斷路器故障引起500 kV變壓器跳閘的原因分析及解決方案

計(jì)榮榮，葉海明，鄒 暉，吳米佳，段開元，張 波

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

500 kV交流輸電網(wǎng)是我國骨干電網(wǎng)輸電的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，承擔(dān)著超高壓電力輸送和電能分配的重要任務(wù)，保障著整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。500 kV主變壓器是電壓變換和電能傳遞的核心設(shè)備，是電網(wǎng)內(nèi)最重要的主設(shè)備之一，配置全方位無死角保護(hù)[2-3]。然而，在主變壓器本體設(shè)備外，主變壓器的低壓側(cè)設(shè)備常常被忽視。由于低壓側(cè)設(shè)備質(zhì)量參差不齊，設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生，容易影響主變壓器正常運(yùn)行。

另一方面，500 kV變電站在國內(nèi)布置密度較高，主變壓器及附屬設(shè)備也較多，特別在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)由于土地成本高，一些變電站結(jié)構(gòu)布置十分緊湊。因此，某些變電站取消了主變壓器低壓側(cè)斷路器以節(jié)省土地資源。導(dǎo)致主變壓器低壓側(cè)設(shè)備故障引起主變壓器跳閘，在極端情況下，設(shè)備故障解體還會(huì)致使同區(qū)域內(nèi)相鄰其他設(shè)備遭受連帶損壞，擴(kuò)大故障范圍，影響電網(wǎng)安全。

本文針對(duì)一起500 kV變電站主變壓器低壓側(cè)電抗器（以下簡稱“低抗”）間隔斷路器故障引起500 kV主變壓器跳閘事件進(jìn)行了原因分析，從保護(hù)配置上提出了具體解決方案，并通過類似案例比較驗(yàn)證了效果。

1 故障前運(yùn)行方式

故障發(fā)生前H站運(yùn)行方式如圖1所示。500 kVⅠ母、Ⅱ母，220 kV正/副母Ⅰ段、Ⅱ段，4號(hào)主變壓器及三側(cè)設(shè)備均正常運(yùn)行。

圖1 H站故障發(fā)生前運(yùn)行方式

2 故障分析

2.1 保護(hù)配置情況

4號(hào)主變壓器配置雙套主變壓器差動(dòng)保護(hù)（主保護(hù)）以及距離保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、中性點(diǎn)零流保護(hù)和低壓側(cè)過流保護(hù)等后備保護(hù)，35 kV低抗配置電抗器過流保護(hù)。4號(hào)主變壓器CT配置及保護(hù)配置如圖2所示。

圖2 H站4號(hào)主變壓器CT配置及保護(hù)配置

保護(hù)定值如下：

主變壓器差動(dòng)速斷：6.81 kA，延時(shí)0 s。

主變壓器分相差動(dòng)：0.454 kA，延時(shí)0 s；采用變壓器高、中壓側(cè)外附CT和低壓側(cè)套管CT。

主變壓器中性點(diǎn)零流：320 A，延時(shí)4.5 s。

主變壓器過負(fù)荷保護(hù)：本側(cè)電流額定電流的1.1倍，延時(shí)6 s，僅發(fā)告警信號(hào)。

主變壓器低壓側(cè)過流Ⅱ段：5.6 kA，延時(shí)1.0 s，跳主變壓器三側(cè)斷路器。

主變壓器低壓側(cè)過流Ⅰ段：由于無低壓側(cè)斷路器，停用。

35 kV低抗過流Ⅰ段：5.94 kA，延時(shí)0.2 s。

35 kV低抗過流Ⅱ段：1.49 kA，延時(shí)0.7 s。

以上保護(hù)配置是較為典型的主變壓器（低壓側(cè)無斷路器）保護(hù)配置方式[4-5]。

可以看出，在主變壓器低壓側(cè)套管CT至低壓側(cè)母線各出線分支CT之間（含低壓側(cè)母線范圍）無差動(dòng)主保護(hù)配置，主要依靠主變壓器低壓側(cè)過流（后備）保護(hù)。

2.2 保護(hù)動(dòng)作行為分析

通過故障錄波及監(jiān)控系統(tǒng)遙信記錄，將4號(hào)主變壓器1號(hào)低抗341斷路器的故障過程還原如下：

（1）14：31：35， AVC（自動(dòng)電壓控制）動(dòng)作拉開4號(hào)主變壓器1號(hào)低抗341斷路器。

（2）根據(jù)位置遙信判斷，斷路器未分閘到位。結(jié)合4號(hào)主變壓器低壓側(cè)套管CT采樣錄波，確認(rèn)仍有約1 kA的負(fù)荷電流存在，持續(xù)時(shí)間約12 s。但由于不超過主變壓器低壓側(cè)過流定值（5.6 kA），故保護(hù)均未動(dòng)作。

