一例220 kV变电站二次综合事故分析

敖非，梁文武，洪权，沈杨

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

一例220 kV变电站二次综合事故分析

敖非，梁文武，洪权，沈杨

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

Comprehensive analysis on an secondary comprehensive accident for 220 kV substation

通过一例220 kV变电站大范围停电事故，深入分析直流蓄电池“虚开”缺陷，并提出相应的防范解决措施，具有一定的实际应用价值，有助于避免类似事故的发生。

蓄电池；直流系统；虚开；防范解决措施

直流电源系统在变电站的供电系统当中有着极其重要的作用，蓄电池组又是直流电源系统的核心，其性能和可靠性对变电站的整个供电系统的正常工作有着直接的影响〔1〕。一旦蓄电池组存在隐患、不能正常工作，将会随时危及变电站和电网系统的安全运行。文中通过对一起220 kV变电站直流电源系统故障引起的大范围停电事件的分析，引出对蓄电池故障现象的探讨，并提出具体措施。

1 事故概况

1.1 运行方式简介

事故220 kV变电站简化电气主接线如图1所示，2台主变并列运行，1号主变中性点接地，220 kVⅠ，Ⅱ母线各带3条220kV线路运行；1号站用变接于10 kVⅠ母带全站站用负荷，2号站用变接于10 kVⅡ母热备用，380 V采用进线备投。

图1 站内一次接线示意图

1.2 事故经过介绍

本次事故共分为两个阶段:第一阶段，2015年6月16日09时37分，110 kV 516线路间隔户外电缆终端头A相接地故障跳闸，引起220 kV 602，608，614线路连锁跳闸；第二阶段，11时43分110 kV GIS室设备故障冒浓烟，1号主变及110 kVⅠ母跳闸，全站站用变和直流电源系统全部失电，后通过手动倒换站用变恢复全站站用负荷及直流供电。

2 事故原因分析

2.1 第一阶段事故分析

第一阶段事故由516线户外电缆终端头A相接地故障引起，516线路故障发生后17.7 ms，516线路保护动作出口，90 ms将故障切除。

2.1.1 保护动作原因分析

跳闸线路602，608，614均接于220 kVⅡ母运行，并且均只有B套保护动作，A套保护没有动作；而另3条接于220 kVⅠ母运行的线路未跳闸。

通过故障录波和线路保护装置动作报告，发现516故障发生后400 ms左右220 kVⅡ母TV三相电压消失，约4.3 s后Ⅱ母TV三相电压恢复，Ⅰ母TV A，B相二次电压也与Ⅱ母电压基本同时消失约4.3 s，但Ⅰ母C相电压只消失约280 ms。

跳闸的220 kV线路B套保护涉及三个厂家，通过查看说明书及咨询厂家，对三条线路跳闸原因进行了分析。在TV二次电压消失前，516线路户外电缆终端头处故障对220 kV线路保护属于反向区外故障，距离保护均可靠不动作。516间隔故障后，220 kV线路保护已启动进入故障判别流程，此时由于保护TV二次电压消失，距离计算阻抗基本为0，从而落到了阻抗平面的原点位置而满足了220 kV线路保护距离后备段的动作条件。因此，挂在Ⅱ母上的3条220 kV线路保护B套正确动作。

A套保护未动作的原因:通过对220 kV线路、母差等保护装置记录进行检查，发现各元件A套保护在此次故障期间普遍出现重启或自检报文记录，而B套保护故障期间基本上处于正常运行状态，且跳闸的220 kV线路保护装置A套均无动作记录，都是由B套保护动作跳闸。因此推测，直流Ⅰ段失电保护装置掉电造成A套保护没有动作。

接Ⅰ母运行的3条220 kV线路没有跳闸的原因:相间距离保护采用正序电压作为极化电压，而Ⅰ母C相二次电压消失时间只有约280 ms，因此正序电压也只消失约280 ms，该时间较距离Ⅱ段和Ⅲ段动作时间短，不满足动作延时而未出口。

同时，现场通过对608间隔两套线路保护进行故障录波回放试验重现事故时的状态，2套保护装置在使用Ⅰ母电压进行故障回放时均不动作，而使用Ⅱ母电压进行故障回放时均动作，试验结果与事故发生时保护动作情况完全一致。

2.1.2 保护TV三相电压消失原因分析

220 kV TV并列屏电压Ⅰ母、Ⅱ母两组母线二次电压分别通过各自TV隔刀辅助接点重动实现二次电压隔离，Ⅰ母切换、Ⅱ母切换及TV并列重动继电器均接自同一路直流电源，现场检查确认为直流Ⅰ段电源。当第一段直流母线失电后，两组电压切换继电器均返回，其常开接点也相应断开，因此电压二次回路被断开，导致TV二次电压消失现象。

