備自投工作原理淺析

黃文輝，于慶瑞，王軍

（甘肅長城氫能源工程研究院，甘肅 天水 741024）

備自投是重要的電氣二次設備，保證了在具備雙電源不同回路供電的情況下實現雙電源的自動切換，確保其中一條回路發生故障時，另一條回路電源自動接入對負載可靠供電。在備自投的應用中，要注意備自投動作的條件判斷，防止備自投拒動、誤動作造成事故范圍擴大。確保設備的可行性，實現電力系統更好、更快、更安全地運行。備自投是電力系統能夠可靠、快速、安全運行強有力的保障，在電氣系統中發揮著及其重要的作用。

1 備自投工作原理

1．1 備自投的作用

備自投是備用電源自動投入裝置的簡稱，是電力系統中重要的電氣二次設備[1]。在具備雙電源的條件下，當其中一路工作電源發生故障斷開后，備自投裝置快速地將另一路電源投入運行[2]，最大限度地減小用電單位因線路故障而產生影響，以免造成財產損失及人身傷亡事故（尤其對于石化、冶金、鋼鐵等一、二級負荷），從而提高供電系統的可靠性。

備自投裝置按照運行方式的不同分為分段備自投和進線備自投。其中分段備自投為兩條母線均正常工作，當其中一段母線發生故障時，另一段母線通過備自投閉合母聯開關給故障母線供電；進線備自投為兩路電源進線線路，其中一路線路正常工作，另一路備用，當正常工作的這條線路發生故障時，另一路備用電源通過備自投投入供電[3]。

1．2 備自投裝置的工作原理分析

電力系統中簡單、典型的備自投工作方式，對于更加復雜的備自投接線，都可以認為是簡單工作方式的合成。

某供電線路35kV供電系統為單母線分段供電，分別來自不同的110kV變壓器。35kV供電系統主接線圖如圖1所示。

圖1 35kV供電系統主接線圖

圖1中，4QF、5QF分別為兩段110kV的進線開關，1QF、2QF為兩段35kV的進線開關，3QF為兩段35kV母線的連接開關，CT1、PT1為I段母線的電流和電壓，CT2、PT2為II段母線的電流和電壓，1L0、2L0為110kV零序電流。

備自投裝置動作的依據是取進線電流，兩段母線電壓互感器的電壓和進線PT電壓，取單相電流是判斷進線回路是否有電流，因為有電壓不一定有電流，而有電流一定有電壓[4]；取進線PT電壓是為了判斷進線電纜或進線橋側是否有電壓，作為自投準備及動作的輔助判據。備自投動作邏輯圖如圖2所示。

圖2 備自投動作邏輯圖

當35kV I段母線進線斷路器1QF或者110kV進線斷路器1QF事故跳閘，檢測到I段母線CT1無電流、PT1無電壓，則備自投裝置開始動作，跳閘1QF，然后合3QF，通過II段母線對I段母線負載供電，保證了負載正常運行。Ⅱ段母線失電時其動作邏輯相似。

1．3 備自投的使用原則

（1）只有工作電源確認被跳開以后，備用電源才能正式投入使用，備自投采用延時動作，在確認進線斷路器斷開在跳位后，才能進行后續的邏輯動作，這樣可以防止反送電的發生。

（2）當備用電源故障無壓時，應閉鎖備自投。

（3）備自投應有閉鎖功能，可以防止工作電源因故障跳閘時，備自投誤動作，從而造成事故范圍的擴大[5]。

（4）人工斷開工作電源時，備自投不允許動作。

（5）備自投只允許動作一次。

2 備自投與保護裝置的時限配合研究

在工作電源發生故障時，備自投動作將備用電源投入使用，但工作中發生跳閘的情況很多，比如發生短路、接地、電器元件故障、手動斷開工作電源等，需要備自投判斷是哪種情況造成的，從而決定是否動作。