（3）14：31：47， 4 號(hào)主變壓器 1 號(hào)低抗 341 斷路器發(fā)展成三相對(duì)地金屬性短路，故障電流躍增至19 kA，超過主變壓器低壓側(cè)過流Ⅱ段定值。

（4）1.0 s后，4號(hào)主變壓器低壓側(cè)過流保護(hù)動(dòng)作出口，約0.1 s后，4號(hào)主變壓器高/中壓側(cè)斷路器跳開，故障電流清除。

故障時(shí)序如圖3所示。

圖3 4號(hào)主變壓器1號(hào)低抗斷路器故障時(shí)序

分析認(rèn)為，短路點(diǎn)在主變壓器低壓側(cè)套管CT外，屬主變壓器差動(dòng)區(qū)外故障，因此主變壓器差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。故障發(fā)展為三相對(duì)稱接地短路后，主變壓器其他保護(hù)均不動(dòng)作。由于故障點(diǎn)在1號(hào)低抗斷路器處，斷路器后置CT未感受到故障電流，因此低抗過流保護(hù)不動(dòng)作。最后，故障電流超過主變壓器低壓側(cè)過流定值，主變壓器低壓側(cè)保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作行為正確。

2.3 故障影響

故障起因?yàn)?號(hào)主變壓器1號(hào)低抗341斷路器在分閘過程中傳動(dòng)部件出現(xiàn)脫離導(dǎo)致滅弧失敗，長期拉弧后引發(fā)斷路器三相接地短路，大量能量將斷路器滅弧室瓷套炸裂，使周圍設(shè)備嚴(yán)重受損。

事故造成影響分析如下：

（1）短路故障時(shí)每相斷路器產(chǎn)生能量估算：

W=UIt=20 kV×19 kA×1.1 s=41.8 MJ ， （1）

式中：U為三相短路時(shí)低壓側(cè)母線電壓；I為三相短路時(shí)341斷路器單相電流；t為三相短路持續(xù)時(shí)間。

這么大能量短時(shí)間內(nèi)在斷路器內(nèi)部動(dòng)靜觸頭間產(chǎn)生，使SF6（六氟化硫）氣體急速膨脹，瞬間超過斷路器外瓷套承受壓力使其炸裂。

（2）設(shè)備影響

由于本次故障能量巨大，4號(hào)主變壓器1號(hào)低抗341斷路器嚴(yán)重?fù)p壞。其中斷路器A相的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)外殼燒蝕嚴(yán)重，水平連桿被扭轉(zhuǎn)約60°；B相、C相轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)外殼底部洞穿。同時(shí)，瓷套碎片引起附近主變壓器三相散熱片多處破損滲油，多個(gè)斷路器、隔離開關(guān)、CT等設(shè)備套管及瓷瓶傘裙破損。部分瓷瓶碎片飛濺百米開外，損傷遠(yuǎn)端設(shè)備。

（3）故障電流對(duì)主變壓器影響

主變壓器低壓側(cè)短路后，主變壓器高中壓側(cè)提供貫穿型故障電流。由于無主保護(hù)動(dòng)作，主變壓器各元件持續(xù)承受較長時(shí)間的短路電流，嚴(yán)重時(shí)可引起主變壓器溫度迅速上升，使繞組、夾件和匝絕緣遭受損壞。

經(jīng)油色譜等檢測(cè)試驗(yàn)，本次故障主變壓器總烴等部分?jǐn)?shù)據(jù)稍偏高，但不影響繼續(xù)運(yùn)行。

可以認(rèn)為，按照目前保護(hù)配置和整定原則，主變壓器低壓側(cè)母線附近接地故障不能瞬時(shí)切除，導(dǎo)致短路電流將較長時(shí)間流經(jīng)主變壓器，給主變壓器安全帶來較大隱患。

3 同類故障比較

3.1 同類型斷路器故障

某日，另一變電站（M站）2號(hào)主變壓器低壓側(cè)2號(hào)低抗斷路器出現(xiàn)同類型故障。

不同的是，M變電站2號(hào)主變壓器在低壓側(cè)配置總斷路器，同時(shí)，在配置主變壓器差動(dòng)保護(hù)及過流保護(hù)外，還在低壓側(cè)母線配置35 kV母差保護(hù)，如圖4所示。