除Ⅰ母C相电压消失时间约280 ms外，Ⅰ，Ⅱ母其他电压消失时间均为4.3 s左右，由于母线TV公用屏不能退出运行，因此无法对切换继电器进行检查试验，推测Ⅰ母C相二次电压因继电器接点卡涩等导致节点动作情况与其他接点不同步。

2.1.3 直流Ⅰ段母线失电原因分析

根据之前保护电压消失现象推断第一段直流母线在此次事故发生400 ms左右开始失压约4.3 s，而直流Ⅱ段母线在此期间基本正常。事故前由1号站用变带全站站用负荷，2号站用变热备用。使用DDRTS根据站内一次设备运行方式和基本参数进行故障仿真，在516线路故障时刻直流电源充电机的交流输入，即站用380 V交流电源A相电压跌至38 V左右，而且此时充电机的两路380 V交流输入均由1号站用变供电，两路交流输入均出现异常。通过翻阅直流充电机说明书、咨询厂家及现场使用调压器和负载箱模拟故障情况进行试验验证:当充电机交流输入单相大幅降低时充电机会闭锁充电模块停止输出，待输入电压恢复正常后充电装置约4～5 s恢复正常输出。正常情况下充电机闭锁输出后应由直流蓄电池继续供电，事故发生后现场对蓄电池进行检测发现Ⅰ号蓄电池组单体49号和69号蓄电池已经开路，查阅2015年1月此组蓄电池内阻测试数据发现故障蓄电池组多只单体电池内阻值异常，特别是49号单体内阻值明显偏大，表明此蓄电池组存在“虚开”现象，因此直流Ⅰ段母线在Ⅰ号充电机闭锁后带上大负荷，“虚开”蓄电池中极柱下发已被腐蚀、老化开裂的汇流排在大电流的冲击下断裂造成开路而失压；查阅相关试验报告数据，Ⅱ号直流蓄电池组同样存在“虚开”现象，但运行状况比Ⅰ号蓄电池组稍好，且所带直流负荷比直流Ⅰ段偏小，因此Ⅱ号蓄电池组在Ⅱ号充电机闭锁的4.3 s内短暂支撑起了直流Ⅱ段所带负荷。

两组蓄电池的2014年核容和2015年1月内阻测试报告中，Ⅰ号蓄电池容量测试仅为50%，Ⅱ号蓄电池容量仅为70%，内阻测试报告中两组蓄电池的内阻测试值都不平均且个别单体蓄电池内阻明显偏大，与厂家提供的出厂内阻值和蓄电池新安装后第一次内阻测试值、前一次内阻测试值进行比较，蓄电池内阻变化趋势明显异常，个别蓄电池近一年内阻增大趋势明显，明显存在内部虚开隐患。运维人员对在内阻测试中发现有超出平均值20%～50%的电池时，未尽快安排蓄电池组容量核对性试验，根据核容结果安排大修、技改或应急措施；对内阻超出平均值100%的单体电池，也未立即采取退出该故障电池的方法应急处理。

2.2 第二阶段事故分析

第二阶段故障点位于110 kV GIS内部，事故发生时110 kV GIS室冒出黑色浓烟，故障发生后1号主变保护与110 kVⅠ母母差保护动作，将1号主变三侧开关、110 kV母联500及接于110 kVⅠ母运行的504(热备用)，506，518，522线路切除。

由于1号站用变带全部站用负荷，因此1号主变跳闸后1号站用变失电，导致2套直流充电机交流输入失电停止输出，需靠2组直流蓄电池带全站直流负荷，但Ⅰ号蓄电池组在第一阶段故障时已完全开路，事故后Ⅱ号蓄电池组的内阻测试结果表明1号和75号单体蓄电池开路，说明Ⅱ号蓄电池组在第二阶段故障时，本来已存在虚开现象的单体蓄电池，在经受2次蓄电池带全站直流负荷造成的大电流冲击后发生开路，导致全站直流母线失压。第二阶段故障导致全站直流失压时，事故调查人员在直流母线失压后的前几分钟发现第2组直流馈线屏电源指示灯存在反复闪烁情况，也证明Ⅱ号蓄电池组原本存在“虚开”现象，在持续直流大电流冲击下再导致Ⅱ号蓄电池完全开路。

110 kV母差保护只点亮动作灯但无动作报文是因为母差保护动作后直流掉电，因此装置未来得及记录此次动作报文。

2.3 站用380 V失压备自投未动作的原因

第2次故障1号主变跳闸导致全站站用负荷失电，由于此次故障后2组蓄电池均开路造成全站直流失电，导致站用变低压备自投装置失电，此时虽然2号站用变处于热备用状态，也无法将站用电源自动切换到2号站用变，只能靠手动切换电源。

