關于變電站交流系統改造后存在的運行隱患分析及處理

廣東電網有限責任公司中山供電局 羅志恒 陳年蔚 黃永東 曾紅英 李曉丹

電力變電站的交流系統是電力系統中的重要組成部分，需要時刻保持正常的運轉狀態。近年來，為了提高電力變電站的運行效率和安全性，應防范交流系統火災隱患的反事故措施要求，交流系統保護必須具備接地保護功能，新型交流饋線柜應新規定要求已經開始在電力變電站中使用，較舊式交流母線不同之處在于新交流母線和饋線空氣開關之間，增加了主饋線斷路器。

交流饋線柜級差由2級：饋線空氣開關、進線斷路器（熔斷器），更改為3級：饋線空氣開關、主饋線斷路器、進線斷路器。通常情況下8至10個饋線空氣開關經一個主饋線斷路器連接至交流母線，一段交流母線一般搭配2至3個主饋線斷路器。主饋線斷路器相較于饋線空氣開關，主要是增加了接地保護功能，饋線空氣開關僅具備過載、大電流沖擊脫扣功能，在負荷側發生金屬性接地故障時無法動作切斷電源，當接地點持續高熱便極有可能引發火災事故，或者接地故障引起進線斷路器跳閘形成越級跳閘，擴大事故停電范圍，因此交流系統需要增加主饋線斷路器形成階段性的接地保護功能[1]。

然而，隨著電力變電站的發展和技術的進步，新型交流饋線柜的使用也存在一些問題。例如，當直流充電柜的充電模塊使用的是單相交流電源時，可能導致負載三相不平衡，在充電機對剛放完電的蓄電池組充電時，可能會產生極大的不平衡電流沖擊，從而導致主饋線斷路器跳閘。

1 隱患分析

在某110kV 變電站綜合自動化改造項目中，交流系統需整套更換，當前已完成了新交流系統的單機驗收，站用變低壓側交流進線電纜也已轉接至新交流系統，但由于全站交流負荷尚未轉移，因此從新交流系統進線側跳兩路臨時進線電纜供舊交流系統運行，待負荷遷移完成后拆除。

某日工作班成員監督施工單位完成新、舊交流系統負荷遷移工作，當時新、舊交流系統均帶電運行中，直流系統的#1直流充電柜的交流電源使用第二路交流電源主供電狀態，第二路交流電源取自舊交流系統，第一路交流電源已轉移至新交流系統中，處于備用狀態。如圖1所示，其中11JK、21JK 為主饋線斷路器，1QF8、2QF8為直流充電柜在交流系統中的饋線空氣開關。

圖1 新舊交流系統負荷遷移時接線方式

圖2 直流充電柜的充電模塊使用單相交流電源截圖

圖3 直流充電柜交流電源負荷接入前新交流系統負荷狀態

施工單位確認以上兩路交流電源均正常后，將#1直流充電柜的交流電源切換至第一路交流電源主供電，停用第二路準備實施#1直流充電柜的第二路交流電源轉移至新交流系統，此時監督人員發現新交流系統I 段交流母線總負荷增大且變得更加不均衡（#1直流充電柜的交流負荷轉為第一路交流電源主供電，第一路交流電源取自新交流系統I 段交流母線），在#1交流進線柜觀察到負荷轉移前新交流系統I 段母線總負荷電流A 相15.4A，B 相20.6A，C 相5.5A，增大后變為：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。

出于過往工作經驗總結，直流系統的充電模塊使用三相交流輸入，因此三相電流必定是平衡的，察覺到三相負荷變化并不均衡后，驗收人員第一時間認為存在寄生回路[2]，暫停了施工現場，并且與運行人員、施工單位一同檢查了#1直流充電柜的交流回路，檢查結果如下。

該110kV 變電站直流系統的充電模塊使用的是單相交流電源供電，共4臺110V AC/DC 充電模塊。110V 充電模塊交流電源相別使用情況分別是#0模塊使用A 相電源，負載為3.3A，#1模塊使用B 相電源，負載3.1A，#2模塊使用C 相電源，負載3.1A，#3模塊使用A 相電源，負載3.3A，即共計A 相電流6.5A，B 相3.1A，C 相3.1A。對比新交流系統的負荷變化情況吻合，不存在寄生回路。

