35kV单母线分段变电站母线故障处理

国网江苏省电力有限公司南京市溧水区供电分公司 张乔悦

1 35kV单母线分段变电站全停故障

1.1 故障前运行方式

某公司35kV CX变电站采用如图1所示单母线分段接线方式，由于未特别设置母线保护，当发生35kV母线故障时，无可动作快速保护装置，须依靠侧变电站线路保护对故障进行隔绝。该种设置方式导致目前设备在线路故障中被短路电流反复冲击，并引发一场全站停电事故。该变电站分别连接一个110kV CH变电站和一个220kV XJ变电站，其中110kV CH变电站与故障变电站之间以11 DL断路器和#1进线连接，220kV XJ变电站与故障变电站之间以12DL断路器和#2进线连接。故障发生前，连接220kV XJ的12 DL断路器处于闭合运行状态，故障变电站内2 DL断路器处于断开未运行状态，35kV母分断路器3 DL处于闭合运行状态。

图1 35kV CX变电站故障前运行方式

1.2 继电保护情况

在110kV CH变电站的出线1，设置三级的三相一次重合闸，并设置操作出口跳闸断路器11 DL；在220kV XJ变电站的输出2中，设置具有三相一次重合闸的三级相距保护，并在其操作的输出端跳闸断路器12 DL中给出其设置的详细数值。35kV CX变电站应用地区内较为广泛的继电保护配置形式，见表1。

表1 35kV CX变电站继电保护形式

由于35kV CX变电站为终端变电站，未曾在两端设置进线保护装置，也未能应用专门装置保护母线安全[1]。除此之外，35kV侧配备了备用电源自动投入设备（以下简称“备自投”），在全站停电故障发生前，该备自投一时限5.0s跳1 DL，二时限1.0s合2 DL，且所有保护及备自投设备都处于运行状态[2]。

1.3 故障经过概述

某晚35kV CX变电站发生全所失电故障，发生时间约为21点49分，值班人员在现场检测时记录变电站内各继电保护设备状态如下：2 DL和3 DL断路器闭合，1 DL断路器分位，35kV断路器柜内Ⅰ段母线铜排损坏，同时发现110kV CH变电站和220kV XJ变电站与35kV CX变电站进线端的连接断路器处于分位状态。

2 继电保护及备自投动作分析

结合35kV CX变电站停电故障发生时继电保护和备自投动作报文记录可知，故障发生前各设备动作信息见表2、表3。

表2 CH变电站继电保护和备自投动作报文

表3 XJ变电站继电保护动作报文

经现场勘查，发现CX变电站35kV I段母线出现两相短路，1 DL断路器母线侧静触头损坏较大。因为在这一侧没有设置母线保护，所以只有依靠对侧110kV CH变电站的线路1的过流II段保护动作，才能跳开11 DL断路器[3]。在该情况下，保护操作记录显示短路电流为25.44A，按照600/5变比换算后其值为3.05kA；因本次全站停电故障属持续故障，设备无法自行恢复保护，因此电闸无法重新闭合，过流加速段再次跳开11 DL，使CH变电站对端的保护动作终止。

由于11 DL未能重新闭合，导致35kV CX变电站两侧母线全部失压，35kV CX变电站内备自投设备自动跳开，于是在21:47:57.436，1 DL跳开，2 DL闭合，但此时初始故障仍未被消除，导致故障电流重新产生，前端220kV XJ变电站12 DL断路器二次跳开，这一动作发生后，35kV CX变电站彻底整体停电。通过对本次变电站全停电故障各设备动作报文记录可以看出，故障过程中变电站节点保护与备自投都是正常的。

3 35kV母线故障的预防方式优化

3.1 母线故障现象保护措施

根据本市现行35kV单母线分段变电站的继电保护装置，35kV母线自身无专用保护，当母线发生故障时，必须依赖对侧变电站的线路保护动作，该35kV CX变电站的母线继电保护配置方式符合该市现行要求，只能依靠对侧变电站的线路保护动作进行故障隔离。在运行中，当发生4次短路时，会对母线上的设备造成4次持续的冲击，最后造成整个变电站的失电。35kV母线分段断路器过流保护是在与主变备用保护相匹配的情况下进行调试的，其工作时间为1.1s，远大于对侧线路保护Ⅱ段的动作时限（0.5s），实际不能有效地保护母线。

3.2 优化方案

通过以上的分析，可以看出，在某一段母线发生故障时，造成整个变电站完全停止的主要因素是，当前本站没有能够迅速启动35kV母分断路器的保护，不能将故障的范围限制在故障段。这样，仅有的一条母线发生故障，就会导致整个变电站的全部停电。针对电力系统中的母线故障特征及继电保护的工作特征，本文提出三种优化保护效果的措施。

3.2.1 主变差动保护范围包含35kV母线

方案一是将主变的差动保护扩展到35kV母线的保护。此方案的保护原则与内桥式变电站相同，也就是在母线发生故障时，主变差动保护的出口跳主变三侧断路器，如在图1中所示，1号主变差动保护的输出端跳入1 DL断路器，3 DL断路器，1号主变10kV侧断路器。在本次变电站失电故障发生后，#1主变差动保护动作发生时间早于前端110kV CH变电站，所以三侧断路器会因差动保护动作作用跳开，#2进线供电正常。在确保2号主变电安全的前提下，可有效地降低短路电流的脉动频率，从而使2号主变供电安全可靠，不会造成全厂停电。若本次故障出现在35kV II母位置，三侧断路器也会因差动保护动作作用跳开，#1进线供电正常，变电站主变正常供电，则本次全站停电事故不会发生。为防止35kV母线分相操作备自投合于故障母线，必须使母分备自投同步闭锁。

