一起因蓄電池故障造成繼電保護(hù)越級(jí)跳閘事故的分析

黃森炯，王曉，王晴

(寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315010)

0 引言

變電站直流系統(tǒng)主要由充電機(jī)和蓄電池組組成，為站內(nèi)主合閘回路、控制保護(hù)回路、信號(hào)回路及事故照明回路提供直流電源。變電站直流電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行與否直接關(guān)系到全站二次系統(tǒng)是否能正常運(yùn)行［1－2］。如果直流母線(xiàn)失壓，則會(huì)導(dǎo)致變電站繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置等因失去電源而無(wú)法正常動(dòng)作，在此情況下當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)保護(hù)將越級(jí)跳閘，造成停電范圍擴(kuò)大［3］。國(guó)務(wù)院頒發(fā)2011年9月1日起正式實(shí)行的《電力安全事故應(yīng)急處置和事故調(diào)查條例》對(duì)電網(wǎng)的供電可靠性提出了更高的要求。直流系統(tǒng)作為變電站整個(gè)二次系統(tǒng)的“心臟”，如何維護(hù)變電站直流系統(tǒng)可靠運(yùn)行消除事故安全隱患，是變電運(yùn)行面臨的主要問(wèn)題。從事故教訓(xùn)中吸取經(jīng)驗(yàn)并舉一反三，才能更好的在實(shí)際運(yùn)行中保證電網(wǎng)的安全。

1 事故概況

1.1 運(yùn)行方式簡(jiǎn)介

事故變電站簡(jiǎn)化電氣主接線(xiàn)如圖1所示。正常運(yùn)行方式:進(jìn)線(xiàn)1帶110 kV母線(xiàn)、1號(hào)主變、2號(hào)主變運(yùn)行，進(jìn)線(xiàn)2處熱備用狀態(tài)，配置110 kV備用電源自投裝置，兩回進(jìn)線(xiàn)分別由220 kV電源一和電源二送出。其中1號(hào)、2號(hào)主變兩側(cè)并列運(yùn)行，10 kV出線(xiàn)配置CD10型電磁型機(jī)構(gòu)斷路器，事故前全站所用電為1號(hào)補(bǔ)償所變供電。

圖1 事故變電站電氣主接線(xiàn)圖

站內(nèi)直流系統(tǒng)配置微機(jī)監(jiān)控高頻開(kāi)關(guān)直流電源裝置，裝有SR－3雙路交流進(jìn)線(xiàn)切換裝置，但只有一路交流電源供整流充電模塊。其中1號(hào)至5號(hào)整流充電模塊一方面對(duì)蓄電池組進(jìn)行浮充，以補(bǔ)充蓄電池組的自放電，使其保持滿(mǎn)充狀態(tài);另一方面通過(guò)降壓硅鏈供控制母線(xiàn)的直流負(fù)荷［4］。6號(hào)整流充電模塊專(zhuān)供控制母線(xiàn)直流負(fù)荷，平時(shí)不帶負(fù)荷，一旦1號(hào)至5號(hào)整流充電模塊損壞或不能使用，則6號(hào)充電模塊自動(dòng)供控制母線(xiàn)的直流負(fù)荷。事故變站內(nèi)直流系統(tǒng)接線(xiàn)圖如圖2所示。

圖2 事故變電站直流系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

站內(nèi)配置鉛酸全密封蓄電池，其容量為300 Ah，浮充時(shí)的蓄電池單只電壓為2.15 V左右，共配有112只。正常運(yùn)行狀態(tài)下控制母線(xiàn)電壓在225 V，合閘母線(xiàn)電壓240 V。蓄電池組平時(shí)一方面作為變電站的備用直流電源，同時(shí)也作為10 kV開(kāi)關(guān)的合閘電源，分為10 kVⅠ段合閘電源和10 kVⅡ段合閘電源(并列點(diǎn)在10 kV母線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜)，控制母線(xiàn)供控制直流Ⅰ段、控制直流Ⅱ段、事故照明［4－5］。

1.2 事故經(jīng)過(guò)介紹

2011年11月7日9點(diǎn)35分，事故變報(bào)10 kVⅠ、Ⅱ段母線(xiàn)A相單相接地，9點(diǎn)38分運(yùn)行人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)10 kV東江N438線(xiàn)過(guò)流Ⅱ段動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘(重合閘未投)，母線(xiàn)接地信號(hào)消失。線(xiàn)路巡線(xiàn)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障指示儀判斷東江N438故障點(diǎn)在線(xiàn)路的第二級(jí)至末段，在拉開(kāi)東江N438線(xiàn)第一級(jí)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)后，調(diào)度發(fā)令對(duì)東江N438線(xiàn)進(jìn)行試送。10點(diǎn)50分，當(dāng)運(yùn)行人員操作合上事故變東江N438線(xiàn)開(kāi)關(guān)時(shí)，發(fā)生全站失電且直流消失現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn):220 kV電源一110 kV進(jìn)線(xiàn)1相間距離Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作SL1開(kāi)關(guān)跳閘;110 kV事故變主變保護(hù)及東江N438線(xiàn)保護(hù)均未動(dòng)作，事故變站內(nèi)所有開(kāi)關(guān)均未跳閘，且110 kV備自投未動(dòng)造成全站失電。在對(duì)事故變10 kV東江N438線(xiàn)開(kāi)關(guān)進(jìn)行手動(dòng)分閘后，調(diào)度發(fā)令恢復(fù)對(duì)事故變送電。

