35kV單母線分段變電站母線故障處理

國網江蘇省電力有限公司南京市溧水區供電分公司 張喬悅

1 35kV單母線分段變電站全停故障

1.1 故障前運行方式

某公司35kV CX變電站采用如圖1所示單母線分段接線方式，由于未特別設置母線保護，當發生35kV母線故障時，無可動作快速保護裝置，須依靠側變電站線路保護對故障進行隔絕。該種設置方式導致目前設備在線路故障中被短路電流反復沖擊，并引發一場全站停電事故。該變電站分別連接一個110kV CH變電站和一個220kV XJ變電站，其中110kV CH變電站與故障變電站之間以11 DL斷路器和#1進線連接，220kV XJ變電站與故障變電站之間以12DL斷路器和#2進線連接。故障發生前，連接220kV XJ的12 DL斷路器處于閉合運行狀態，故障變電站內2 DL斷路器處于斷開未運行狀態，35kV母分斷路器3 DL處于閉合運行狀態。

圖1 35kV CX變電站故障前運行方式

1.2 繼電保護情況

在110kV CH變電站的出線1，設置三級的三相一次重合閘，并設置操作出口跳閘斷路器11 DL；在220kV XJ變電站的輸出2中，設置具有三相一次重合閘的三級相距保護，并在其操作的輸出端跳閘斷路器12 DL中給出其設置的詳細數值。35kV CX變電站應用地區內較為廣泛的繼電保護配置形式，見表1。

表1 35kV CX變電站繼電保護形式

由于35kV CX變電站為終端變電站，未曾在兩端設置進線保護裝置，也未能應用專門裝置保護母線安全[1]。除此之外，35kV側配備了備用電源自動投入設備（以下簡稱“備自投”），在全站停電故障發生前，該備自投一時限5.0s跳1 DL，二時限1.0s合2 DL，且所有保護及備自投設備都處于運行狀態[2]。

1.3 故障經過概述

某晚35kV CX變電站發生全所失電故障，發生時間約為21點49分，值班人員在現場檢測時記錄變電站內各繼電保護設備狀態如下：2 DL和3 DL斷路器閉合，1 DL斷路器分位，35kV斷路器柜內Ⅰ段母線銅排損壞，同時發現110kV CH變電站和220kV XJ變電站與35kV CX變電站進線端的連接斷路器處于分位狀態。

2 繼電保護及備自投動作分析

結合35kV CX變電站停電故障發生時繼電保護和備自投動作報文記錄可知，故障發生前各設備動作信息見表2、表3。

表2 CH變電站繼電保護和備自投動作報文

表3 XJ變電站繼電保護動作報文

經現場勘查，發現CX變電站35kV I段母線出現兩相短路，1 DL斷路器母線側靜觸頭損壞較大。因為在這一側沒有設置母線保護，所以只有依靠對側110kV CH變電站的線路1的過流II段保護動作，才能跳開11 DL斷路器[3]。在該情況下，保護操作記錄顯示短路電流為25.44A，按照600/5變比換算后其值為3.05kA；因本次全站停電故障屬持續故障，設備無法自行恢復保護，因此電閘無法重新閉合，過流加速段再次跳開11 DL，使CH變電站對端的保護動作終止。

由于11 DL未能重新閉合，導致35kV CX變電站兩側母線全部失壓，35kV CX變電站內備自投設備自動跳開，于是在21:47:57.436，1 DL跳開，2 DL閉合，但此時初始故障仍未被消除，導致故障電流重新產生，前端220kV XJ變電站12 DL斷路器二次跳開，這一動作發生后，35kV CX變電站徹底整體停電。通過對本次變電站全停電故障各設備動作報文記錄可以看出，故障過程中變電站節點保護與備自投都是正常的。

3 35kV母線故障的預防方式優化

3.1 母線故障現象保護措施

根據本市現行35kV單母線分段變電站的繼電保護裝置，35kV母線自身無專用保護，當母線發生故障時，必須依賴對側變電站的線路保護動作，該35kV CX變電站的母線繼電保護配置方式符合該市現行要求，只能依靠對側變電站的線路保護動作進行故障隔離。在運行中，當發生4次短路時，會對母線上的設備造成4次持續的沖擊，最后造成整個變電站的失電。35kV母線分段斷路器過流保護是在與主變備用保護相匹配的情況下進行調試的，其工作時間為1.1s，遠大于對側線路保護Ⅱ段的動作時限（0.5s），實際不能有效地保護母線。

3.2 優化方案

通過以上的分析，可以看出，在某一段母線發生故障時，造成整個變電站完全停止的主要因素是，當前本站沒有能夠迅速啟動35kV母分斷路器的保護，不能將故障的范圍限制在故障段。這樣，僅有的一條母線發生故障，就會導致整個變電站的全部停電。針對電力系統中的母線故障特征及繼電保護的工作特征，本文提出三種優化保護效果的措施。

3.2.1 主變差動保護范圍包含35kV母線

方案一是將主變的差動保護擴展到35kV母線的保護。此方案的保護原則與內橋式變電站相同，也就是在母線發生故障時，主變差動保護的出口跳主變三側斷路器，如在圖1中所示，1號主變差動保護的輸出端跳入1 DL斷路器，3 DL斷路器，1號主變10kV側斷路器。在本次變電站失電故障發生后，#1主變差動保護動作發生時間早于前端110kV CH變電站，所以三側斷路器會因差動保護動作作用跳開，#2進線供電正常。在確保2號主變電安全的前提下，可有效地降低短路電流的脈動頻率，從而使2號主變供電安全可靠，不會造成全廠停電。若本次故障出現在35kV II母位置，三側斷路器也會因差動保護動作作用跳開，#1進線供電正常，變電站主變正常供電，則本次全站停電事故不會發生。為防止35kV母線分相操作備自投合于故障母線，必須使母分備自投同步閉鎖。