2．1 備自投與自動重合閘的配合時限問題

某變電站35kV線路主接線圖簡化圖如圖3所示，其中兩段母線互為暗備用，35kV I、II母線均正常投入使用，分段斷路器3DL斷開，35kV I、II母線互為備用[6]。正常情況下當其中一段母線失去電壓時，備自投動作將故障段的斷路器斷開，閉合母聯斷路器3DL即可完成備自投的投切工作。可此時該電站1DL故障跳閘（發生永久性故障）后[7－8]，備自投動作閉合 3DL，2S 以后 1DL 重合閘動作再次合閘，引起I段110kV變壓器、和2DL跳閘，導致35kV整條線路斷電，停電范圍擴大。經后續原因分析，備自投未閉鎖1DL線路重合閘，導致停電范圍擴大。備自投動作整定時限應長于重合閘動作時限。當1DL故障跳閘（發生瞬時故障）時，按照上述的動作時限，會導致110kV電網發生非預期的合環運行。因此重合閘動作時限應＞（線路保護最大動作時限＋重合閘動作時限＋后加速動作跳閘時限）。

圖3 某變電站35kV主接線圖簡化圖

2．2 備自投與繼電保護的整定配合關系

如圖4所示，為某變電站220kV主接線圖，其中進線1為工作線路，進線2為備用線路，一般配置有線路保護、母差保護、斷路器失靈保護等。

圖4 某變電站220kV主接線圖

正常工作時1QF在合閘位置，2QF在分閘位置，3QF在合閘位置。當進線1在A點發生短路故障時[9]，線路保護動作，跳掉開關 1QF。

（1）若故障點A為瞬時性故障，則重合閘動作，1QF重新合閘，此時線路恢復正常，備自投閉鎖不再動作。

（2）若故障點A為永久性故障，線路保護動作使1QF跳開，此時重合閘動作，1QF重新合閘，但線路保護再次使1QF斷開，然后備自投動作，閉合2QF。

（3）若故障點A發生永久性故障，線路保護動作發出指令，此時1QF拒動，則斷路器失靈保護動作，1QF跳閘（此時閉鎖重合閘），然后備自投動作，閉合2QF。

備自投能否起到關鍵性的切換作用，二次保護之間的時限整定配合關系尤為重要。線路、母差保護的范圍為整個線路。斷路器失靈保護作為線路保護、母差保護的后備保護，而備自投的動作時間應長于斷路器的失靈保護。上一級的繼電保護動作時限應高于下一級的動作時限，否則將跳掉上級開關，使事故范圍擴大。因此，備自投的動作時限應高于其他保護的動作時限。

3 保護閉鎖備自投裝置的研究

使備自投發生誤動、拒動的原因很多，通常是在要求閉鎖的狀況下不閉鎖，不閉鎖的情況下閉鎖，故能否按要求閉鎖直接關系到備自投的動作是否正確[10]。

備自投是在工作線路出現故障或其他問題使工作電源斷開后，將備用電源投入工作的二次設備。但在實際工作中工作電源的斷開有多種方式，例如手跳、遙跳、保護跳閘、PT斷線等，都需要閉鎖備自投防止誤動的發生[11]。

手跳、遙跳是工作人員發出的動作需要對線路進線檢修、設備更換等，此時備自投應該閉鎖防止備用電源投入使用，對人員造成傷害。其原理圖如圖5所示，只需在設備中接入手跳、遙跳信號，閉鎖備自投即可。在備自投外部開入中加入手跳、遙跳不僅提高了工作效率，也防止了誤操作的發生，提高了供電的可靠性。

圖5 手跳、遙跳閉鎖備自投原理圖

保護跳閘是保護裝置檢測到工作電源出現故障，從而將電源斷開。在此過程中若沒有將保護動作信號接入備自投中，則備自投檢測到電源跳閘，將會投入備用電源，造成上級線路跳閘，事故范圍擴大。把保護動作信號接入備自投開入量，以設備內部自由邏輯分辨是否需要閉鎖備自投，具有普遍適用性。

電源母線失壓是備自投動作的重要條件之一，母線PT斷線則會牽扯到備自投母線電壓的采集，因進線電源空載、輕載運行，工作進線正常電流小于備自投設定的最小電流值，且隔離刀閘或母聯斷路器輔助接點損壞時，造成二次母線壓，高壓側母線電壓為0，引起備自投誤動[12]。

