變電站10kV保護(hù)裝置AD模塊存在缺陷的分析

陳劍勇，蔡紅梅

(1.南寧供電局，廣西 南寧 530031;2.廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530031)

1 引言

220kV沙田站是廣西南寧電網(wǎng)的重要樞紐站，其10kV共有I、II、III段，一共有28套10kV保護(hù)，均采用了南自公司生產(chǎn)的PSL系列保護(hù)裝置。該站設(shè)備較為成舊，所用變沒有接消弧線圈。2010年6月14日15:07發(fā)生了由于10kV運(yùn)行線路保護(hù)動作而導(dǎo)致備用10kV保護(hù)誤動作的事故。由于PSL系列保護(hù)使用較為廣泛，而這次出現(xiàn)的事故比較具有代表性，故將此次故障進(jìn)行詳細(xì)分析，以避免類似的故障再次發(fā)生。現(xiàn)將事故過程分析如下。

2 事故經(jīng)過

6月14日15時左右，天氣雷雨，220kV沙田站多條10kV線路發(fā)生相間短路或接地故障。其中15:05，運(yùn)行中的10kV#2所變913過流Ⅱ段跳閘，處于冷備用狀態(tài)的10kV備用Ⅷ916過流Ⅰ段動作、備用Ⅸ917過流Ⅰ段動作。當(dāng)天沙田站的運(yùn)行方式是220kV和110kV出線接在220kV和110kVI段母線上，三臺主變分別帶著10kV三段母線，其中913、916、917同在II段母線上。

圖1 10kV母線相關(guān)動作線路接線圖

3 事故原因分析

3.1 保護(hù)動作情況和故障錄波分析

3.1.1 動作報文

事故發(fā)生后，對變電站的監(jiān)控系統(tǒng)記錄進(jìn)行檢查和故障錄波的調(diào)取。沙田變10kV側(cè)發(fā)生跳閘，整個過程為:

14:51:56400ms 電流I段 返回 10kV沙正911

14:51:56288ms 電流I段 動作 10kV沙正911

14:51:56324ms Soe 狀態(tài)I 10kV 沙正911TWJ

在沙正911跳閘之后，保護(hù)重合閘啟動并重合。但隨后所用變913及備用線916、917發(fā)生多次跳閘，上述兩條備用線路處于分位。其報文如下:

15:48:51839ms 電流II段動作 動作 #2所用變保護(hù)測控

15:48:51523ms 電流I段動作 動作 10kV917備用IX

15:48:51524ms 電流I段動作 動作 10kV916備用VIII

15:48:51332ms 保護(hù)啟動 動作 10kV916備用VIII

15:48:51332ms 保護(hù)啟動 動作 10kV917備用IX

15:48:51350ms 保護(hù)啟動 動作 #2所用變保護(hù)測控

在整個過程中，相關(guān)測控裝置頻繁地發(fā)出“交流越限”告警信息，可以看出為A相接地，且持續(xù)時間較長，報文如下:

14:51:41遙測越限越告警上限值10.49限值7.00#2主變低壓側(cè)UC

14:51:40遙測越限越告警上限值10.38限值7.00#2主變低壓側(cè)UB

14:51:40遙測越限越告警下限值0.11限值4.00#2主變低壓側(cè)UA

14:51:37遙測越限越告警下限值0.17限值4.0010kV#3電容器907UA

14:51:36遙測越限越告警下限值0.16限值4.0010kV#4電容器908UA

14:51:36遙測越限越告警上限值10.61限值7.0010kVII段母線UC

14:51:36遙測越限越告警上限值10.48限值7.0010kVII段母線UB

14:51:36遙測越限越告警下限值0.19限值5.5010kVII段母線UA

2.1.2 故障錄波

對該次事故過程中動作的三個開關(guān)的保護(hù)錄波進(jìn)行分析。

圖2 10kV913故障錄波圖

圖3 10kV916故障錄波圖

圖4 10kV917故障錄波圖

從以上錄波圖可以看出，當(dāng)913保護(hù)裝置故障的情況下，母線電壓畸變比較厲害，而此時913和作為冷備用的916、917保護(hù)裝置突然在C相產(chǎn)生了一個尖波電流，而這時916、917開關(guān)處于分位不可能有電流，所以可以初步判斷916、917保護(hù)裝置存在動作異常的行為，913的C相尖波電流也基本可以判斷為異常。