3.2.2 35kV母線加裝母線保護

方案二：在35kV母線上安裝母線保護，在35kV I母發生故障時，母線保護會立即跳出1 DL。3 DL與1號主變高壓側斷路器，進入備用斷路器關閉2 DL，2號主變重新開始供電。如果在35kV II母中出現故障，那么，在母線保護的作用下，會立即跳出3 DL和#2主變的高壓側斷路器，以確保#1主變的正常供電而不會出現全所的停電。與第一種方法相同，在母線保護的動作過程中，母分斷路器備自投閉鎖也要被關閉。

3.2.3 35kV母分流保護優化

當前，35kV過流保護的整定模式是與主變后備保護相結合，用作主變的遠備用保護，對側線路的III段保護與母分過流保護相結合，兩種保護的操作時間各有一個級差0.3s。當35kV母線發生故障后，由于母分過流保護的時間延時太久而不能跳開35kV母分斷路器，造成對側的線路保護 II部分的先行動作。

在此基礎上，提出35kV母線側過電流保護的新思路，并提出將35kV母線側過電流保護與主變的差動保護相結合的新思路。該調整方法是將操作時間壓縮到0.2s，其調整數值是根據10kV母線或母線發生故障不動和35kV發生故障的敏感動作來調整的。以圖1所示母線繼電保護方式為例，當35kV I母運行異常后，前端110kV CH變電站會直接作出跳開動作進行保護，重合動作失效后，35kV CX變電站站內備自投設備關閉2 DL斷路器，此時35kV母分斷路器正常動作，跳開3 DL斷路器進行過流保護，確保#2主變穩定供電。若35kV II母發生故障，對側線路保護會在0.2s內跳開3 DL斷路器進行母線保護，則35kV CX變電站內#1線路會得到穩定供電，也會避免發生全站停電故障。根據當前35kV CX變電站單母線分段配置方式，若2號主變差動保護作用區出現故障，而該故障被35kV母線側的過電流保護裝置所切斷。

3.4 改進措施成效對比

第一種改進措施，在進行全站主變差動保護時，需要重新接入保護出口跳閘回路和高壓側電流互感回路，同時增加閉鎖母分備自投回路，二次回路需要進行大量工作，且對其進行帶載及傳動試驗，因此對其進行詳細的理論分析；第二種改進措施雖然采用母線保護可以快速地將其斷開，但安裝母線保護時，需要將其與各個互感器回路連接起來，而且對二次回路和調試都有較大的影響；而第三種改進措施在35kV母分過流保護中，只要對其進行調節即可，是最容易實施的一種方法。然而，兩種方式僅需經受1個瞬間的短路電流，而三種方式則要經受3個瞬間的短路電流，其所需的持續時間為0.9s（過電流II區0.5s+過電流加速區0.2s+母分過流區0.2s），明顯地對裝置造成較大的影響。

結果表明，在35kV CX變電站中，上述三種方法都可以有效地將故障區域限定在故障母線內，從而達到防止全站停電的目的。方案一、方案二的二次電路的改進雖然具有較大的工程和較多的測試難度，但是在出現故障時僅需經受一次暫態的短路電流；方案三是最簡單的一種方法，但是在最壞狀態下，仍然需要經受3次短路的沖擊，整個過程持續時間為0.9s。

3.5 10kV母線運行方式分析

在35kV CX變電站中，缺少10kV母分斷路器這一關鍵設備。一旦主變停電，相應的10kV母線負載將被切斷。通常情況下，變電站都應該配備10kV母分斷路器，并附帶對應的10kV母分備自投裝置。在第一及第二種優化方案中，當10kV母線分列工作時，主變電站斷電后，10kV母分備會自動啟動。其會跳開主變電站的10kV斷路器，并關閉10kV母分斷路器，這樣所在區域的負載就能重新獲得電力供應。但是，在10kV母線并列工作的情況下，斷開故障母線主變電后，不會對相關的10kV母線產生任何影響。這意味著，當35kV母線發生故障時，無論哪種情況都不會對10kV的負載造成影響。

然而，在方案三中，當10kV母線分列工作時，10kV負載同樣需要通過10kV母分備自啟動來恢復供電。當10kV母線并列工作時，35kV母分過電流保護在35kV母分斷路器上的作用下，無法完全將35kV母分斷路器與10kV母分隔開。根據圖2顯示，即使35kV母線的3DL跳閘，10kV端的線路仍然存在短路電流。因此，方案三可采用10kV母分備自投設備保障二級線路的穩定供電。這種方式可以避免潛在的問題，確保10kV負載在各種情況下都能夠穩定供電。

圖2 10kV母線并列運行時的短路電流

綜上，本文所介紹的三種繼電保護均可將母線故障局限于某一節點，以達到防止整條線路斷電的目的。第一種方法和第二種方法的實現工作量大、操作復雜，第三種方法雖然實現簡單，但是對母線裝置的影響最多會達到3次。在實際進行變電站母線故障處理時，可綜合考慮選出一種能最大限度保障終端變電站的供電可靠的方案。