500 kV主变断路器双重失灵风险分析及解决方案

杨远航，李银银，聂文峰，李本瑜，解良

（1. 云南电力调度控制中心， 昆明 650011；2. 云南电网有限责任公司普洱供电局，云南 普洱 665000）

0 前言

随着电网规模的不断加大和日益复杂的区域联网结构，维持电网的安全运行也日益困难。在超高压电力系统中，保护拒动的风险随着设备的增加而加剧，存在不能及时切除故障而导致电网失稳或大面积停电的风险。同时，变电站的建设容量不断提高，500kV变压器在超高压系统的地位极其重要[1]。因此需要相当完善的措施保证500kV变压器的安全运行。

通常，500kV主变配置两套完全独立的电气量保护和一套非电气量保护。此外，500kV变压器各侧断路器均配置失灵保护作为近后备保护[2-3]。根据南网规程，500kV母线、变压器和线路近端故障时，系统对故障极限切除时间的要求为90ms。但就目前主变的失灵逻辑来说，当500kV变电站中保护动作需要联跳三侧断路器时，若500KV主变中压侧和高压侧断路器同时拒动，即双重失灵时，只能依靠主变或线路后备保护来隔离故障，故障持续时间较长，无法满足系统和设备对故障快速切除的要求，直接威胁着电气设备的安全和电网安全稳定运行。

本文针对500kV主变断路器双重失灵保护回路进行了分析，针对可能出现双重失灵问题，结合目前的保护逻辑和回路，从保护装置改造和二次回炉改造等方面提出了三种改造方案，并对其进行分析对比。

1 500kV主变断路器失灵保护回路

1.1 主变高压侧断路器失灵保护

500kV变压器各侧的典型接线方式如图 1所示。由于3/2接线方式有较高的可靠性和运行灵活性，在500kV电压等级的一次接线中得到广泛运用。主变高压侧断路器失灵保护功能随断路器设置，在独立的断路器保护中得以实现[4]。

图1 500kV主变典型电气一次接线图

当主变差动保护动作或母差保护动作发断路器三跳动作命令后，开入高压侧边断路器（5011）和中断路器（5012）的TJR（不起重合闸起失灵）跳闸回路。断路器保护按照图 2失灵保护逻辑进行失灵判断。若5011或者5012断路器发生拒动，满足失灵保护逻辑，失灵保护动作，将进行故障隔离，跳开失灵断路器相邻的所有断路器（若5012中断路器失灵保护动作，还会向对侧发出远跳信号），同时断路器失灵保护动作接点开入主变的非电气量保护装置，联跳主变中压侧断路器和低压侧断路器[5]。主变高压侧断路器失灵保护联跳三侧回路见图 3。

图2 断路器失灵保护逻辑框图

图3 500kV主变高压侧断路器失灵联跳主变三侧回路图

1.2 主变中压侧断路器失灵保护

主变220kV侧的一次接线一般采用双母接线方式。由于中压侧断路器（201）失灵时，失灵保护的跳闸对象与母差保护动作的跳闸对象一致，故将失灵保护与母线保护装置合并，以简化二次回路和节省二次电缆。为防止保护误动，母差起失灵逻辑中设置复压闭锁。但当主变低压侧故障发三跳中压侧断路器拒动时，复压闭锁元件的灵敏度很可能达不到，因此主变保护除对母差保护装置开入起失灵动作接点外，还设置了“解除失灵保护复压闭锁”的开入信号。

以220kV母线故障为例，母差保护动作跳中压侧短路器，同时给失灵保护一个开入接点，当断路器拒动时，失灵保护起动，除跳开母联开关、主变所接母线上的其他220kV断路器外，还必须联跳主变高压侧和低压侧，目前的做法是将失灵保护动作接点开入主变非电气量保护装置。图5主变中压侧失灵保护联跳三侧二次回路接线图。

图4 220kV双母接线变压器支路断路器失灵保护逻辑图

图5 500kV主变中压侧断路器失灵联跳主变三侧回路图

1.3 失灵回路存在的问题

从前面的分析可以得到，不管500kV主变高压侧还是中压断路器发生拒动，失灵保护动作联跳主变其他两侧的普遍做法是，将失灵保护动作接点开入主变非电气量保护，从而联跳主变三侧，得以完全隔离故障。根据目前的规程，主变非电气量保护动作时，保护动作接点接入断路器的TJF（不起重合闸不起失灵）跳闸回路。这是因为当变压器内部气压、油温等引起的非电气量动作，主变各侧故障电流的变化可能不大，在实际运行中，若起动失灵保护则容易误动，可能会导致事故范围的扩大，故非电气量保护不起失灵。