3 事故结论

第一阶段516 A相接地故障后，引起站用380 V交流输入低电压，因Ⅰ号充电机的两路交流输入此时均由1号站用变带，充电机交流输入异常后引起输出闭锁，而Ⅰ号蓄电池组存在开路导致直流Ⅰ段母线失压。直流Ⅰ段失压后造成TV切换屏失电，保护用母线电压失压，从而满足了距离保护后备段的动作条件，保护正确动作。第二阶段110 kV GIS故障位置在510开关室，处于1号主变保护和110 kVⅠ母母差保护的重叠区，所以主变及母差保护正确动作。事故导致全站直流失电是因为2台充电机失去交流输入后输出闭锁，而两组直流蓄电池均开路，致两组直流段都失压。

本次事故扩大的根本原因:一是事故时380 V站用电采用的是进线备投的方式，负荷均由1号站用电带，导致充电机的两路交流输入电源同源，同时出现异常，充电机的两路交流输入切换功能就失去了意义；二是两组直流蓄电池运行状况较差，存在虚开的现象，蓄电池切换到运行状态后在负荷电流的冲击下出现开路而引起直流电源系统失电。

4 改进措施及建议

4.1 规范电源接取

应对站用电的运行方式进行优化，保证正常情况下两台站用变分别由2台主变供电且分列运行，提供两路不同源的380 V交流电源。

4.2 加强蓄电池测试

1)重视蓄电池核对性充放电试验。严格按照文献〔2〕:“5.1.2.8新安装的阀控密封蓄电池组，应进行全核对性放电试验。以后每隔二年进行一次核对性放电试验。运行了四年以后的蓄电池组，每年做一次核对性放电试验”的要求试验周期开展蓄电池核对性放电试验，进行100%的全容量核对性放电，以便及时发现蓄电池深层次的缺陷，同时可对落后蓄电池起到活化的作用。

2)加强单体蓄电池内阻测试。应定期对蓄电池进行内阻测量，220 kV变电站宜每季度开展一次，110 kV变电站宜每半年开展一次，老旧、问题蓄电池组应加强测试，测试数据需与出厂内阻值、新安装后第一次内阻测试值、前一次内阻测试值进行比较。特别对于测试中内阻测试仪告警，提示“请检查电池夹连接”或无法进行测试的单体蓄电池应引起警示，仔细核对其近期测试的相关数据，与其他单体蓄电池浮充电压数据进行比对，看是否存在较大偏差。同时将监控装置转均充状态，测量其异常蓄电池的均充时端电压，确定异常蓄电池是否存在内部虚开路现象。对于投运年限大于10年的蓄电池应重点关注。

3)应结合全面巡视或专业巡视，对蓄电池组开展红外测温，每年至少2次，测试时应将监控装置转均充状态进行，检查红外图谱是否存在单点过热现象，防止蓄电池内部开路。

4.3 加大老旧问题设备改造力度

在大修技改计划中加强对老旧、问题直流电源设备的改造力度。严格参照文献〔3－5〕加快对老旧、技术落后、缺陷频发的充电装置、蓄电池及其他主要元器件的直流电源设备进行更换或修理。同时结合110 kV及以上电压等级变电站直流电源系统试验和状态评价情况，重点对在运超过10年，和蓄电池组容量不足80%，以及内阻值超标的单体蓄电池数量达到整组20%的蓄电池组进行改造更换，特别是厂家已倒闭或已无备品备件的直流电源系统，应尽快组织改造。

4.4 做好应急处理

1)对于测试数据异常单体蓄电池应立即制定方案退出单体异常电池，对于整组蓄电池试验数据不合格的及时进行更换。

2)应加强备品备件和应急设备的管理，特别是加强对直流应急设备如备用直流蓄电池及便携式直流充电机的配置及日常维护，便于在直流电源设备出现异常时，能安全、迅速的完成应急处理。

〔1〕黄森炯，王晓，王晴.一起因蓄电池故障造成继电保护越级跳闸事故的分析〔J〕.电气自动化，2012，34(6):39-41.

〔2〕国家电网生国家电网公司十八项电网重大反事故措施:国家电网〔2012〕352号〔Z〕.2012.

〔3〕国家电网公司.变电站直流系统状态检修导则:Q/GDW606—2011〔S〕.北京:中国电力出版社，2011.

〔4〕国家电网公司直流电源系统运行规范:国家电网生计〔2005〕172号〔Z〕.2005.

〔5〕中华人民共和国国家发展和改革委员会.电力工程直流系统设计技术规程:DL/T 5044—2004〔S〕.北京:中国电力出版社，2004.

TM642

B

1008-0198(2016)05-0086-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.024

敖非(1983)，男，硕士，工程师，研究方向为电力系统继电保护及自动化技术、直流电源系统技术。

梁文武(1983)，男，硕士，助理工程师，研究方向为电力系统继电保护技术。

洪权(1987)，男，硕士，工程师，研究方向为电力系统自动化技术。

沈杨(1985)，女，本科，助理工程师，研究方向为电力系统继电保护技术。

2015-10-26 改回日期:2015-11-19