2 事故原因分析

2.1 事故調(diào)查經(jīng)過(guò)

對(duì)110 kV事故變直流系統(tǒng)進(jìn)行了全面檢查:全站停電時(shí)測(cè)量蓄電池輸出電壓只有16 V至20 V之間，蓄電池室有明顯焦味;全站恢復(fù)送電后站內(nèi)直流母線(xiàn)電壓正常，充電機(jī)輸入、輸出正常，76號(hào)電池明顯故障變形，測(cè)量其內(nèi)阻達(dá)到2000Ω(正常應(yīng)不大于0.5 mΩ)，基本判定該電池開(kāi)路故障。之后對(duì)蓄電池進(jìn)行靜態(tài)放電試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)又有幾個(gè)電池開(kāi)路，基本確定整組電池已無(wú)法運(yùn)行。

對(duì)蓄電池進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn):故障蓄電池負(fù)極極板完全硫化(硫化鉛)并斷裂。如圖3所示。

圖3 故障蓄電池解體圖

2.2 蓄電池開(kāi)路原因分析

蓄電池負(fù)極極板材質(zhì)原因造成極板、極柱和導(dǎo)流板過(guò)快硫化，在未到使用年限(5年)已經(jīng)完全變成硫化鉛，導(dǎo)致極板出現(xiàn)粉狀脆化，并出現(xiàn)裂紋，與極柱的連接部位的強(qiáng)度明顯減弱，在合閘電流大電流的沖擊下，容易出現(xiàn)極柱斷裂，導(dǎo)致開(kāi)路。

運(yùn)行人員在10點(diǎn)50分合10 kV東江N438線(xiàn)開(kāi)關(guān)時(shí)仍能合上，說(shuō)明當(dāng)時(shí)蓄電池仍未開(kāi)路，直流仍能正常輸出，而東江N438線(xiàn)過(guò)流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限為0.3 s，故從開(kāi)關(guān)合閘后至0.3 s之間蓄電池組因電磁型開(kāi)關(guān)合閘時(shí)產(chǎn)生的大電流最終導(dǎo)致了開(kāi)路，事后蓄電池室有明顯焦味證明了這一點(diǎn)。

2.3 10 kV線(xiàn)路保護(hù)拒動(dòng)導(dǎo)致越級(jí)跳閘原因分析

事故后對(duì)10 kV東江N438線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢查巡線(xiàn)后發(fā)現(xiàn)110 kV事故變至第一級(jí)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)之間距離變電站約3 km處發(fā)現(xiàn)電纜A、B兩相破損嚴(yán)重，判斷由A相接地引發(fā)的相間短路，符合當(dāng)時(shí)變電站出現(xiàn)的接地信號(hào)及跳閘現(xiàn)象。由于短路點(diǎn)距離變電站10 kV母線(xiàn)只有3公里，經(jīng)過(guò)計(jì)算母線(xiàn)殘壓只為額定母線(xiàn)電壓的10%左右，致使接在10 kV母線(xiàn)上的1號(hào)站用變輸出電壓及硅整流的輸出電壓只有20 V左右，硅整流不能正常工作。

在此情況下，本應(yīng)由蓄電池組提供直流電源，以保證東江N438線(xiàn)路及主變保護(hù)動(dòng)作跳閘，由于10 kV電磁型開(kāi)關(guān)合閘瞬間輸出大電流，大電流沖擊導(dǎo)致蓄電池組的76號(hào)電池開(kāi)路無(wú)法正常輸出，76號(hào)電池經(jīng)測(cè)量?jī)?nèi)阻為2000Ω，使得蓄電池組處于有電壓而無(wú)足夠電流輸出的狀態(tài)，所以造成站用直流電壓達(dá)不到保護(hù)及自動(dòng)裝置的最低動(dòng)作電壓(額定電壓的80%)水平，導(dǎo)致了全站保護(hù)拒動(dòng)。SL1開(kāi)關(guān)距離Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限為2.6 s跳閘隔離故障(重合閘未投)，同樣110 kV事故變的備自投裝置由于全站直流電源電壓不足在本次事故中未動(dòng)作，最終事故變?nèi)臼щ姟?/p>

