关于变电站交流系统改造后存在的运行隐患分析及处理

广东电网有限责任公司中山供电局 罗志恒 陈年蔚 黄永东 曾红英 李晓丹

电力变电站的交流系统是电力系统中的重要组成部分，需要时刻保持正常的运转状态。近年来，为了提高电力变电站的运行效率和安全性，应防范交流系统火灾隐患的反事故措施要求，交流系统保护必须具备接地保护功能，新型交流馈线柜应新规定要求已经开始在电力变电站中使用，较旧式交流母线不同之处在于新交流母线和馈线空气开关之间，增加了主馈线断路器。

交流馈线柜级差由2级：馈线空气开关、进线断路器（熔断器），更改为3级：馈线空气开关、主馈线断路器、进线断路器。通常情况下8至10个馈线空气开关经一个主馈线断路器连接至交流母线，一段交流母线一般搭配2至3个主馈线断路器。主馈线断路器相较于馈线空气开关，主要是增加了接地保护功能，馈线空气开关仅具备过载、大电流冲击脱扣功能，在负荷侧发生金属性接地故障时无法动作切断电源，当接地点持续高热便极有可能引发火灾事故，或者接地故障引起进线断路器跳闸形成越级跳闸，扩大事故停电范围，因此交流系统需要增加主馈线断路器形成阶段性的接地保护功能[1]。

然而，随着电力变电站的发展和技术的进步，新型交流馈线柜的使用也存在一些问题。例如，当直流充电柜的充电模块使用的是单相交流电源时，可能导致负载三相不平衡，在充电机对刚放完电的蓄电池组充电时，可能会产生极大的不平衡电流冲击，从而导致主馈线断路器跳闸。

1 隐患分析

在某110kV 变电站综合自动化改造项目中，交流系统需整套更换，当前已完成了新交流系统的单机验收，站用变低压侧交流进线电缆也已转接至新交流系统，但由于全站交流负荷尚未转移，因此从新交流系统进线侧跳两路临时进线电缆供旧交流系统运行，待负荷迁移完成后拆除。

某日工作班成员监督施工单位完成新、旧交流系统负荷迁移工作，当时新、旧交流系统均带电运行中，直流系统的#1直流充电柜的交流电源使用第二路交流电源主供电状态，第二路交流电源取自旧交流系统，第一路交流电源已转移至新交流系统中，处于备用状态。如图1所示，其中11JK、21JK 为主馈线断路器，1QF8、2QF8为直流充电柜在交流系统中的馈线空气开关。

图1 新旧交流系统负荷迁移时接线方式

图2 直流充电柜的充电模块使用单相交流电源截图

图3 直流充电柜交流电源负荷接入前新交流系统负荷状态

施工单位确认以上两路交流电源均正常后，将#1直流充电柜的交流电源切换至第一路交流电源主供电，停用第二路准备实施#1直流充电柜的第二路交流电源转移至新交流系统，此时监督人员发现新交流系统I 段交流母线总负荷增大且变得更加不均衡（#1直流充电柜的交流负荷转为第一路交流电源主供电，第一路交流电源取自新交流系统I 段交流母线），在#1交流进线柜观察到负荷转移前新交流系统I 段母线总负荷电流A 相15.4A，B 相20.6A，C 相5.5A，增大后变为：A 相21.9A，B 相23.7A，C 相8.6A，即A 相增加了6.5A，B 相增加了3.1A，C 相增加了3.1A。

出于过往工作经验总结，直流系统的充电模块使用三相交流输入，因此三相电流必定是平衡的，察觉到三相负荷变化并不均衡后，验收人员第一时间认为存在寄生回路[2]，暂停了施工现场，并且与运行人员、施工单位一同检查了#1直流充电柜的交流回路，检查结果如下。

该110kV 变电站直流系统的充电模块使用的是单相交流电源供电，共4台110V AC/DC 充电模块。110V 充电模块交流电源相别使用情况分别是#0模块使用A 相电源，负载为3.3A，#1模块使用B 相电源，负载3.1A，#2模块使用C 相电源，负载3.1A，#3模块使用A 相电源，负载3.3A，即共计A 相电流6.5A，B 相3.1A，C 相3.1A。对比新交流系统的负荷变化情况吻合，不存在寄生回路。

