一起蓄電池故障導(dǎo)致保護(hù)動作越級事故的分析

陳宇　孔圣立

摘 要：某110 kV變電站10 kV線路出現(xiàn)故障，因蓄電池組未能承受線路重合閘正常沖擊電流，導(dǎo)致蓄電池組開路，站用直流電源失去，本站繼電保護(hù)裝置拒動，最后經(jīng)上一級線路保護(hù)動作切除故障，事故范圍擴(kuò)大。本文通過事故調(diào)查得出站用直流電源失去的原因，并提出改進(jìn)措施，以有效提高站用直流電源系統(tǒng)的可靠性，保障變電站運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：蓄電池;保護(hù)拒動;站用直流電源

中圖分類號：TM911文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）13-0122-05

The Analysis of an Incident That Relaying Protection

Acts Incorrectly Because of Batteries Failures

CHEN Yu KONG Shengli

（State Grid Henan Electric Power Company Research Institute，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In a 110 kV substation， the 10 kV line was in fault. Because the battery group failed to bear the normal impact current of line reclosing， the battery group was open， the DC power supply of the station was lost， and the relay protection device of the station refused to operate. Finally， the fault was removed by the action of the upper level line protection， and the scope of the accident was expanded. In this paper， the cause of loss of DC power supply in substation was found out through accident investigation， and improvement measures were put forward to effectively improve the reliability of DC power supply system in substation and ensure the operation safety of substation.

Keywords： batteries;relay protection failure action;DC power of substation

變電站直流電源系統(tǒng)由充電裝置和蓄電池兩部分組成，充電裝置與蓄電池并聯(lián)，為繼電保護(hù)、自動裝置、斷路器跳合閘機(jī)構(gòu)等負(fù)荷進(jìn)行供電[1-2]。當(dāng)突發(fā)交流失電時，充電裝置不能輸出直流電源，蓄電池作為唯一的直流電源對直流負(fù)荷進(jìn)行供電，若緊急情況下蓄電池失效，將可能導(dǎo)致變電站二次設(shè)備拒動[3]。因此，直流電源系統(tǒng)能否為繼電保護(hù)裝置、測控裝置等二次系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供動力，直接影響整個變電站的運(yùn)行安全[4-6]。本文以某變電站全站失壓事故為例，分析問題根源所在，提出改進(jìn)措施，以保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 事故概況

1.1 事故前運(yùn)行方式

1.1.1 事故變電氣主接線。110 kV甲乙線帶甲110 kV I母、甲#1主變運(yùn)行，110 kV甲丙線帶甲110 kV II母、甲#2主變運(yùn)行，110 kV甲變電站（事故變）10 kV出線配置CD10-I電磁型操作機(jī)構(gòu)（額定合閘電流99 A）。事故變電氣主接線如圖1所示。

1.1.2 站用變運(yùn)行方式。甲#1站用變運(yùn)行于甲10 kV I母，甲#2站用變高壓側(cè)T接于10 kV甲III線。甲10 kV母線為單母分段接線方式，兩段母線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。甲#1站用變帶全站交流負(fù)荷，甲#2站用變熱備用狀態(tài)（低壓側(cè)斷開），事故前全站所用電為甲#1站用變供電。

1.1.3 低壓交流系統(tǒng)運(yùn)行方式。甲#1站用變（401合位）帶全站交流負(fù)荷，甲#1站用變經(jīng)直流充電裝置給直流負(fù)荷供電，并對蓄電池組進(jìn)行浮充;甲#2站用變熱備用狀態(tài)（402分位），低壓交流母線并列運(yùn)行（400合位），系統(tǒng)未配置低壓側(cè)自投裝置。

1.1.4 直流電源系統(tǒng)運(yùn)行方式。采用單充單蓄方式（一套充電機(jī)、一組蓄電池）。直流母線單母分段，正常聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。站內(nèi)配置108節(jié)閥控型鉛酸蓄電池，單節(jié)電池電壓2.15 V左右，容量200 Ah，運(yùn)行4年。蓄電池組是站用直流的備用電源，同時也是10 kV電磁型操作機(jī)構(gòu)的合閘電源。事故變交直流系統(tǒng)如圖2所示。