3.2 現(xiàn)場設(shè)備檢查

現(xiàn)場檢查一次設(shè)備后，發(fā)現(xiàn)10kV#2所變913高壓側(cè)電纜頭(開關(guān)柜側(cè))有熔膠現(xiàn)象，同時10kV#3電容器A相避雷器燒毀。保護(hù)動作情況:10kV#2所變913保護(hù)過流Ⅰ段動作，跳閘燈亮;10kV備用Ⅷ916、備用Ⅸ917保護(hù)過流Ⅱ段動作，跳閘燈亮。通過調(diào)閱保護(hù)裝置(所變保護(hù)型號 PST645、10kV線路保護(hù)型號PSL641，廠家:國電南京自動化股份有限公司)的故障錄波文件進(jìn)行分析，事故時沙田站10kVⅡ母PT電壓二次值峰值達(dá)到了187V左右，持續(xù)時間約1.7s。電壓畸高的原因分析可能是由于雷雨造成多條10kV線路發(fā)生故障而沙田站未裝設(shè)消弧線圈，接地點(diǎn)弧光過電壓所致。電氣試驗(yàn)班對故障后的10kV#2所變本體、電纜等一次設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果正常。結(jié)合10kV備用Ⅷ916保護(hù)進(jìn)行故障模擬實(shí)驗(yàn)，得到錄波圖如圖5所示。

3.3 初步檢查分析結(jié)果

圖5 916模擬故障錄波圖

當(dāng)保護(hù)裝置輸入的PT二次電壓值(相電壓)大于180V時，AD模塊會產(chǎn)生干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致保護(hù)裝置電壓、電流采樣異常，并可引起保護(hù)誤動作。模擬事故當(dāng)天的情況對保護(hù)裝置進(jìn)行功能校驗(yàn)，如圖5發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝置單獨(dú)施加相電壓達(dá)到180V以上時，C相電流采樣即發(fā)生了突變，從0突變至9.7A左右，波形呈半波尖峰型，保護(hù)裝置采樣讀取的有效值為1.3A。由于10kV#2所變913過流Ⅱ段定值整定為1A，時間0.5s，備用Ⅷ916、備用Ⅸ917間隔過流Ⅰ段定值整定為0.5A，時間0s，所以事故當(dāng)天上述間隔的保護(hù)均動作并造成了10kV#2所變913開關(guān)跳閘。

4 事故原因

事故發(fā)生之后，用戶對現(xiàn)場進(jìn)行了排查，發(fā)現(xiàn)沙正911線發(fā)生短路，同時910線路發(fā)生永久性接地。在人工試跳910開關(guān)之后，故障消失，電壓恢復(fù)正常。

從現(xiàn)場錄波器以及裝置側(cè)的錄波看，在事故期間，10kV電壓側(cè)II段母線二次側(cè)的電壓躍升至180V以上(有效值)，波形如圖6所示。

圖6 單相接地時的10kV故障錄波

圖7 故障時的母線電壓圖

備用線及所用變的動作的原因?yàn)?現(xiàn)場裝置內(nèi)部PT的可耐受上限電壓為150V(有效值)，當(dāng)超過上述值之后，就會出現(xiàn)電壓通道(Uc)對電流通道(Ic)的干擾。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場驗(yàn)證，干擾量有效值約為1.3A左右。而兩條備用線路的電流定值為I段0.5A、時間0.2s［1］。在上述干擾下，滿足過流I段的動作條件，所以保護(hù)動作。

從已有的錄波分析，事故期間確實(shí)是存在過電壓且持續(xù)時間較長，這可能與當(dāng)時的雷雨天氣有關(guān)。另外從2#主變低后備的錄波(如圖7所示)上看，相比A、B相，在同樣過電壓下，C相電壓互感器的耐飽和特性較差。建議在條件允許的情況下，對該電壓互感器進(jìn)行檢修。

