直流故障引起的線路保護誤動作事件分析

劉孝剛，黃浩聲，崔曉祥，蔡振輝

(1.江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京 211102；2 江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京 211103)

直流系統(tǒng)是至關重要的電源系統(tǒng)，它為電力系統(tǒng)的控制回路、信號回路、繼電保護、自動裝置及事故照明等提供可靠穩(wěn)定的不間斷電源，還為斷路器的分、合閘提供操作電源。盡管直流電源相對穩(wěn)定可靠，但由于其在電力系統(tǒng)應用中的特殊性和重要性，極易使得直流系統(tǒng)自身故障演化成電力系統(tǒng)更大的故障[1]。

1 保護動作情況

某日，220 kV 線路1 因風箏掛線發(fā)生AB 相間短路，線路兩側開關三跳未重合，保護正確動作。11 s后，相鄰220 kV 變電站A 線路2 第一套保護WXH-803 距離Ⅲ段動作，跳開線路開關，第二套保護PSL-603 保護只啟動，未動作。故障系統(tǒng)接線示意如圖1 所示。其中變電站C 由變電站A 通過線路2 單線饋供。

圖1 故障系統(tǒng)接線示意圖

2 故障檢查及分析

現(xiàn)場對220 kV 變電站A 線路2 第一套WXH-803 保護開展相關試驗，裝置檢查結果正常。檢查發(fā)現(xiàn)變電站內(nèi)第一套保護均啟動。另外，還發(fā)現(xiàn)站內(nèi)Ⅱ段直流電源消失，恢復供電后進行模擬全站所用電全失試驗，發(fā)現(xiàn)在切斷直流Ⅱ段充電機交流電后，直流電壓有短時下降現(xiàn)象。為查找直流電壓下降原因，對站內(nèi)直流電源系統(tǒng)進行了檢查，同時對直流系統(tǒng)故障原因開展分析。

2.1 Ⅱ段直流母線電壓告警分析

故障發(fā)生時，直流絕緣在線監(jiān)測裝置記錄到Ⅱ段母線相關告警信息，告警值為69.2 V。裝置Ⅱ段直流電壓欠壓定值為198 V，而此次動作值顯示僅為69.2 V，表明故障發(fā)生時刻，直流母線電壓從額定220 V 急劇下降，導致在裝置動作時，第一個采樣點幅值（69.2 V）已遠低于定值。

2.2 Ⅱ段直流母線電壓降低原因分析

針對直流電壓下降的情況進一步開展分析，圖2為Ⅱ段直流系統(tǒng)脫開充電裝置后，由蓄電池組給直流負載帶電的系統(tǒng)簡圖。絕緣監(jiān)測裝置中平衡橋的2個電阻阻值相等約47 kΩ，鉗制直流正負母線對地電壓。

圖2 Ⅱ段直流系統(tǒng)簡圖

絕緣監(jiān)測裝置檢測的直流電壓是正母線與負母線之間的電壓，母線直流電壓降低有可能是蓄電池組故障或是蓄電池組至直流母線電壓之間有電阻分壓，如螺絲沒有擰緊、接觸不良等。對該回路進行了仔細的檢查，發(fā)現(xiàn)蓄電池組與正負母線的回路接觸良好，排除蓄電池組至直流母線電壓之間存在電阻分壓的可能。進一步檢查Ⅱ段母線上蓄電池組在線監(jiān)測裝置相關告警信息，發(fā)現(xiàn)故障當日凌晨，在運行人員送上充電機交流電源給蓄電池組充電過程中，30 號蓄電池電壓3 次超限，最高電壓達到11.58 V，如表1 所示。根據(jù)DL/T 724—2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規(guī)程》規(guī)定，蓄電池組充電電壓調(diào)整范圍為90%～130%（6 V，12 V 閥控式蓄電池）[2]，變電站站內(nèi)蓄電池單節(jié)標稱電壓為6 V，充電電壓范圍應為5.4～7.8 V，30 號蓄電池充電電壓明顯過高。

充電過程中蓄電池電壓過高是蓄電池內(nèi)部存在故障的一個特征，蓄電池內(nèi)部故障會導致蓄電池組放電時端電壓迅速下降，因此在變電站充電裝置斷電，由第二組蓄電池組直接帶負載時，由于其30 號蓄電池內(nèi)部存在故障，致使蓄電池組直流電壓迅速下降，造成直流系統(tǒng)失電故障。事后將該組蓄電池更換，對30 號蓄電池進行電導測試，測試結果為0 S，即內(nèi)阻無窮大，表明蓄電池內(nèi)部確實存在物理故障。