新交流系統的主饋線斷路器具備接地電流保護定值[3]見表1。Ig=0.2×IN=0.2×250=50A，經廠家確認若不平衡電流通常高于50% Ig 即滿足動作條件[4]，即不平衡電流最低達25A 時可能保護動作（見表2）。

表1 主饋線斷路器定值單

表2 主饋線斷路器說明書保護動作特性

常態下，#1直流充電柜（2K）所在的主饋線斷路器負載已不均衡，在直流充電柜的交流電源負荷接入前，主饋線斷路器負荷電流A 相7.42A，B 相3.58A，C 相3.92A，若充電柜需要對剛完成放電的蓄電池組進行充電，啟動電流極大，由于充電模塊是單相交流供電且并不能保證4臺充電模塊同步投入工作，同時各模塊輸出直流電壓存在差異，從而導致每臺輸入電流大小并不一致。按額定電流算，單臺充電模塊輸出電流20A，輸出功率110V×20A=2200W，效率90%，輸入功率=2200W/0.9=2444W，輸入電流2444W/220V= 11.11A，算上標準允許最大1.5倍過流，單臺充電模塊交流輸入峰值=11.11×1.5= 16.67A，假設極端條件下A 相交流先投入啟動，即能達到16.67A×2=33.33A 的不平衡電流，因此在極端條件下充電模塊的啟動沖擊電流已經可能引起主饋線斷路器的接地電流保護誤動作，考慮到后期該主饋線斷路器仍有可能增加單相負載，不平衡電流只會進一步增大，該主饋線斷路器誤動作跳閘風險進一步增加。

另外，直流充電柜的兩路交流電源具備自動切換功能[5]，此兩路交流電源分別取自Ⅰ、Ⅱ段交流母線，都經過具備接地保護的主饋線斷路器且動作定值相同，如果發生主饋線斷路器跳閘導致直流充電柜的一路交流電源失壓，必然使其切換至另一路交流電源供電，那么另一段交流母線的主饋線斷路器便會因為同樣的原因再次發生跳閘，最終導致兩個主饋線斷路器的下級負載全部失壓，擴大了事故范圍。

鑒于充電柜的交流電源存在三相負載不均衡，考慮到極端條件下，充電模塊在投向剛完成核容試驗的蓄電池組供電時，會產生極大的沖擊電流從而有可能引起主饋線斷路器誤動作，建議采取以下整改措施。

一是對于直流系統，應盡可能保證其交流電源三相負載平衡，具體做法是檢查站內直流負荷，是否滿足關閉一臺充電模塊，充電機總輸出容量仍能滿足站內直流總負荷及蓄電池組需要的條件，若滿足則關閉#3充電模塊（使用A 相交流電源）以平衡負載。

二是從交流系統的饋線負荷分配方面需要重新規劃，考慮到充電模塊單相交流電源啟動導致的不平衡電流較大，應降低其交流電源所屬的交流主饋線斷路器的不平衡電流。為避免引起主饋線斷路器保護誤動，將使用單相電源或三相負載不均衡的，與充電機柜交流電源屬同一主饋線斷路器的交流負載，申請轉移至其他主饋線斷路器之下。

三是申請將充電柜的交流電源上級的主饋線斷路器的不平衡電流保護定值Ig 調整至0.4IN，為不平衡負載保留足夠冗余度，但必須考慮到交流進線柜的進線斷路器，乃至接地變低壓側不平衡電流保護定值的極差配合，必要時做相應修改。

2 總結

隨著變電站內應用設備的不斷升級和改造，各類系統所使用的保護功能越來越完善，使得變電站的運行更加可靠、安全，同時保護原理、接線結構上也越來越復雜。但是，在使用這些新設備時也會面臨一些挑戰。首先，由于設備上的改動會引發“蝴蝶效應”，在驗收過程中必須敏銳地找到其關鍵點，工作人員需要接受必要的培訓以適應變化，需要更深入地了解設備特性和注意事項，以確保其能夠正常使用。

此外，新設備的聯動影響可能會對上下級設備產生意想不到的負面影響，導致過去不存在的運行隱患，在處理新設備的安裝和維護時，需要密切關注其運行狀態和異常情況，并采取適當的措施來解決問題。在檢查和維護變電站時，還需要對各種設備進行全面的檢查和測試，以確保其能夠長期穩定地運行。

總之，隨著變電站應用設備不斷升級改造，必須充分認識到新設備會產生的影響，并采取相應的措施來應對這些挑戰。只有這樣，才能更好地保證電力事業的發展和供電質量。