1.2 事故過程

2019年10月14日15：01：44，10 kV甲I線距站內(nèi)約2.5 km處電纜發(fā)生三相短路故障。故障發(fā)生后，甲10 kV I母電壓快速降至額定電壓的60%，因交流系統(tǒng)未配置自投裝置，甲#2站用變未及時投入，站內(nèi)低壓交流母線電壓隨之跌落，造成直流充電裝置欠壓閉鎖輸出，蓄電池組帶全站直流負(fù)荷運(yùn)行。

10 kV甲I線限時速斷保護(hù)出口跳閘后，1.6 s后重合。因蓄電池組存在異常，在重合閘電流沖擊下蓄電池?cái)喔?，站?nèi)直流電源系統(tǒng)失電。10 kV甲I線路第二基桿塔上弓子線經(jīng)受大電流發(fā)生熔斷，跌落至同桿下方的10 kV甲II線導(dǎo)線上，造成10 kV甲II線三相短路。因事故變站用直流電源系統(tǒng)失去，事故變保護(hù)拒動，10 kV甲I線、甲II線故障一直無法切除，最后經(jīng)上一級線路保護(hù)動作切除故障。

2 事故分析

事故發(fā)生前，2019年4月16日，運(yùn)維單位在110 kV甲變電站開展蓄電池組核對性充放電試驗(yàn)工作時，發(fā)現(xiàn)2#、7#、13#共3只蓄電池容量不足，并予以更換。

事故發(fā)生后，檢查發(fā)現(xiàn)控制室內(nèi)所有二次設(shè)備處于掉電狀態(tài)，充電屏交流進(jìn)線熔斷器、充電模塊輸入空開、蓄電池組出口熔斷器、直流屏各饋電空開等位置正常。蓄電池組整體電壓為0，測量發(fā)現(xiàn)有2只蓄電池電壓異常，判斷為蓄電池?cái)喔瘛?0 kV甲I線路出線距站內(nèi)約2.5 km處電纜破損嚴(yán)重，發(fā)生三相短路故障，符合相關(guān)保護(hù)動作報(bào)文。

10 kV甲I線三相短路故障，造成低壓交流母線電壓降低至60%以下，直流充電裝置欠壓閉鎖輸出;同時，事故變未配置備自投裝置，全站直流負(fù)荷由蓄電池組供電。故障后10 kV甲I線重合閘動作，由于10 kV出線開關(guān)為電磁機(jī)構(gòu)，合閘瞬間輸出電流達(dá)99 A。因蓄電池組內(nèi)阻遠(yuǎn)小于直流充電裝置內(nèi)阻，按照電源并聯(lián)供電原理，絕大部分電流流經(jīng)蓄電池組，大電流沖擊導(dǎo)致蓄電池組兩節(jié)電池?cái)喔耖_路，無法正常輸出，全站直流失去，事故變保護(hù)拒動。后經(jīng)110 kV甲、乙線和110 kV甲、丙線后備保護(hù)動作跳閘予以切除故障，事故變?nèi)臼骸?/p>

10 kV甲I線三相短路故障，是造成本次事故的起因。事故變站用交流低壓母線運(yùn)行方式不合理，未分列運(yùn)行，低壓系統(tǒng)無自動切換功能，甲#2站用變未及時投入，導(dǎo)致直流充電裝置閉鎖輸出，是造成本次事件擴(kuò)大的直接原因。事故變直流蓄電池質(zhì)量差，線路故障開關(guān)重合閘動作后，蓄電池?cái)喔耖_路，導(dǎo)致全站保護(hù)及控制回路失去直流電源，是造成本次事件擴(kuò)大的根本原因。

3 蓄電池解體測試分析

事故發(fā)生后，組織開展對事故變無故障電池、4月16日檢測容量不足蓄電池、10月14日故障斷格蓄電池和兩家蓄電池廠提供的兩只新電池（樣品）的解體分析，解體分析情況如下。