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)事故調(diào)查及對(duì)蓄電池解體檢查，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析蓄電池由于質(zhì)量原因，在大電流沖擊下開(kāi)路是導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)的直接原因，10 kV出線(xiàn)電纜破損出線(xiàn)單相接地繼而引發(fā)相間故障是導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)的間接原因。

3 改進(jìn)措施及建議

目前110kV變電站典型設(shè)計(jì)普遍采用單電單充直流系統(tǒng)供電模式，蓄電池開(kāi)路導(dǎo)致變電站備用直流電源失去。若此時(shí)變電站低壓側(cè)母線(xiàn)發(fā)生近區(qū)故障，使得硅整流輸出電壓達(dá)不到要求全站保護(hù)失去作用，擴(kuò)大事故停電范圍。為解決這一問(wèn)題，可以采取加強(qiáng)變電站蓄電池運(yùn)行管理、改造站內(nèi)10 kV電磁型開(kāi)關(guān)及直流系統(tǒng)和改變站內(nèi)運(yùn)行方式三方面措施，具體分析如下。

3.1 加強(qiáng)蓄電池運(yùn)行管理

以浮充方式運(yùn)行的蓄電池由于長(zhǎng)時(shí)間不放電，負(fù)極板上的活性物質(zhì)容易產(chǎn)生硫化鉛PbSO4結(jié)晶，不易還原。閥控式密封鉛酸電池雖稱(chēng)為免維護(hù)電池，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為保證放電容量和延長(zhǎng)使用壽命，必須對(duì)其進(jìn)行定期充放電和日常的維護(hù)工作:

(1)進(jìn)一步加強(qiáng)蓄電池的巡視和檢查，每月應(yīng)測(cè)量一次單體及總電壓，對(duì)超標(biāo)的蓄電池應(yīng)予以更換，電壓超標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn):超過(guò)平均電壓的4～10%。定期開(kāi)展蓄電池動(dòng)態(tài)充放電，并要求記錄充放電后蓄電池電壓和電阻情況。蓄電池端電壓值只是蓄電池參數(shù)的一種，有時(shí)并不能斷定蓄電池的好壞，蓄電池內(nèi)阻值卻能正確反映蓄電池的帶負(fù)載能力，所以宜經(jīng)常進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻測(cè)定操作。

(2)對(duì)運(yùn)行三年以?xún)?nèi)的電池每年進(jìn)行放電容量為全容量40%的放電試驗(yàn);對(duì)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)三年的電池，應(yīng)每年進(jìn)行全核對(duì)性放電試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)3次試驗(yàn)后，蓄電池容量仍然達(dá)不到額定容量的80%以上，可認(rèn)為電池使用壽命已到，應(yīng)進(jìn)行更換。當(dāng)一組電池中有個(gè)別電池容量不足，可個(gè)別更換，但更換前必須活化新電池;當(dāng)一組電池中有較多電池(占數(shù)量的1/3以上)低于80%額定容量，應(yīng)整組進(jìn)行更換。充電過(guò)程中如電池溫度超過(guò)45度，必須停止充電或轉(zhuǎn)換為浮充狀態(tài)，以免損壞電池。

(3)完善現(xiàn)有PI蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能，當(dāng)某只蓄電池內(nèi)部短路而引起其他蓄電池過(guò)充時(shí)能適時(shí)發(fā)出過(guò)充告警，不管是由于蓄電池內(nèi)部開(kāi)路還是蓄電池熔斷器故障，只要蓄電池開(kāi)路達(dá)到一定延時(shí)，即可發(fā)出電池開(kāi)路報(bào)警。

(4)加強(qiáng)蓄電池缺陷管理，蓄電池電壓異常的缺陷必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)消缺，防止消缺周期過(guò)長(zhǎng)造成事故安全隱患，消缺結(jié)束后嚴(yán)格執(zhí)行驗(yàn)收及缺陷閉環(huán)流程。

3.2 整改10 kV電磁型斷路器

事故變電站直流系統(tǒng)采用控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電的模式。直流系統(tǒng)蓄電池組正極連接站內(nèi)直流合閘母線(xiàn)，電壓為240 V;直流控制母線(xiàn)是由合閘母線(xiàn)通過(guò)硅鏈降壓至225 V。由于站內(nèi)配置CD10型電磁型機(jī)構(gòu)斷路器，當(dāng)斷路器合閘時(shí)其合閘線(xiàn)圈動(dòng)作電流高達(dá)99 A，蓄電池內(nèi)阻很小，斷路器合閘時(shí)會(huì)造成很大沖擊電流。電磁型開(kāi)關(guān)沒(méi)有儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)一旦合閘母線(xiàn)失壓達(dá)不到電磁繼電器的最低動(dòng)作電壓，開(kāi)關(guān)將無(wú)法分閘，故電磁型開(kāi)關(guān)對(duì)直流系統(tǒng)要求更高。