為防止裝置誤動，備自投裝置設有PT斷線判斷功能，在發生上述狀況時閉鎖備自投。母線PT斷線邏輯判斷圖[13]如圖6所示。母線PT斷線采集的是線電壓降低和負序電壓升高相或的判斷依據[14]，10s 后發出告警信號。

圖6 母線PT斷線邏輯判斷圖

4 備自投聯切小電源

當主變低壓側有并網小水電時，一次接線示意圖如圖7所示。

圖7 一次接線示意圖

當主變1負荷側帶有并網的小水電電源，在備自投沒有同期檢測的功能時，備自投動作會造成小水電電源與進線電源非同期并列，故需先切除掉并網小水電電源然后使備用電源投入，當備自投裝置不具有修改功能時，對原有電路圖進行設計改造，達到可以切掉小水電電源的要求[15]。

該電站現配置CSD－215A備自投裝置一臺，采用雙進線，進線1和進線2互為備用的方式，動作條件如下：

（1）110kVI段母線無壓。

（2）110kVI段母線沒有電流。

（3）110kVII段母線有壓。

（4）進線斷路器DL1處于合閘位置，延時跳開DL1開關。

（5）母聯斷路器DL3處于分閘位置，延時合閘DL3開關。

水電站改造后使用上述方案，備自投在切換電源時存在與小水電非同期并列的風險，導致系統間功率振蕩，擾亂整個系統運行，甚至小水電系統發生小牛拉大車的現象造成系統崩潰。原有備自投回路圖如圖8所示，只能進行DL1和DL2之間的跳合，無法對小水電DL7進行聯切功能，故需進行改造。

圖8 原有備自投回路圖

為了使備自投裝置在切換進線II之前可以切掉小水電DL7，需設計在跳DL1或者DL2開關時聯切DL7的邏輯。設計后的備自投回路圖如圖9所示，在原有的出口回路增加中間繼電器ZJ1、ZJ2，用來擴展跳閘節點。其輔助節點ZJ1－1、ZJ2－1經過壓板10KXB、12KXB控制跳進線斷路器DL1、DL2。輔助節點 ZJ1－2、ZJ2－2經過壓板 14KXB 聯跳小水電DL7，達到在備自投動作時聯切小電源的目的。小水電DL7斷路器跳閘接點應接入備自投裝置，備自投裝置必須在收到小水電聯絡線斷路器跳閘信息后，方可動作。

圖9 設計后的備自投回路圖

5 備自投裝置的誤動分析

無論互備運行方式還是主備運行方式，都可能存在備自投裝置誤動、拒動的風險。在電氣原理的基礎上進行如下分析：

（1）工作電源與備用電源母線電壓在備自投裝置上接反，備自投不動作[16]。其中工作電源母線故障失壓、備用電源母線正常工作，裝置此時不能正確判斷工作電源母線失壓，故備自投不動作。這種情況很少出現。

（2）工作電源與備用電源母線進線柜進線PT電壓信號接反引起裝置拒動。工作電源進線及其母線失去電壓后，由于工作電源進線電壓信號錯搭接在了備自投備用電源進線電壓信號的開入位置，備自投錯誤的判斷為備用電源進線及母線沒有電壓，故拒動。

（3）工作電源與備用電源母線進線電壓回路在原理圖設計回路編號上沒有多大的區別，所以很容易造成接線的錯誤。在裝置回路試驗、檢修時通過斷開母線電壓信號用來切除故障很難找到有問題的接線。

（4）備自投裝置的電流、電壓整定值都是根據變電站、企業用戶的負荷情況而定，但電力負荷時常變化，如果有電流、電壓整定值滿足不了閉鎖所需要的條件，同時由于二次回路短路造成空氣開關動作，則會導致備自投認為母線失去電壓而誤動作。

6 結論

本文分析了備自投的工作原理，以及備自投與線路保護、重合閘裝置的時限配合問題，備自投的動作時限是高于其他保護的動作時限之和。分析了閉鎖備自投的幾種情況，以防止發生誤動造成更大的損失。通過探討備自投誤動、拒動可能存在的幾種狀況，分析誤動、拒動的原因，對備自投如何聯切小水電的方式進行了設計改造。該研究提高了供電的可靠性，保證了電力系統安全可靠地運行。