在實(shí)驗(yàn)室分別對各批次的設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn):在相電壓有效值低于180V時，電流通道無干擾(干擾電流＜0.1A);當(dāng)相電壓有效值超過180V后，電流通道出現(xiàn)干擾，其范圍為0.2～1.4A之間。

上述干擾產(chǎn)生的內(nèi)部機(jī)制為:本裝置的采樣回路原理圖見下圖，通過多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)通道的分時采樣，一次可以同時轉(zhuǎn)化4個通道，轉(zhuǎn)化的次序分別為:IN1、IN4、IN7、IN10 為第一組，IN2、IN5、IN8、IN11 為第二組，IN3、IN6、IN9、IN12 為第三組，4 個 IN2.5V 為第四組。4個通道經(jīng)過運(yùn)放之后，接入到AD轉(zhuǎn)化芯片AD7865 中進(jìn)行轉(zhuǎn)化［2］。

圖8 AD轉(zhuǎn)換數(shù)字電路圖一

圖9 AD轉(zhuǎn)換數(shù)字電路圖二

現(xiàn)場出現(xiàn)的問題是:Uc(對應(yīng) IN8)對Ic(對應(yīng)IN7)有干擾，即第二組通道對第一組通道有影響。在現(xiàn)有的程序中，為了節(jié)省處理時間，在前一組通道轉(zhuǎn)化期間，馬上預(yù)置下一組轉(zhuǎn)化通道。正常情況下，轉(zhuǎn)化期間模擬量已經(jīng)被AD內(nèi)部寄存器鎖存了，所以預(yù)置下一通道對前一次采樣無影響;但是，當(dāng)后一通道超過AD量程時(＞6.5V)，AD會重新建立起轉(zhuǎn)化時序。當(dāng)在此時序建立期間，讀寫AD值就會出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。

圖10 AD轉(zhuǎn)換數(shù)字電路圖三

在新的程序中，一次只轉(zhuǎn)化一組通道，只在轉(zhuǎn)化完成之后才預(yù)置下一通道，這樣就可以避免后一通道對前一通道的影響。通常情況下，避雷器能夠大大削弱雷電過電壓，二次系統(tǒng)電壓超過3倍額定電壓(有效值＞180V)的可能性應(yīng)該極小。為了防止發(fā)生類似事故，我們在程序中做了改進(jìn)，經(jīng)測試，升級之后的程序能夠有效地消除上述干擾。

5 結(jié)論

本次保護(hù)誤動作的原因是由于保護(hù)裝置AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的程序算法，在輸入較大二次電壓的情況下，大于150V，會產(chǎn)生C相尖波電流，從而達(dá)到保護(hù)動作值而誤動。而由于沙田站所變沒有加裝消弧線圈，所變所用的C相CT的耐飽和特性也較差，多重原因?qū)е铝?0kV母線二次電壓在雷電故障的情況下輕易地達(dá)到了180V，使得保護(hù)裝置滿足了以上條件，而造成保護(hù)裝置異常動作。

6 暴露的問題及防范建議

由于沙田站10kV設(shè)備比較陳舊，南自廠家人員在對裝置AD模塊進(jìn)行編程時，沒有過多考慮電壓電流的干擾問題，在設(shè)備出廠時，也沒有針對沙田站的一次設(shè)備接線方式進(jìn)行動模試驗(yàn)，造成了出廠設(shè)備存在隱患。通過這次故障的排查，要對其他運(yùn)行的相類似的PSL系列的設(shè)備程序及時進(jìn)行升級，同時，設(shè)備運(yùn)行單位也應(yīng)該將所變加裝消弧線圈，更換抗飽和特性較好的保護(hù)CT，以避免類似問題再度發(fā)生。

［1］ PSL640系列數(shù)字式線路保護(hù)裝置使用說明書［Z］.國電南京自動化股份有限公司.

［2］ PSL640系列數(shù)字式線路保護(hù)裝置技術(shù)說明書［Z］.國電南京自動化股份有限公司.