220 kV內橋主接線開關失靈危害與對策

(國網四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

近年來，隨著負荷密度增大，部分220 kV變電站深入負荷中心，演變成為終端站。為節省投資，220 kV電氣部分采用內橋接線。由于內橋主接線220 kV母差保護被取消，220 kV開關失去失靈保護。

失去失靈保護帶來的問題已逐漸引起工程技術人員的重視。文獻[1]討論了220 kV內橋接線變電站保護基本配置，但只簡要分析了合環運行方式下橋開關失靈保護配置，未對橋開關失靈的危害進行分析，對進線開關失靈情況并未提及，且其失靈保護的配置已不能夠適應當前電網的要求。文獻[2]提及了220 kV內橋變電站開關失靈時可能對主變壓器造成的危害，并據此提出了失靈保護配置方案，但筆者認為對開關失靈的危害分析不夠全面，尤其是對失靈保護的邏輯分析不夠。根據保護整定規程的調整和“六統一”的要求，應重新梳理開關失靈危害，并有針對性地提出解決方案。

1 保護配置與運行方式

圖1為一個220 kV內橋變電站與系統接線示意圖。1DL為進線1開關，2DL為進線2開關，3DL為橋開關。R1、R2、R3、R4為安裝于對應開關處的保護。保護配置通常為：線路全線速動主保護、相間距離Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段、接地距離Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段、零序Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段。主變壓器保護通常包括差動保護、高后備、中后備、低后備保護。

運行方式有4種。方式1：3DL分位，1DL、2DL合位，220 kV側開環運行，220 kV投分段備自投；方式2：1DL、2DL、3DL均合位，通過3DL轉供負荷；方式3：1DL分位，2DL、3DL合位，進線2帶全站運行；方式4：2DL分位，1DL、3DL合位，進線1帶全站運行。主接線采用內橋或擴大內橋接線形式的變電站在系統中一般為終端變電站，除特殊運行方式外，一般要開環運行[3]。

圖1 系統接線圖

2 開關失靈的危害

2.1 失靈致主變壓器熱穩定破壞

變壓器作為電力系統中的重要電氣設備，設計、制造及運行各環節都應注意其安全性。

假設主變壓器中壓側套管處K1發生相間故障，此時主變壓器承受非常大的事故過電流。區內故障，主變壓器差動保護正確動作于跳主變壓器三側開關。如果橋開關3DL和主變壓器中、低壓側開關正確跳開，進線開關1DL失靈拒動，主變壓器后備保護動作也不能使其脫離故障，只有通過安裝于進線1對側A站保護R1的后備保護動作隔離故障。如果發生失靈拒動的是橋開關3DL，則只有通過進線2對側B站保護R2的后備保護動作隔離故障。因后備保護帶延時動作，所以變壓器必然要承受一定時間段內的事故過電流，在此時間段內變壓器是否損壞主要取決于變壓器的熱穩定性。對稱短路電流i的持續時間，當使用部門未提出其他要求時，用于計算承受短路耐熱能力的電流i的持續時間為2 s[4]。

根據繼電保護整定配合原則，保護R1、R2距離Ⅰ段按本線路全長之70%～80%整定，距離Ⅱ段按確保線路末端發生金屬性故障有足夠靈敏度整定，保護范圍不伸出變壓器中壓側，距離Ⅲ段按躲線路最大事故過負荷電流并確保本線路末故障有足夠靈敏度整定，力爭作為相鄰線路和變壓器的后備保護。因此，距離Ⅰ段、距離Ⅱ段都不會動作，只能等到距離Ⅲ段動作。各地距離Ⅲ段的時間定值整定原則基本相似，四川電網繼電保護整定方案要求全網220 kV線路后備保護相間和接地距離Ⅲ段按統一時限整定，相間距離Ⅲ段時間取5.5 s。

顯然，主變壓器是不能經受如此長時間事故過電流。不僅會引起變壓器繞組過熱，還可能造成動穩定破壞，誘發嚴重的內部故障。

2.2 失靈致全站失壓

變電站全站失壓是非常嚴重的事故。全站失壓是指在電力系統因故障而導致變電站各電壓等級母線電壓為零。全站失壓不僅可能引起全站一、二次系統崩潰，對外大面積停電，甚至引發電網穩定問題，因此應極力避免全站失壓發生。

假設內橋變電站運行方式為方式2：1DL、2DL、3DL均合位，220 kV側合環運行，進線1和進線2為聯絡線，通過3DL轉供負荷。

如果進線1縱聯主保護范圍內K2點故障，進線1縱聯主保護動作，進線1對側開關跳開而1DL失靈拒動。此時進線2將持續通過3DL向故障點K2注入故障電流，直到進線2對側R2處后備保護動作跳開所在開關隔離故障點。由于進線1和進線2都已跳開失電，內橋站220 kV母線均失壓。作為終端站的高壓側母線均失壓，此時110 kV母線、10 kV母線隨即失壓，變電站外部的故障導致本站全站失壓事故。另外因為聯絡線被斷開，導致局部功率失去平衡，可能發生局部過負荷或低電壓等異常狀態。

需要指出，主變壓器后備保護可能并不會先于B站R2后備保護動作跳開3DL將故障點隔離開來。因為作為城市電網終端變電站，主變壓器110 kV與10 kV側通常沒有小電源點，主變壓器高后備保護電流回路來自套管TA，雖然整定要求高壓側后備保護方向指向系統，但系統側故障時，若中、低壓測母聯開關分裂運行，并無故障電流通過主變壓器高壓側套管流向故障點，所以主變壓器高后備不會動作跳開3DL將故障點隔離。即使110 kV或10 kV分段(母聯)開關合位運行(為增大短路阻抗通常處于分位)，故障電流通過主變壓器阻抗支路分流，后備保護也可能因為靈敏度不足而不動作。

