一起開(kāi)關(guān)柜設(shè)備故障引發(fā)的多套保護(hù)動(dòng)作分析

郭碧翔，方振邦，陳國(guó)宏，趙昊然

(1.國(guó)網(wǎng)阜陽(yáng)供電公司，安徽 阜陽(yáng) 236000；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；3.國(guó)網(wǎng)六安供電公司，安徽 六安 237000)

1 事件簡(jiǎn)述

2017年，某座110kV變電站發(fā)生110kV#1主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)#1主變高壓側(cè)701開(kāi)關(guān)、中壓側(cè)3021開(kāi)關(guān)，#1主變低壓側(cè)101開(kāi)關(guān)后備保護(hù)復(fù)壓過(guò)流I段保護(hù)動(dòng)作；110kV#2主變低壓側(cè)后備保護(hù)復(fù)壓過(guò)流I段保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)#2主變低壓側(cè)102開(kāi)關(guān)。

1.1 故障前運(yùn)行方式

該站有兩臺(tái)主變，正常運(yùn)行情況下有110 kV、35 kV和10 kV三個(gè)電壓等級(jí)。運(yùn)行方式為：110 kV單母線運(yùn)行帶#1主變701開(kāi)關(guān)、#2主變702開(kāi)關(guān)；#1主變3021開(kāi)關(guān)帶35 kV I母線運(yùn)行，#1主變101開(kāi)關(guān)熱備用。#2主變3022開(kāi)關(guān)帶35 kV II母線運(yùn)行，#2主變102開(kāi)關(guān)帶10 kV母線運(yùn)行。

2 故障描述

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，#1主變低壓側(cè)101開(kāi)關(guān)的三相真空包發(fā)生爆炸，外側(cè)柜體也有爆炸痕跡，如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)取了跳閘前的故障報(bào)文發(fā)現(xiàn)，所有10 kV線路均報(bào)整組啟動(dòng)信號(hào)，10 kV B相電壓降低越下限，A、C相電壓降低越上限，1～2秒后報(bào)A、B、C三相電壓降低越下限。說(shuō)明10 kV系統(tǒng)首先發(fā)生B相接地，A、C相電壓升為線電壓。受系統(tǒng)接地諧振電壓影響，緊接著發(fā)生#1主變101開(kāi)關(guān)真空包擊穿爆炸，101開(kāi)關(guān)三相弧光短路接地故障，母線三相電壓降低。當(dāng)時(shí)101開(kāi)關(guān)是熱備用狀態(tài)，雖然本身沒(méi)有電流，但其下端口通過(guò)#1主變、1013和1012閘刀帶電，對(duì)故障點(diǎn)提供故障電流；其上端口由#2主變102開(kāi)關(guān)通過(guò)母線經(jīng)1011閘刀向101開(kāi)關(guān)提供故障電流。故而造成#1主變和#2主變的保護(hù)均動(dòng)作跳閘，才將故障點(diǎn)切除系統(tǒng)。

圖1 #1主變低壓側(cè)101開(kāi)關(guān)

3 保護(hù)動(dòng)作情況分析

差動(dòng)保護(hù)的基本原則是基爾霍夫電流定律。當(dāng)正常運(yùn)行或保護(hù)范圍外發(fā)生故障時(shí)，則流入電流和流出電流(折算后的電流)相等，差動(dòng)繼電器不動(dòng)作。發(fā)生故障時(shí)，即當(dāng)兩端CT電流矢量差達(dá)到設(shè)定的動(dòng)作值時(shí)，差動(dòng)繼電器動(dòng)作[1～3]。

主變的后備保護(hù)可以分為主變高后備保護(hù)和主變低后備保護(hù)，對(duì)變壓器來(lái)講起到了后備保護(hù)。當(dāng)主變保護(hù)由于某種原因沒(méi)有動(dòng)作或者外部線路存在故障，為了使主變不受損壞，跳開(kāi)主變高低壓側(cè)開(kāi)關(guān)，因此后備保護(hù)主要保護(hù)主變。當(dāng)主變低后備或者高后備出現(xiàn)故障時(shí)，一般設(shè)計(jì)跳閘為跳主變的高壓側(cè)和低壓側(cè)，也就是說(shuō)當(dāng)主變高低壓側(cè)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，為了保證主變不受損壞，將高低壓側(cè)的開(kāi)關(guān)同時(shí)跳開(kāi)[4,5]。

