交流开关针对的是相零短路、相间短路故障，一般配置热磁保护。热保护是双金属在受热时，因为膨胀系数不一样，弯曲推动机构，使开关断开，起到了一定的保护作用。磁保护是故障电流流经线圈产生的磁场拉动铁芯瞬间动作。

从深圳站用交流电源发生事故的案例中可以看出，由于开关热磁保护在动作值、动作时间上有一定的分散性，所以，较难利用热磁保护实现开关的级差选择性。

交流电源系统使用开关热磁保护，因为其动作值、动作时间有较大的分散性，所以，很难精确整定其相关数值，难以实现与站用变压器保护的级差配合。针对这种情况，ABB、施耐德、良信电器等品牌交流开关开发商开发出了电子脱扣式开关。电子脱扣器是用电子元件构成的电路，用来检测主电路电流，放大、推动漏电保护器动作。这就相当于在开关上做保护。因此，在设计时，应选择带定时限过流保护的电子脱扣器开关作为进线开关和主馈电开关。

图3  相零短路、相间短路故障

3.1.4  零序过流保护

站用变压器零序过流保护动作的故障可能是站用变压器的内部故障，也可能是外部故障。使用站变零序保护动作接点闭锁380 V备自投切换，将限制备自投的作用。但是，站变零序保护动作不闭锁380 V备自投切换，将导致备自投误切换后引起另一站用变压器零序过流保护越级跳闸，从而发生全站站用交流电源失电的事故。

380 V备自投装置设置零序过流保护，其采集的电流在站变以下，则判断为故障在站变之外，必须闭锁380 V备自投。在开关与站变保护失配的情况下，利用380 V备自投装置零序过流保护先于站变零序保护动作，并闭锁380 V备自投，可以有效避免事故扩大化。

380 V备自投装置零序过流保护接线方法如图4所示。

由基尔霍夫定律可知，在站变低压线圈中性点画1个圈，则（^Ia+^Ib+^Ic）=-（^In）. 即将A＼B＼C三相电流合成零序电流，其幅值与站变零序电流相等，相位相反。所以，380 V备自投装置零序电流接线方法如图5所示。

图4  380 V备自投装置零      图5  380 V备自投装置零序电流接线方法

序过流保护接线方法

前期采用A＼B＼C＼N线合成接地电流接线，与站变零序保护原理不一致，难以进行级差配合整定，需更改为正确的接线方式。现场更改方法如图6所示。

图6  正确的现场更改接线方式

将零序CT接端子一端接地，拆除N412线即可。

3.2  具体实施方案

方案1：利用断路器电子脱扣器实现有选择性地快速隔离故障，并通过精确整定，实现与站变保护的级差配合。具体的工作步骤是：①将负荷分类，采用“主馈开关+分馈开关”的设计。②站用交流进线开关和主馈电开关选用带定时限过流保护的电子脱扣器，同时，要检修电源、生活电源等馈线开关，并为其配置漏电保护。③ABB开关可选用Tmax系列的塑壳开关，电子脱扣型号为PD222DS。施耐德开关可选用NSX系列塑壳开关，电子脱扣型号5.2 A。

如果在开关隔离故障失效的情况下，可能会使系统事故扩大化，因此，先要判断故障是否为站用变压器内部故障。

从一次接线分析中可以看出，站变保护动作故障可能为站变内部故障，也可能是站变低压开关以下故障。380 V备自投装置电流采自站变以下，如果装置内部设置“定时限过流保护”“零序过流保护”，即可依据保护动作判定故障是站变外部故障，需要闭锁备自投;反之，则为站变内部故障，无需闭锁备自投。

通过以上分析可知，从站变保护拉动作接点闭锁380 V备自投是不妥当的，而应由380 V备自投装置“定时限过流保护”“零序过流保护”来判断并动作后闭锁备自投。

方案2：交流监控装置增加继电保护功能，实现选择性动作。具体的工作步骤是：①将负荷分类，采用“主馈开关+分馈开关”的设计。②站用交流进线开关选用带电子脱扣的塑壳开关。380 V备自投装置增加定时限过流保护作为交流进线开关保护备用。③主馈塑壳开关配置常规5倍脱扣的热磁保护，并利用馈线监控装置定时限过流保护，实现主馈开关与进线开关的级差配合。④终端馈线开关配置常规5倍脱扣的热磁保护，并利用馈线监控装置定时限过流保护，实现终端馈线开关与主馈开关的级差配合。