如果把10 kV開(kāi)關(guān)更換改造成彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，正常運(yùn)行時(shí)有交流儲(chǔ)能電機(jī)壓縮彈簧進(jìn)行儲(chǔ)能，即使全站所用電失去，當(dāng)開(kāi)關(guān)接到分閘指令時(shí)仍能正確動(dòng)作分閘。合閘母線(xiàn)不會(huì)受到?jīng)_擊電流，蓄電池工作條件改善運(yùn)行壽命更長(zhǎng)。這給設(shè)計(jì)110 kV變電站直流系統(tǒng)和二次配置時(shí)提供了參考，專(zhuān)供控制負(fù)荷的直流系統(tǒng)可以采用110 V供電模式節(jié)省部分蓄電池組，配置相應(yīng)電壓等級(jí)的保護(hù)及自動(dòng)裝置，在一定程度上縮減了變電站設(shè)備投資，同時(shí)直流系統(tǒng)安全運(yùn)行更具可靠性。

3.3 調(diào)整變電站運(yùn)行方式

如果限于各種條件因素制約對(duì)變電站蓄電池或電磁型開(kāi)關(guān)整改期限較長(zhǎng)，可以考慮在現(xiàn)有條件下通過(guò)調(diào)整變電站正常運(yùn)行方式來(lái)規(guī)避或減小電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，以110 kV事故變?yōu)槔饕蛇x擇的運(yùn)行方式有以下兩種:

(1)1號(hào)、2號(hào)主變高壓側(cè)并列運(yùn)行投入110 kV線(xiàn)路備自投方式，低壓側(cè)采取分列運(yùn)行，投入10 kV母分備自投方式。此方式優(yōu)點(diǎn)為當(dāng)站內(nèi)蓄電池開(kāi)路后如果東江N438線(xiàn)故障，所用電由2號(hào)所變供時(shí)，由于兩者不在同一母線(xiàn)上且母分開(kāi)關(guān)熱備用狀態(tài)，硅整流輸出電壓保持穩(wěn)定不受故障影響，線(xiàn)路保護(hù)仍能正確動(dòng)作切除故障，不會(huì)造成全站停電。缺點(diǎn)是當(dāng)供所用電的所變與故障線(xiàn)路在同一母線(xiàn)時(shí)仍會(huì)發(fā)生全站停電事故。同時(shí)要求主變滿(mǎn)足“N－1”條件，如果低壓側(cè)兩段母線(xiàn)負(fù)荷分配不均則不利于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(2)1號(hào)、2號(hào)主變高低壓側(cè)均采取分列運(yùn)行，投入母分備自投。這種方式包含了上述運(yùn)行方式下的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)生故障時(shí)最嚴(yán)重結(jié)果只會(huì)導(dǎo)致全站1臺(tái)主變停電，另一臺(tái)主變?nèi)阅鼙ＷC正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一座110 kV變電站全停事故的詳細(xì)分析，提出三方面改進(jìn)措施來(lái)避免此類(lèi)事故的發(fā)生:一是加強(qiáng)變電站蓄電池運(yùn)行管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題蓄電池組消除安全隱患;二是改造10 kV電磁型開(kāi)關(guān)及站內(nèi)直流系統(tǒng)，站內(nèi)直流不再供動(dòng)力負(fù)荷，改造后直流母線(xiàn)電壓降低，減少了蓄電池?cái)?shù)量，同時(shí)可以避免開(kāi)關(guān)合閘時(shí)大沖擊電流流過(guò)直流合閘母線(xiàn)造成對(duì)蓄電池組的沖擊;三是在條件允許情況下改變變電站運(yùn)行方式，避免低壓側(cè)故障造成正常段母線(xiàn)電壓跌落。運(yùn)行實(shí)踐證明這三種改進(jìn)措施能有效降低變電站內(nèi)直流故障的風(fēng)險(xiǎn)，保證了繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的可靠運(yùn)行。

［1］ 國(guó)網(wǎng)公司直流電源系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范［S］.國(guó)家電網(wǎng)生計(jì)［2005］172號(hào).

［2］ 國(guó)網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(直流部分)［S］.國(guó)家電網(wǎng)生計(jì)［2005］400號(hào).

［3］ 趙軍，石光，黃小川，等.一起變電站直流母線(xiàn)失電原因分析及解決方案［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(23):122－124.

［4］ 徐凱，對(duì)110 kV變電站直流系統(tǒng)改造方案的探討［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(7):116 －123.

［5］ 董明，魏秉政，變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問(wèn)題分析［J］.繼電器，2006，34(3):82－84.