3.1 #1主變低壓側(cè)后備保護(hù)復(fù)壓過(guò)流I段保護(hù)動(dòng)作分析

結(jié)合#1主變保護(hù)定值及#1主變低壓側(cè)后備保護(hù)動(dòng)作情況看，低壓后備保護(hù)復(fù)壓過(guò)流Ⅰ段的定值：動(dòng)作電流為4000安，二次值為10A、時(shí)間0.6秒、變比2000/5。結(jié)合圖2#1主變低后備保護(hù)裝置動(dòng)作波形圖可知，故障電流二次值IABC最大值為15.79A，折算到一次值約6320安；從保護(hù)啟動(dòng)到保護(hù)動(dòng)作持續(xù)時(shí)間612毫秒。由此分析得出故障電流大于#1主變低壓側(cè)后備保護(hù)裝置復(fù)壓過(guò)流I段定值，故障持續(xù)時(shí)間超過(guò)保護(hù)裝置復(fù)壓過(guò)流I段時(shí)限定值，滿足保護(hù)動(dòng)作條件。故在4時(shí)34分57秒691的時(shí)刻，101開(kāi)關(guān)分位保護(hù)動(dòng)作，但由于故障點(diǎn)在101開(kāi)關(guān)上，流變?cè)陂_(kāi)關(guān)與3閘刀之間，故此故障雖然在后備保護(hù)范圍內(nèi)，并正確動(dòng)作，但卻無(wú)法切除故障。

圖2 #1主變低后備保護(hù)裝置動(dòng)作波形

圖3 #1主變差動(dòng)保護(hù)裝置動(dòng)作波形

3.2 #1主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作分析

101開(kāi)關(guān)故障，正常情況下，應(yīng)該屬于#1主變的差動(dòng)保護(hù)的區(qū)外故障，差動(dòng)保護(hù)不應(yīng)該動(dòng)作。仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，#1主變差動(dòng)動(dòng)作是由于101流變飽和造成差動(dòng)回路中產(chǎn)生差流，達(dá)到其定值而正確動(dòng)作的。具體分析如下[6,7]：

從圖3#1主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作錄波圖中可以看到，在04時(shí)34分57秒078毫秒，#1主變101開(kāi)關(guān)三相弧光短路接地故障的前30毫秒期間，101開(kāi)關(guān)流變即出現(xiàn)故障電流，而此時(shí)差動(dòng)保護(hù)的差電流為0，待30毫秒后，由于101開(kāi)關(guān)流變飽和，故在差動(dòng)回路中形成差流，并隨著故障的發(fā)展逐漸增大，達(dá)到差動(dòng)的啟動(dòng)值(#1主變差動(dòng)電流起動(dòng)定值為0.3Ie，比率差動(dòng)系數(shù)為0.5，差動(dòng)速斷定值5Ie)，自啟動(dòng)開(kāi)始至保護(hù)跳閘命令發(fā)出這段時(shí)間，高壓側(cè)與低壓側(cè)同時(shí)存在故障電流，此時(shí)雖然存在差動(dòng)電流，但同時(shí)有制動(dòng)電流存在，直到故障發(fā)展到其比率差動(dòng)制動(dòng)系數(shù)Id/Izd>K=0.5的臨近狀態(tài)時(shí)，比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)故障錄波顯示Icd=4.16Ie。因?yàn)椴盍魑催_(dá)到差動(dòng)速斷動(dòng)作條件，故差動(dòng)速斷一直未動(dòng)，所以#1主變的差動(dòng)保護(hù)是比率差動(dòng)在可靠制動(dòng)了500毫秒后，起動(dòng)跳閘，并在665毫秒后動(dòng)作出口跳開(kāi)三側(cè)開(kāi)關(guān)。從故障錄波圖中可以看出，在故障后期低壓側(cè)101開(kāi)關(guān)電流波形由于流變飽和，嚴(yán)重畸變時(shí)，滿足了比率差動(dòng)動(dòng)作條件后，比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，即4時(shí)34分57秒743 時(shí)，#1主變比率差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)701開(kāi)關(guān)、3021開(kāi)關(guān)。