表1 單節(jié)蓄電池超限信息

2.3 故障過程分析

線路1 因風箏掛線發(fā)生AB 相間短路，導致變電站A 220 kV 母線AB 相電壓下降，35 kV 母線電壓隨之下降，變電站A 1 號所用變（35 kV 側電壓取自本站一段母線）、2 號所用變（35 kV 側電壓取自L1 線路，由變電站C 轉某35 kV 變電站再接回變電站A）低壓側401，402 開關因失壓瞬時脫扣跳開，站內(nèi)直流母線I，II的充電裝置失去交流電，由2 組蓄電池給負載供電。變電站A直流系統(tǒng)結構如圖3 所示。

圖3 變電站A 直流系統(tǒng)結構

Ⅰ段直流母線的蓄電池組帶負載成功，Ⅱ段直流母線蓄電池組由于單節(jié)電池內(nèi)部虛斷，造成直流母線電壓跌落，使接于Ⅱ段直流母線的220 kV 電壓互感器（TV）并列裝置中的交流電壓切換繼電器（單位置繼電器）失去直流電而返回，導致全站保護失去母線電壓。在區(qū)外線路故障的影響下，線路2 第一套保護裝置WXH-803 啟動，當三相母線電壓消失后，相間測量阻抗為0，由于保護正處于啟動后的故障處理程序中，不判TV 斷線，因此在達到距離三段的延時后，保護動作出口跳開線路開關。WXH-803 保護故障錄波如圖4所示。

圖4 WXH-803 保護錄波圖

由圖4 可見，在保護跳閘前，線路2 二次三相電壓均已消失，而三相電流仍為正常的負荷電流，呈典型的TV 斷線特征。

線路2 第二套保護由于Ⅱ段直流母線失電造成裝置失電，保護只啟動沒有動作出口。因此，本次故障是由于區(qū)外線路故障引起變電站35 kV 母線電壓下降，所變低壓側總開關因低壓瞬時脫扣，造成1 號、2 號充電機交流失電，全站直流負荷由1 號、2 號蓄電池組供電。由于2 號蓄電池組單節(jié)電池內(nèi)部故障，Ⅱ段直流母線電壓急劇下降，導致接于Ⅱ段直流母線的TV 并列裝置失電，線路2 第一套保護WXH-803 裝置三相電壓消失，距離Ⅲ段動作出口。

3 整改措施

本次故障暴露了諸多問題，如該變電站所用變交流電源設計不合理、蓄電池組在線監(jiān)測系統(tǒng)功能不夠完善及所變低壓側開關低壓脫扣方式不合理等，需及時采取以下措施加以解決。

（1）加強直流系統(tǒng)的運行和維護。蓄電池正常都以浮充方式運行，因長時間不放電，負極板上的活性物質(zhì)易產(chǎn)生硫化鉛結晶，不易還原，為保證放電容量和延長使用壽命，必須對其進行定期充放電和日常維護。

（2）完善現(xiàn)有蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)功能。當某只蓄電池內(nèi)部開路而引起其他蓄電池過充時能適時發(fā)出過充告警，蓄電池開路達到一定延時即可發(fā)出電池開路報警[4]。

（3）規(guī)范所用變低壓側失壓脫扣裝置運行方式。脫扣裝置需帶一定延時，以便與繼電保護動作時間相配合，避免由于區(qū)外故障的短時擾動即導致所變低壓側失電。

（4）嚴格執(zhí)行反措，規(guī)范電壓并列及切換回路設計。對TV 并列裝置進行嚴格檢查，確保TV 并列裝置刀閘接點雙位置開入[3]。因TV 并列裝置涉及全站電壓，其一旦失電，影響全站保護正常運行，必須使用雙位置繼電器，即使直流電源失去，由于繼電器具有自保持功能，保護不會失去電壓。

（5）對于重要的220 kV 聯(lián)絡變電站，所用變的兩路交流電源應取自不同的可靠電源點，避免所用變兩路電源同時失電。

4 結束語

通過詳細地現(xiàn)場檢查與分析，確定了區(qū)外故障下線路保護不正確動作的原因及直流蓄電池故障所在，并進一步提出了整改措施，為防止類似直流系統(tǒng)故障的發(fā)生提供了借鑒。

[1]譚重偉，梅 俊，歐陽德剛，等.500 kV 變電站直流系統(tǒng)故障分析及應對措施[J].湖北電力，2006，06(3)：29-31.

[2]DL/T 724—2000，電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規(guī)程[S].

[3]國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施[M].北京：中國電力出版社，2005：76-89.

[4]黃森炯，王 曉，王 晴.蓄電池故障對110 kV 變電站安全運行影響分析探討[J].蓄電池，2012，49(5)：212-214.