新交流系统的主馈线断路器具备接地电流保护定值[3]见表1。Ig=0.2×IN=0.2×250=50A，经厂家确认若不平衡电流通常高于50% Ig 即满足动作条件[4]，即不平衡电流最低达25A 时可能保护动作（见表2）。

表1 主馈线断路器定值单

表2 主馈线断路器说明书保护动作特性

常态下，#1直流充电柜（2K）所在的主馈线断路器负载已不均衡，在直流充电柜的交流电源负荷接入前，主馈线断路器负荷电流A 相7.42A，B 相3.58A，C 相3.92A，若充电柜需要对刚完成放电的蓄电池组进行充电，启动电流极大，由于充电模块是单相交流供电且并不能保证4台充电模块同步投入工作，同时各模块输出直流电压存在差异，从而导致每台输入电流大小并不一致。按额定电流算，单台充电模块输出电流20A，输出功率110V×20A=2200W，效率90%，输入功率=2200W/0.9=2444W，输入电流2444W/220V= 11.11A，算上标准允许最大1.5倍过流，单台充电模块交流输入峰值=11.11×1.5= 16.67A，假设极端条件下A 相交流先投入启动，即能达到16.67A×2=33.33A 的不平衡电流，因此在极端条件下充电模块的启动冲击电流已经可能引起主馈线断路器的接地电流保护误动作，考虑到后期该主馈线断路器仍有可能增加单相负载，不平衡电流只会进一步增大，该主馈线断路器误动作跳闸风险进一步增加。

另外，直流充电柜的两路交流电源具备自动切换功能[5]，此两路交流电源分别取自Ⅰ、Ⅱ段交流母线，都经过具备接地保护的主馈线断路器且动作定值相同，如果发生主馈线断路器跳闸导致直流充电柜的一路交流电源失压，必然使其切换至另一路交流电源供电，那么另一段交流母线的主馈线断路器便会因为同样的原因再次发生跳闸，最终导致两个主馈线断路器的下级负载全部失压，扩大了事故范围。

鉴于充电柜的交流电源存在三相负载不均衡，考虑到极端条件下，充电模块在投向刚完成核容试验的蓄电池组供电时，会产生极大的冲击电流从而有可能引起主馈线断路器误动作，建议采取以下整改措施。

一是对于直流系统，应尽可能保证其交流电源三相负载平衡，具体做法是检查站内直流负荷，是否满足关闭一台充电模块，充电机总输出容量仍能满足站内直流总负荷及蓄电池组需要的条件，若满足则关闭#3充电模块（使用A 相交流电源）以平衡负载。

二是从交流系统的馈线负荷分配方面需要重新规划，考虑到充电模块单相交流电源启动导致的不平衡电流较大，应降低其交流电源所属的交流主馈线断路器的不平衡电流。为避免引起主馈线断路器保护误动，将使用单相电源或三相负载不均衡的，与充电机柜交流电源属同一主馈线断路器的交流负载，申请转移至其他主馈线断路器之下。

三是申请将充电柜的交流电源上级的主馈线断路器的不平衡电流保护定值Ig 调整至0.4IN，为不平衡负载保留足够冗余度，但必须考虑到交流进线柜的进线断路器，乃至接地变低压侧不平衡电流保护定值的极差配合，必要时做相应修改。

2 总结

随着变电站内应用设备的不断升级和改造，各类系统所使用的保护功能越来越完善，使得变电站的运行更加可靠、安全，同时保护原理、接线结构上也越来越复杂。但是，在使用这些新设备时也会面临一些挑战。首先，由于设备上的改动会引发“蝴蝶效应”，在验收过程中必须敏锐地找到其关键点，工作人员需要接受必要的培训以适应变化，需要更深入地了解设备特性和注意事项，以确保其能够正常使用。

此外，新设备的联动影响可能会对上下级设备产生意想不到的负面影响，导致过去不存在的运行隐患，在处理新设备的安装和维护时，需要密切关注其运行状态和异常情况，并采取适当的措施来解决问题。在检查和维护变电站时，还需要对各种设备进行全面的检查和测试，以确保其能够长期稳定地运行。

总之，随着变电站应用设备不断升级改造，必须充分认识到新设备会产生的影响，并采取相应的措施来应对这些挑战。只有这样，才能更好地保证电力事业的发展和供电质量。