3.3 #2主變低壓側(cè)后備保護(hù)復(fù)壓過(guò)流I段保護(hù)動(dòng)作分析

由于101開(kāi)關(guān)是由不同的兩個(gè)電源點(diǎn)向其提供故障電流，故#1主變的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作僅切除一個(gè)電源點(diǎn)。所以101開(kāi)關(guān)故障依然未切除。

#2主變通過(guò)102開(kāi)關(guān)由母線經(jīng)1011閘刀繼續(xù)向故障點(diǎn)提供故障電流。結(jié)合圖4#2主變低壓后備保護(hù)動(dòng)作故障錄波圖分析，故障報(bào)告顯示故障電流二次值IABC最大值為9.93A，折算到一次值約8000安。(#2主變低后備保護(hù)復(fù)壓過(guò)流Ⅰ段定值4640安，二次值為5.8A、時(shí)間0.6秒、變比4000/5。)，由此看，101開(kāi)關(guān)故障在其保護(hù)范圍內(nèi)，故障電流達(dá)到其動(dòng)作值，其后備保護(hù)起動(dòng)，持續(xù)607毫秒后(超過(guò)保護(hù)裝置復(fù)壓過(guò)流I段時(shí)限定值0.6秒)，開(kāi)始動(dòng)作跳閘。

結(jié)合圖4#2主變低后備保護(hù)動(dòng)作故障錄波圖分析，#2主變低壓側(cè)102開(kāi)關(guān)后備保護(hù)啟動(dòng)后經(jīng)812毫秒延時(shí)動(dòng)作跳閘，并報(bào)102開(kāi)關(guān)復(fù)壓過(guò)流I段動(dòng)作，隨后102開(kāi)關(guān)跳閘，故障點(diǎn)才最后被隔離。4時(shí)34分57秒812的時(shí)刻，#2主變低后備復(fù)壓過(guò)流I段動(dòng)作跳開(kāi)102開(kāi)關(guān)。

此時(shí)向故障點(diǎn)提供故障電流的電源完全切除，故障才被徹底隔離。

圖4 #2主變低后備保護(hù)動(dòng)作故障錄波圖

4 故障原因分析及建議

#1主變低壓側(cè)101開(kāi)關(guān)柜發(fā)生B相接地是本次故障的導(dǎo)火線，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，B相斷路器及隔離閘刀絕緣部分表面受潮，加上未定期清掃灰塵，運(yùn)行條件惡化，在電場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的作用下，泄漏電流增大及局部電弧的產(chǎn)生，導(dǎo)致閃絡(luò)電壓降低，最終閃絡(luò)放電接地。從而受系統(tǒng)接地諧振電壓影響，發(fā)生101開(kāi)關(guān)真空包擊穿爆炸。緊接著發(fā)生上文所述保護(hù)動(dòng)作，才將故障點(diǎn)切除系統(tǒng)。

綜上分析，此次#1和#2主變保護(hù)動(dòng)作跳閘的直接原因是#1主變低壓側(cè)開(kāi)關(guān)柜發(fā)生單相接地。而開(kāi)關(guān)柜發(fā)生單相接地原因是由于開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)生老化導(dǎo)致的。針對(duì)這種情況，建議對(duì)此類斷路器進(jìn)行排查，對(duì)發(fā)生老化的開(kāi)關(guān)進(jìn)行更換，在實(shí)際運(yùn)行中，要確保開(kāi)關(guān)柜封閉運(yùn)行，防止潮氣進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜使絕緣件受潮。

5 結(jié)束語(yǔ)

變壓器為電網(wǎng)中的重要設(shè)備，其非計(jì)劃停運(yùn)將可引發(fā)大規(guī)模停電，故障損壞亦造成企業(yè)大量經(jīng)濟(jì)損失[8]。因此，本文分析了一起開(kāi)關(guān)柜故障導(dǎo)致的主變多套保護(hù)動(dòng)作，分析了故障原因和故障發(fā)展過(guò)程，指出了本次繼電保護(hù)動(dòng)作的合理性。本次故障討論為繼電保護(hù)人員提供了一種開(kāi)關(guān)柜故障的防范方法，保證了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。