以上2种方案都涉及保护整定配合问题，下面简要阐述整定配合工作。

2011-09，在深圳供电局召开的“站用交流电源继电保护整定配合研讨会”上，以1个典型的220 kV变电站站用电系统为案例，提出了整定配合图，具体如图7所示。

图7  400 kVA站变整定配合图

保护配合整定建议主要有以下两点：①保护配合整定建议优先考虑快速切除故障。②发生故障最多的是馈线回路，馈线开关配合是关键。进线开关动作隔离后，则会增加站变保护后备的危险系数。

站用交流进线开关是级差选择的最后防线。交流进线开关除了采用电子脱扣器并将事故跳闸节点闭锁备自投以外，还在380 V备自投装置上配置了“定时限过流保护”“零序过流保护”。这样做，一方面，将380 V备自投装置“定时限过流保护”作为电子脱扣器备份;另一方面，监控装置“零序过流保护”，可以判断故障为站变外部故障，动作即闭锁备自投，避免事故扩大化。

• 实际应用

3.3.1  新建变电站

新建变电站时要注意以下几点：①进线开关、塑壳开关要

图8  新建变电站示意图

配置带定时限过流保护的电子脱扣器。②采用“馈线采用主馈电+分馈电”的设计方案，主馈电塑壳开关配置带定时限过流保护的电子脱扣器，终端馈电开关配置5倍脱扣的热磁保护。③设计站用交流进线开关事故跳闸接点闭锁380 V备自投。④在380 V备自投装置中设置零序过流保护。在开关隔离故障失效的情况下，可灵敏地实行站变保护动作并闭锁备自投。在380 V备自投装置中，设置定时限过流保护，以此作为进线开关电子脱扣器定时限过流保护后备，并动作闭锁备自投。

3.3.2  老站改造

在老站改造时，要注意以下几方面的内容：①检查站用交流进线开关是否为电子脱扣开关，如果不是，则将其更换为带定时限过流保护电子脱扣器的塑壳开关。开关的选型和整定值与新建站方案相同。②检查检修、生活负荷馈线开关是否带漏电保护，如果没有，则要求整改。③检查馈线开关热磁保护脱扣的电流是否为5倍脱扣，不是则需整改。④检查站用交流进线开关事故跳闸接点闭锁备自投接线是否正确，未接或不正确则需整改。⑤检查380 V备自投装置中是否设置零序过流保护，接线是否正确，是否具备动作定值和动作延时的整定功能。如果380 V备自投装置不符合这些要求，则要求整改。

3.4  方案验证

3.4.1  试验室测试

根据提供的ABB、施耐德、良信电器品牌开关样品和试验平台，测试方案的合理性。

3.4.2  变电站测试

在条件允许的情况下，在变电站进行实地测试。试验方案为：①检查站变保护、交流进线监控装置是否正常;②断开试验站变高压侧开关;③断开ATS与非试验站变连接的进线开关，合上ATS与试验站变连接的进线开关;④断开380 V试验母线段所有的馈线开关;⑤合上试验用馈线开关;⑥使用大电流发生器加在试验用馈线开关的下端，加载各种故障电流，模拟各种故障情况，判断试验开关的级差选择性、开关保护与交流监控保护配合和在开关失效的情况下，闭锁备自投的情况。具体情况如图9所示。

经过试验验证，改造后的保护系统能有效解决开关与站变保护的级差配合问题，并能根据各级保护装置的动作情况判断站用变压器的故障原因。如果动作均正确，则表现出良好的配合特性。

图9  变电站测试方案示意图

4  结束语

针对对站用电源系统保护级差配合的认识和研究不够全面、细致的问题，在设计系统时，保护配置和级差配合不合理的问题普遍存在，这给电网的安全运行带来了较大威胁。因此，开展站用交流电源系统开关保护和站变保护级差配合的研究学习，消除了系统运行的安全隐患，对系统的稳定运行有非常重要的意义。

〔编辑：白洁〕

Discussion on Station Accident and Failure to Protect the Differential

Transformer with AC Power System Switch to Expand Issue

Hu Xiaoxia， Peng Yueyun

Abstract： The main discussion of the station with differential power system protection， analysis and discussion from design to field applications and differential protection configuration with common problems， in order to provide a reference for related work.

Key words： station power supply system; differential tie; leapfrog; trip