3.2.2 35kV母线加装母线保护

方案二：在35kV母线上安装母线保护，在35kV I母发生故障时，母线保护会立即跳出1 DL。3 DL与1号主变高压侧断路器，进入备用断路器关闭2 DL，2号主变重新开始供电。如果在35kV II母中出现故障，那么，在母线保护的作用下，会立即跳出3 DL和#2主变的高压侧断路器，以确保#1主变的正常供电而不会出现全所的停电。与第一种方法相同，在母线保护的动作过程中，母分断路器备自投闭锁也要被关闭。

3.2.3 35kV母分流保护优化

当前，35kV过流保护的整定模式是与主变后备保护相结合，用作主变的远备用保护，对侧线路的III段保护与母分过流保护相结合，两种保护的操作时间各有一个级差0.3s。当35kV母线发生故障后，由于母分过流保护的时间延时太久而不能跳开35kV母分断路器，造成对侧的线路保护 II部分的先行动作。

在此基础上，提出35kV母线侧过电流保护的新思路，并提出将35kV母线侧过电流保护与主变的差动保护相结合的新思路。该调整方法是将操作时间压缩到0.2s，其调整数值是根据10kV母线或母线发生故障不动和35kV发生故障的敏感动作来调整的。以图1所示母线继电保护方式为例，当35kV I母运行异常后，前端110kV CH变电站会直接作出跳开动作进行保护，重合动作失效后，35kV CX变电站站内备自投设备关闭2 DL断路器，此时35kV母分断路器正常动作，跳开3 DL断路器进行过流保护，确保#2主变稳定供电。若35kV II母发生故障，对侧线路保护会在0.2s内跳开3 DL断路器进行母线保护，则35kV CX变电站内#1线路会得到稳定供电，也会避免发生全站停电故障。根据当前35kV CX变电站单母线分段配置方式，若2号主变差动保护作用区出现故障，而该故障被35kV母线侧的过电流保护装置所切断。

3.4 改进措施成效对比

第一种改进措施，在进行全站主变差动保护时，需要重新接入保护出口跳闸回路和高压侧电流互感回路，同时增加闭锁母分备自投回路，二次回路需要进行大量工作，且对其进行带载及传动试验，因此对其进行详细的理论分析；第二种改进措施虽然采用母线保护可以快速地将其断开，但安装母线保护时，需要将其与各个互感器回路连接起来，而且对二次回路和调试都有较大的影响；而第三种改进措施在35kV母分过流保护中，只要对其进行调节即可，是最容易实施的一种方法。然而，两种方式仅需经受1个瞬间的短路电流，而三种方式则要经受3个瞬间的短路电流，其所需的持续时间为0.9s（过电流II区0.5s+过电流加速区0.2s+母分过流区0.2s），明显地对装置造成较大的影响。

结果表明，在35kV CX变电站中，上述三种方法都可以有效地将故障区域限定在故障母线内，从而达到防止全站停电的目的。方案一、方案二的二次电路的改进虽然具有较大的工程和较多的测试难度，但是在出现故障时仅需经受一次暂态的短路电流；方案三是最简单的一种方法，但是在最坏状态下，仍然需要经受3次短路的冲击，整个过程持续时间为0.9s。

3.5 10kV母线运行方式分析

在35kV CX变电站中，缺少10kV母分断路器这一关键设备。一旦主变停电，相应的10kV母线负载将被切断。通常情况下，变电站都应该配备10kV母分断路器，并附带对应的10kV母分备自投装置。在第一及第二种优化方案中，当10kV母线分列工作时，主变电站断电后，10kV母分备会自动启动。其会跳开主变电站的10kV断路器，并关闭10kV母分断路器，这样所在区域的负载就能重新获得电力供应。但是，在10kV母线并列工作的情况下，断开故障母线主变电后，不会对相关的10kV母线产生任何影响。这意味着，当35kV母线发生故障时，无论哪种情况都不会对10kV的负载造成影响。

然而，在方案三中，当10kV母线分列工作时，10kV负载同样需要通过10kV母分备自启动来恢复供电。当10kV母线并列工作时，35kV母分过电流保护在35kV母分断路器上的作用下，无法完全将35kV母分断路器与10kV母分隔开。根据图2显示，即使35kV母线的3DL跳闸，10kV端的线路仍然存在短路电流。因此，方案三可采用10kV母分备自投设备保障二级线路的稳定供电。这种方式可以避免潜在的问题，确保10kV负载在各种情况下都能够稳定供电。

图2 10kV母线并列运行时的短路电流

综上，本文所介绍的三种继电保护均可将母线故障局限于某一节点，以达到防止整条线路断电的目的。第一种方法和第二种方法的实现工作量大、操作复杂，第三种方法虽然实现简单，但是对母线装置的影响最多会达到3次。在实际进行变电站母线故障处理时，可综合考虑选出一种能最大限度保障终端变电站的供电可靠的方案。