500 kV主變斷路器雙重失靈風(fēng)險(xiǎn)分析及解決方案

楊遠(yuǎn)航，李銀銀，聶文峰，李本瑜，解良

（1. 云南電力調(diào)度控制中心， 昆明 650011；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司普洱供電局，云南 普洱 665000）

0 前言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷加大和日益復(fù)雜的區(qū)域聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，維持電網(wǎng)的安全運(yùn)行也日益困難。在超高壓電力系統(tǒng)中，保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)隨著設(shè)備的增加而加劇，存在不能及時(shí)切除故障而導(dǎo)致電網(wǎng)失穩(wěn)或大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，變電站的建設(shè)容量不斷提高，500kV變壓器在超高壓系統(tǒng)的地位極其重要[1]。因此需要相當(dāng)完善的措施保證500kV變壓器的安全運(yùn)行。

通常，500kV主變配置兩套完全獨(dú)立的電氣量保護(hù)和一套非電氣量保護(hù)。此外，500kV變壓器各側(cè)斷路器均配置失靈保護(hù)作為近后備保護(hù)[2-3]。根據(jù)南網(wǎng)規(guī)程，500kV母線、變壓器和線路近端故障時(shí)，系統(tǒng)對(duì)故障極限切除時(shí)間的要求為90ms。但就目前主變的失靈邏輯來說，當(dāng)500kV變電站中保護(hù)動(dòng)作需要聯(lián)跳三側(cè)斷路器時(shí)，若500KV主變中壓側(cè)和高壓側(cè)斷路器同時(shí)拒動(dòng)，即雙重失靈時(shí)，只能依靠主變或線路后備保護(hù)來隔離故障，故障持續(xù)時(shí)間較長，無法滿足系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)故障快速切除的要求，直接威脅著電氣設(shè)備的安全和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文針對(duì)500kV主變斷路器雙重失靈保護(hù)回路進(jìn)行了分析，針對(duì)可能出現(xiàn)雙重失靈問題，結(jié)合目前的保護(hù)邏輯和回路，從保護(hù)裝置改造和二次回爐改造等方面提出了三種改造方案，并對(duì)其進(jìn)行分析對(duì)比。

1 500kV主變斷路器失靈保護(hù)回路

1.1 主變高壓側(cè)斷路器失靈保護(hù)

500kV變壓器各側(cè)的典型接線方式如圖 1所示。由于3/2接線方式有較高的可靠性和運(yùn)行靈活性，在500kV電壓等級(jí)的一次接線中得到廣泛運(yùn)用。主變高壓側(cè)斷路器失靈保護(hù)功能隨斷路器設(shè)置，在獨(dú)立的斷路器保護(hù)中得以實(shí)現(xiàn)[4]。

圖1 500kV主變典型電氣一次接線圖

當(dāng)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作或母差保護(hù)動(dòng)作發(fā)斷路器三跳動(dòng)作命令后，開入高壓側(cè)邊斷路器（5011）和中斷路器（5012）的TJR（不起重合閘起失靈）跳閘回路。斷路器保護(hù)按照?qǐng)D 2失靈保護(hù)邏輯進(jìn)行失靈判斷。若5011或者5012斷路器發(fā)生拒動(dòng)，滿足失靈保護(hù)邏輯，失靈保護(hù)動(dòng)作，將進(jìn)行故障隔離，跳開失靈斷路器相鄰的所有斷路器（若5012中斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作，還會(huì)向?qū)?cè)發(fā)出遠(yuǎn)跳信號(hào)），同時(shí)斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)開入主變的非電氣量保護(hù)裝置，聯(lián)跳主變中壓側(cè)斷路器和低壓側(cè)斷路器[5]。主變高壓側(cè)斷路器失靈保護(hù)聯(lián)跳三側(cè)回路見圖 3。

圖2 斷路器失靈保護(hù)邏輯框圖

圖3 500kV主變高壓側(cè)斷路器失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)回路圖

1.2 主變中壓側(cè)斷路器失靈保護(hù)