3.1 解體前外觀及測試情況

蓄電池解體前外觀及測試情況匯總?cè)绫?所示。

從表1可知，故障電池1、2均發(fā)生形變;容量不足電池和故障電池1、2內(nèi)阻>3.1 Ω，其中故障電池1、2可以測得開路電壓（分別為2.078 V和1.653 V），容量不足電池開路電壓為0 V。

3.2 解體檢查情況

現(xiàn)場進(jìn)行蓄電池組件測量、金屬材質(zhì)檢測、斷口觀察等，相關(guān)情況匯總?cè)绫?所示。

故障電池負(fù)極匯流排均燒熔并可見腐蝕灰渣，負(fù)極極耳均有腐蝕脫落現(xiàn)象（見圖3）。事故變蓄電池正極板厚度較樣品電池薄1 mm，最薄的負(fù)極板較樣品電池平均厚度薄0.3 mm，僅僅達(dá)到國標(biāo)下限。

用顯微鏡對斷裂的耳板進(jìn)行觀察，斷口上覆蓋致密硫酸鉛層，斷口呈腐蝕斷裂特征，匯流排上覆蓋硫酸鉛，斷口上有腐蝕減薄和燒熔現(xiàn)象。

3.3 解體分析結(jié)論

事故變蓄電池運(yùn)行不足4年就有3只電池容量不足;2只電池未能承受10月14日10 kV甲I線正常重合閘電流，蓄電池?cái)喔耖_路導(dǎo)致站用直流電源失去;正負(fù)極板厚度較薄，僅達(dá)到國標(biāo)下限，事故變蓄電池產(chǎn)品質(zhì)量不良。

4 改進(jìn)措施及建議

國網(wǎng)公司110 kV變電站典型設(shè)計(jì)為單充單蓄配置，僅重要變電站設(shè)計(jì)為雙充雙蓄配置[7]，直流電源系統(tǒng)雙重化配置占比不高。若交流電源備自投不能正常投入，同時因蓄電池質(zhì)量不良導(dǎo)致備用直流電源失去，將導(dǎo)致站內(nèi)繼電保護(hù)及自動裝置不能正常切除故障，擴(kuò)大事故范圍。為解決類似問題，建議采取以下措施。

4.1 加強(qiáng)蓄電池質(zhì)量管控

4.1.1 嚴(yán)把設(shè)備入網(wǎng)關(guān)。針對站用蓄電池產(chǎn)品質(zhì)量差，且部分廠家存在設(shè)備停產(chǎn)、現(xiàn)場服務(wù)不及時等情況，特別是近年來多次發(fā)生運(yùn)行時間短的蓄電池組容量不足或斷格情況，研究蓄電池設(shè)備招標(biāo)模式，在物資采購階段結(jié)合供應(yīng)商評價(jià)建立蓄電池“白名單”準(zhǔn)入制度，從而選用產(chǎn)品質(zhì)量高、服務(wù)好的主流設(shè)備廠家。

4.1.2 開展基建和技改工程蓄電池強(qiáng)制抽檢。建設(shè)蓄電池電氣性能檢測平臺，對直流設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，開展蓄電池性能專項(xiàng)技術(shù)監(jiān)督，抽取樣品開展性能一致性試驗(yàn)、大電流放充電循環(huán)壽命試驗(yàn)及拆解檢查等，及時剔除產(chǎn)品不良供應(yīng)商，明確蓄電池使用壽命，實(shí)行全壽命周期廠家負(fù)責(zé)制。

4.2 提高蓄電池運(yùn)行維護(hù)水平

長期浮充方式運(yùn)行的蓄電池，極板表面將逐漸產(chǎn)生硫酸鉛結(jié)晶體，堵塞極板的微孔，阻礙電解液的滲透，從而增大蓄電池的內(nèi)電阻，降低極板中活性物質(zhì)的作用，蓄電池容量大為降低。核對性放電，可以使蓄電池得到活化，恢復(fù)蓄電池容量，及時查找蓄電池存在的問題，延長使用壽命[8-9]。因此，需要加強(qiáng)蓄電池定期充放電和日常維護(hù)。