因此，当高压侧母线（I母）故障边断路器（5011）拒动、同串500kV线路故障中断路器（5012）拒动或者中压侧母线故障中压侧断路器（201）拒动时，失灵保护动作，非电气量保护联跳其他侧时，若此时再发生其他侧断路器拒动，不能起失灵，只能依靠主变或线路后备保护来切除故障，延时较长，可能会损坏变压器或引发火灾，扩大停电范围，甚至可能导致电力系统崩溃瓦解。

图6 500kV主变失灵联跳回路图

2 双重失灵解决方案

针对上述500kV 主变高压侧短路器或中压侧断路器发生双重失灵无法快切的问题，本文从装置改造、二次回路设计等方面提出三种解决方案，下面进行一一介绍。

2.1 非电气量保护装置改造

在非电气量保护装置中增加跳闸继电器和跳闸出口，区分主变内部油温高、绕组温度高、重瓦斯等引起的非电气量保护和失灵保护开入，如图 7。当非电气量保护动作时，为防止失灵保护误动，通过TJF接点跳闸，不起失灵。当失灵保护开入非电气量保护装置跳三侧时，保护装置通过TJR接点跳各侧断路器，并起动失灵，若其他侧再次发生断路器拒动时，可通过失灵保护快速隔离故障。

2.2 失灵保护动作直跳主变三侧断路器

不通过非电气量出口联跳三侧断路器，采用保护直跳方式，将断路器失灵保护跳闸接点至三侧断路器操作箱TJR接点，如图 8所示，断路器失灵时，通过各侧断路器操作箱TJR接点启动其他侧失灵；接线调整后，在主变开关双失灵的情况下，各侧失灵均能有效起动，并快速切除故障。

图7 方案1——非电气量保护装置改造示意图

图8 方案2——失灵保护动作直跳主变三侧断路器示意图

2.3 电气量保护装置取代非电气量保护装置

失灵保护动作后，动作接点不开入至非电气量保护装置，而是通过电气量保护装置完成三侧跳闸，如图9。电气量保护动作本身已接入断路器操作箱TJR接点，跳三侧的同时起各侧失灵，若其他侧再次发生断路器失灵，失灵保护再次动作，从而快速隔离拒动断路器和故障。

图9 方案3——电气量保护装置取代非电气量保护装置示意图

3 方案对比

上述三种方案分别从保护装置和二次回路上进行改造，均可解决主变断路器双重失灵问题。从二次回路接线来说，方案1中对装置进行改造的同时，增加了非电量保护装置到各侧断路器TJR跳闸的开入。方案2采用直跳方式，虽然减少了从失灵保护装置到非电气量保护装置的接线，但是增加了到三侧断路器的接线，二次回路更为复杂。方案3中用主变电气量保护装置取代非电气量保护装置，虽然增加了一台保护装置，仅仅增加了一组断路器保护动作到电气量保护装置的开入。

由于方案2采用较为原始的方式，导致二次回路接线繁多，增加了二次回路的工作难度和风险，可靠性较差。方案3回路变化不大，同时将母差失灵保护和断路器保护动作接入主变电气量保护的A、B柜中，实现了失灵保护联跳三侧的双重化配置，可靠性高。

此外，在改造难易度上，方案1需要在主变非电气量保护装置中配置新插件和更新保护程序，甚至更换一整套非电气量保护装置。方案2中二次回路的接线较为复杂。方案3只需对保护软件进行升级，加入失灵保护开入判断逻辑，较易实现。

综上，方案3在不更换装置或插件的同时，维持现有二次回路接线的基本不变，同时实现了失灵保护联跳三侧的双重化配置，相对其他两种方案较好。

4 结束语

本文就500kV主变断路器失灵保护回路进行了分析，指出了现有保护存在双重失灵不能及时切除故障的风险，无法满足系统和设备对故障快速切除的要求，对主设备安全和电网稳定运行存在较大威胁，并在现有保护回路上，提出三种改进方案。通过对三种方案进行分析对比，指出方案3，即失灵保护通过主变电气量保护装置联跳主变三侧，二次回路接线较简单，可靠性高，同时实现较为容易。