主變220kV側(cè)的一次接線一般采用雙母接線方式。由于中壓側(cè)斷路器（201）失靈時(shí)，失靈保護(hù)的跳閘對(duì)象與母差保護(hù)動(dòng)作的跳閘對(duì)象一致，故將失靈保護(hù)與母線保護(hù)裝置合并，以簡化二次回路和節(jié)省二次電纜。為防止保護(hù)誤動(dòng)，母差起失靈邏輯中設(shè)置復(fù)壓閉鎖。但當(dāng)主變低壓側(cè)故障發(fā)三跳中壓側(cè)斷路器拒動(dòng)時(shí)，復(fù)壓閉鎖元件的靈敏度很可能達(dá)不到，因此主變保護(hù)除對(duì)母差保護(hù)裝置開入起失靈動(dòng)作接點(diǎn)外，還設(shè)置了“解除失靈保護(hù)復(fù)壓閉鎖”的開入信號(hào)。

以220kV母線故障為例，母差保護(hù)動(dòng)作跳中壓側(cè)短路器，同時(shí)給失靈保護(hù)一個(gè)開入接點(diǎn)，當(dāng)斷路器拒動(dòng)時(shí)，失靈保護(hù)起動(dòng)，除跳開母聯(lián)開關(guān)、主變所接母線上的其他220kV斷路器外，還必須聯(lián)跳主變高壓側(cè)和低壓側(cè)，目前的做法是將失靈保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)開入主變非電氣量保護(hù)裝置。圖5主變中壓側(cè)失靈保護(hù)聯(lián)跳三側(cè)二次回路接線圖。

圖4 220kV雙母接線變壓器支路斷路器失靈保護(hù)邏輯圖

圖5 500kV主變中壓側(cè)斷路器失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)回路圖

1.3 失靈回路存在的問題

從前面的分析可以得到，不管500kV主變高壓側(cè)還是中壓斷路器發(fā)生拒動(dòng)，失靈保護(hù)動(dòng)作聯(lián)跳主變其他兩側(cè)的普遍做法是，將失靈保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)開入主變非電氣量保護(hù)，從而聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)，得以完全隔離故障。根據(jù)目前的規(guī)程，主變非電氣量保護(hù)動(dòng)作時(shí)，保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)接入斷路器的TJF（不起重合閘不起失靈）跳閘回路。這是因?yàn)楫?dāng)變壓器內(nèi)部氣壓、油溫等引起的非電氣量動(dòng)作，主變各側(cè)故障電流的變化可能不大，在實(shí)際運(yùn)行中，若起動(dòng)失靈保護(hù)則容易誤動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致事故范圍的擴(kuò)大，故非電氣量保護(hù)不起失靈。

因此，當(dāng)高壓側(cè)母線（I母）故障邊斷路器（5011）拒動(dòng)、同串500kV線路故障中斷路器（5012）拒動(dòng)或者中壓側(cè)母線故障中壓側(cè)斷路器（201）拒動(dòng)時(shí)，失靈保護(hù)動(dòng)作，非電氣量保護(hù)聯(lián)跳其他側(cè)時(shí)，若此時(shí)再發(fā)生其他側(cè)斷路器拒動(dòng)，不能起失靈，只能依靠主變或線路后備保護(hù)來切除故障，延時(shí)較長，可能會(huì)損壞變壓器或引發(fā)火災(zāi)，擴(kuò)大停電范圍，甚至可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰瓦解。

圖6 500kV主變失靈聯(lián)跳回路圖

2 雙重失靈解決方案

針對(duì)上述500kV 主變高壓側(cè)短路器或中壓側(cè)斷路器發(fā)生雙重失靈無法快切的問題，本文從裝置改造、二次回路設(shè)計(jì)等方面提出三種解決方案，下面進(jìn)行一一介紹。

2.1 非電氣量保護(hù)裝置改造

在非電氣量保護(hù)裝置中增加跳閘繼電器和跳閘出口，區(qū)分主變內(nèi)部油溫高、繞組溫度高、重瓦斯等引起的非電氣量保護(hù)和失靈保護(hù)開入，如圖 7。當(dāng)非電氣量保護(hù)動(dòng)作時(shí)，為防止失靈保護(hù)誤動(dòng)，通過TJF接點(diǎn)跳閘，不起失靈。當(dāng)失靈保護(hù)開入非電氣量保護(hù)裝置跳三側(cè)時(shí)，保護(hù)裝置通過TJR接點(diǎn)跳各側(cè)斷路器，并起動(dòng)失靈，若其他側(cè)再次發(fā)生斷路器拒動(dòng)時(shí)，可通過失靈保護(hù)快速隔離故障。