圖4 M站2號(hào)主變壓器CT配置及保護(hù)配置

故障情況如下：2號(hào)主變壓器低壓側(cè)2號(hào)低抗3722斷路器出現(xiàn)單相接地，電壓降低至3 kV以下；75 ms后發(fā)展為A相、B相間故障，出現(xiàn)短路故障電流；15 ms后主變壓器低壓側(cè)母差保護(hù)動(dòng)作出口，又經(jīng)過50 ms主變壓器低壓側(cè)斷路器跳開，故障切除，主變壓器仍繼續(xù)運(yùn)行。

故障時(shí)序遞進(jìn)如圖5所示。

圖5 2號(hào)主變壓器2號(hào)低抗斷路器故障時(shí)序遞進(jìn)

3.2 保護(hù)動(dòng)作及影響情況比較

（1）M站2號(hào)主變壓器低壓側(cè)設(shè)置斷路器，低抗斷路器故障后保護(hù)動(dòng)作跳開低壓側(cè)斷路器，故障被有效隔離，主變壓器仍繼續(xù)運(yùn)行，未導(dǎo)致非計(jì)劃停運(yùn)。

（2）M站2號(hào)主變壓器低壓側(cè)母線配置35 kV母差保護(hù)，作為低壓側(cè)母線的主保護(hù)。低抗斷路器故障后，35 kV母差保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作，立即切除故障，該故障整體持續(xù)時(shí)間僅為140 ms。

（3）低抗斷路器承受較短時(shí)間的故障電流（15 kA），短路能量累積較小。經(jīng)核算，其故障累計(jì)能量僅為：

式中：U為三相短路時(shí)低壓側(cè)母線電壓；I為三相短路時(shí)321斷路器單相電流；t為三相短路持續(xù)時(shí)間。

該能量僅為H站故障能量的15%，未出現(xiàn)斷路器粉碎性炸裂情況。故障后，斷路器瓷套分裂成幾塊大型碎片，散落在321斷路器周邊5 m區(qū)域內(nèi)，對(duì)周圍設(shè)備影響很小。

4 結(jié)論

通過對(duì)一起斷路器故障引起變壓器跳閘的原因分析，得到以下結(jié)論：

（1）主變壓器低壓側(cè)配置斷路器。目前主變壓器低壓側(cè)一般配置多臺(tái)低抗、電容器及所用變?cè)O(shè)備，故障概率較大，特別在低壓側(cè)間隔斷路器出現(xiàn)故障不能切除故障間隔時(shí)，低壓側(cè)斷路器可及時(shí)切除低壓側(cè)設(shè)備，隔離故障，避免事故擴(kuò)大。主變壓器低壓側(cè)配置斷路器，可較大程度上減少低壓側(cè)設(shè)備故障引起主變壓器非計(jì)劃停運(yùn)概率[6]。

（2）主變壓器低壓側(cè)母線增加母差保護(hù)。若主變壓器低壓側(cè)無母差保護(hù)，則主變壓器低壓側(cè)斷路器（或CT）至低壓側(cè)各間隔的斷路器（或CT）之間范圍（包含低壓側(cè)母線）缺乏主保護(hù)配置。配置低壓側(cè)母差保護(hù)可顯著降低短路故障持續(xù)時(shí)間，避免設(shè)備進(jìn)一步損壞。當(dāng)僅采用主變壓器低壓側(cè)過流保護(hù)作為低壓母線故障的后備保護(hù)時(shí)，故障切除存在較長的延時(shí)[7-8]。

（3）主變壓器低壓側(cè)增加過流速斷保護(hù)。當(dāng)僅采用主變壓器低壓側(cè)過流Ⅱ段保護(hù)作為低壓母線故障的后備保護(hù)時(shí)，動(dòng)作時(shí)限一般在1 s左右，這樣，故障切除就存在一定的延時(shí)。當(dāng)主變壓器低壓側(cè)增加過流速斷保護(hù)后，定值按低壓側(cè)可能流過最大負(fù)荷電流的3～5倍考慮，時(shí)間一般在0.2～0.5 s，可快速切除大故障電流故障，且整定簡單，不增加一次設(shè)備投資?？紤]到當(dāng)前低壓側(cè)斷路器質(zhì)量問題較多，應(yīng)通過保護(hù)合理配置，避免引發(fā)主變壓器故障[9-11]。