2.3 失靈致越級跳閘

盡管變壓器各側短路電流大于熱穩定電流時，各側設有不大于2 s的不經任何閉鎖的過流保護，該保護作用于延時跳開變壓器各側開關。但是當主變壓器高壓側開關失靈時，仍不得不由相鄰線路對側后備保護動作隔離故障點。由于500 kV、220 kV線路保護配置較為完善，主保護均采用雙重化配置，所以后備保護按與主保護配合的原則整定，相鄰線路的后備保護之間不完全配合。就圖1舉例而言，當內橋站220 kV母線故障而1DL失靈時，A站R1后備Ⅱ段可能動作、C站R3后備Ⅱ段也可能越級動作，R1和R3后備Ⅱ段也可能存在“接點競賽”的情況而同時動作。同理，如果發生的是2DL失靈，B站R2與D站R4后備保護也存在類似的動作關系。尤其是零序保護只作為高阻接地的后備保護，在系統運行方式變化時，其保護范圍也不穩定，越級跳閘導致停電范圍擴大，已有類似事故案例發生。

3 失靈解決方案

鑒于內橋接線變電站一次設備并無安裝母差保護的設備條件，而開關失靈又可能帶來嚴重危害，故應對220 kV開關按開關配置獨立的失靈保護裝置。

3.1 進線開關失靈解決方案

以進線1開關1DL為例進行說明，2DL與之類似。在1DL處配置一套斷路器失靈保護裝置。TA電流取自1DL開關電流互感器，即進線1線路TA繞組，若電流互感器保護級繞組不足，則可串接于故障錄波電流回路之后。線路保護各分相跳閘接點應按相接入失靈保護裝置，如果220 kV進線備自投裝置配有合閘于故障后加速保護，則保護動作跳1DL接點應和主變壓器電氣量保護跳閘接點并聯接入失靈保護裝置發變三跳開入。

1DL失靈保護動作后，以第一時限跳1DL，第二時限跳橋開關3DL和本主變壓器中、低壓側總路開關，跳閘出口回路均接開關操作箱TJR繼電器。進線1區外故障而1DL失靈時，需要遠跳對側開關。線路保護采用光纖電流差動保護時，可將1DL開關操作箱TJR接點接入線路保護裝置遠跳開入，通過線路保護發遠跳命令跳開對側開關；在采用允許式縱聯保護時，通過TJR接點向對側發允許命令使對側開關跳閘；采用閉鎖式保護時，通過TJR接點停信使對側開關跳閘。

3.2 內橋開關失靈解決方案

內橋開關3DL配置一套斷路器失靈保護裝置，電流回路引自橋開關電流互感器。因內橋開關多為三相聯動開關，涉及跳橋開關的保護動作接點均接入失靈保護裝置發變三跳啟動失靈。如果220 kV分段備自投裝置配有合閘于故障后加速保護，則保護動作接點同樣接入3DL失靈保護裝置發變三跳啟動失靈。失靈保護動作后，第一時限跳橋開關，第二時限跳1DL、2DL，跳閘出口均接相應開關操作箱TJR繼電器。

需要指出，如果失靈保護動作后需要閉鎖備自投裝置，應增設相應的二次回路。

3.3 失靈邏輯

RCS-921A斷路器失靈保護邏輯已經比較完善，只需將其做部分修改以適應內橋變電站主接線的情況，圖2為失靈邏輯圖。邏輯圖中“失靈電流高定值動作”表示 A、B、C 三相任一相失靈電流大于失靈高電流定值，“失靈電流低定值動作”則表示 A、B、C 三相任一相失靈電流大于失靈低電流定值，“零序電流滿足”表示三倍零序電流大于失靈零序電流定值。

內橋開關適用發變三跳失靈邏輯，進線開關失靈則包括故障相失靈、非故障相失靈、發變三跳失靈3個邏輯。對于含有重合閘功能的線路保護，取消線路三相跳閘命令[5]，因此應取消線路三跳啟動失靈邏輯。

應根據TV的安裝位置，具體考慮是將電壓回路接入裝置。發變三跳起動失靈的低功率輔助判據必須同時滿足過流及低功率因數，任一相電壓低于30%額定相電壓時，退出該相低功率因數判據。

圖2 失靈邏輯圖

失靈動作經失靈跳本開關時間(第一時限)延時跳本開關，以失靈跳相鄰開關時間(第二時限)延時跳相鄰開關。

4 結 論

在220 kV內橋接線作為終端變電站考慮時，繼電保護配置方面，不再配置220 kV母差保護。為了避免開關失靈時可能帶來主變壓器熱穩定性破壞、變電站全站失壓、保護越級跳閘等問題，應按開關配置失靈保護。失靈保護的邏輯包括故障相失靈、非故障相失靈、發變三跳失靈3種情形。進線開關失靈邏輯包括以上3種情況，而橋開關失靈邏輯只包括發變三跳失靈，根據線路保護“六統一”規范，摒棄線路三跳啟動失靈邏輯。另外如果開關失靈裝置不引入電壓回路，則不啟用失靈低功率因數判據。

[1] 金樂敏,何雪峰.高壓輸電線路內橋接線方式的保護配置分析及方案[J].電力系統自動化,1997(12):48-50.

[2] 韓柳,談順濤.220 kV終端變電所的220 kV繼電保護配置方案探討[J].繼電器，2005(11)：74-76.

[3] 曹琥,汪若慧.220 kV變電站避免保護死區設計方案探討[J].云南電力技術，2007(4)：29-30.

[4] GB 1094.5-85,電力變壓器[S].

[5] Q/GDW 161-2007,線路保護及輔助裝置標準化設計規范[S].