2.2 失靈保護(hù)動(dòng)作直跳主變?nèi)齻?cè)斷路器

不通過非電氣量出口聯(lián)跳三側(cè)斷路器，采用保護(hù)直跳方式，將斷路器失靈保護(hù)跳閘接點(diǎn)至三側(cè)斷路器操作箱TJR接點(diǎn)，如圖 8所示，斷路器失靈時(shí)，通過各側(cè)斷路器操作箱TJR接點(diǎn)啟動(dòng)其他側(cè)失靈；接線調(diào)整后，在主變開關(guān)雙失靈的情況下，各側(cè)失靈均能有效起動(dòng)，并快速切除故障。

圖7 方案1——非電氣量保護(hù)裝置改造示意圖

圖8 方案2——失靈保護(hù)動(dòng)作直跳主變?nèi)齻?cè)斷路器示意圖

2.3 電氣量保護(hù)裝置取代非電氣量保護(hù)裝置

失靈保護(hù)動(dòng)作后，動(dòng)作接點(diǎn)不開入至非電氣量保護(hù)裝置，而是通過電氣量保護(hù)裝置完成三側(cè)跳閘，如圖9。電氣量保護(hù)動(dòng)作本身已接入斷路器操作箱TJR接點(diǎn)，跳三側(cè)的同時(shí)起各側(cè)失靈，若其他側(cè)再次發(fā)生斷路器失靈，失靈保護(hù)再次動(dòng)作，從而快速隔離拒動(dòng)斷路器和故障。

圖9 方案3——電氣量保護(hù)裝置取代非電氣量保護(hù)裝置示意圖

3 方案對(duì)比

上述三種方案分別從保護(hù)裝置和二次回路上進(jìn)行改造，均可解決主變斷路器雙重失靈問題。從二次回路接線來說，方案1中對(duì)裝置進(jìn)行改造的同時(shí)，增加了非電量保護(hù)裝置到各側(cè)斷路器TJR跳閘的開入。方案2采用直跳方式，雖然減少了從失靈保護(hù)裝置到非電氣量保護(hù)裝置的接線，但是增加了到三側(cè)斷路器的接線，二次回路更為復(fù)雜。方案3中用主變電氣量保護(hù)裝置取代非電氣量保護(hù)裝置，雖然增加了一臺(tái)保護(hù)裝置，僅僅增加了一組斷路器保護(hù)動(dòng)作到電氣量保護(hù)裝置的開入。

由于方案2采用較為原始的方式，導(dǎo)致二次回路接線繁多，增加了二次回路的工作難度和風(fēng)險(xiǎn)，可靠性較差。方案3回路變化不大，同時(shí)將母差失靈保護(hù)和斷路器保護(hù)動(dòng)作接入主變電氣量保護(hù)的A、B柜中，實(shí)現(xiàn)了失靈保護(hù)聯(lián)跳三側(cè)的雙重化配置，可靠性高。

此外，在改造難易度上，方案1需要在主變非電氣量保護(hù)裝置中配置新插件和更新保護(hù)程序，甚至更換一整套非電氣量保護(hù)裝置。方案2中二次回路的接線較為復(fù)雜。方案3只需對(duì)保護(hù)軟件進(jìn)行升級(jí)，加入失靈保護(hù)開入判斷邏輯，較易實(shí)現(xiàn)。

綜上，方案3在不更換裝置或插件的同時(shí)，維持現(xiàn)有二次回路接線的基本不變，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了失靈保護(hù)聯(lián)跳三側(cè)的雙重化配置，相對(duì)其他兩種方案較好。

4 結(jié)束語

本文就500kV主變斷路器失靈保護(hù)回路進(jìn)行了分析，指出了現(xiàn)有保護(hù)存在雙重失靈不能及時(shí)切除故障的風(fēng)險(xiǎn)，無法滿足系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)故障快速切除的要求，對(duì)主設(shè)備安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行存在較大威脅，并在現(xiàn)有保護(hù)回路上，提出三種改進(jìn)方案。通過對(duì)三種方案進(jìn)行分析對(duì)比，指出方案3，即失靈保護(hù)通過主變電氣量保護(hù)裝置聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)，二次回路接線較簡單，可靠性高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)較為容易。