4.2.1 按時對蓄電池進(jìn)行核對性放電試驗(yàn)。對于新安裝的閥控蓄電池組，應(yīng)進(jìn)行全核對性發(fā)電試驗(yàn)，以后每2年進(jìn)行一次核對性放電試驗(yàn);對于運(yùn)行4年以上的閥控蓄電池，應(yīng)每年做一次核對性放電試驗(yàn)。嚴(yán)格按照反措、規(guī)程規(guī)定的周期和試驗(yàn)方法開展蓄電池組放電試驗(yàn)，及時對不合格蓄的電池進(jìn)行改造和大修。

4.2.2 控制好蓄電池運(yùn)行環(huán)境溫度。合適的環(huán)境溫度不僅能有效延長蓄電池的工作壽命，還能較好地將蓄電池的容量控制在最佳范圍。蓄電池運(yùn)行環(huán)境溫度控制在15～30 ℃，最佳運(yùn)行環(huán)境溫度為25 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度高于25 ℃時，溫度每升高10 ℃，電池壽命縮短1/2。運(yùn)維人員應(yīng)加強(qiáng)對蓄電池組運(yùn)行環(huán)境溫度的關(guān)注，檢查蓄電池室空調(diào)運(yùn)行情況，以保持25 ℃運(yùn)行環(huán)境溫度。

4.3 加強(qiáng)交流電源系統(tǒng)管理

4.3.1 合理調(diào)整變電站低壓交流運(yùn)行方式。事故變10 kV甲III線運(yùn)行，甲#1站用變、甲#2站用變正常投入運(yùn)行（401、402合位），低壓交流母線分列運(yùn)行（400分位），低壓側(cè)配置自投裝置，兩路交流輸入互為備用，提高站用低壓交流輸入可靠性。

4.3.2 整改10 kV電磁型機(jī)構(gòu)。事故站配置CD10-1型電磁型機(jī)構(gòu)，開關(guān)合閘時會造成較大的沖擊電流，易對蓄電池正常運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。10 kV電磁型機(jī)構(gòu)應(yīng)列入重點(diǎn)技改項(xiàng)目，逐步改造為彈簧機(jī)構(gòu)，由交流電機(jī)對彈簧機(jī)構(gòu)儲能，不依賴于蓄電池。合閘母線不再受到合閘沖擊電流的影響，蓄電池組工作環(huán)境改善，提高運(yùn)行壽命。

4.3.3 加快站用交流系統(tǒng)改造。對不具備電動操作功能的開關(guān)機(jī)構(gòu)、充電裝置不具備兩路交流輸入切換、站用變未配置備自投功能等問題，列入技改項(xiàng)目進(jìn)行改造。

4.4 推進(jìn)直流電源系統(tǒng)雙重化改造

對于新投運(yùn)110 kV變電站，在設(shè)計(jì)階段可考慮直流電源系統(tǒng)冗余配置，采用兩套充電裝置、兩組蓄電池運(yùn)行方式;對于已投運(yùn)110 kV變電站，不符合直流電源系統(tǒng)冗余配置的變電站，可考慮通過技改、擴(kuò)建等方式，增配一套充電裝置和一組蓄電池，提高直流電源系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

5 結(jié)語

變電站直流電源系統(tǒng)的安全，是站內(nèi)二次設(shè)備能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。蓄電池組是直流電源系統(tǒng)的核心，其性能質(zhì)量影響整個變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文通過對某110 kV變電站全站失壓、保護(hù)越級動作事故進(jìn)行分析，并結(jié)合蓄電池解體測試，剖析事故原因，提出四方面改進(jìn)措施來避免此類事故的發(fā)生：一是加強(qiáng)蓄電池質(zhì)量管控;二是提高蓄電池運(yùn)行維護(hù)水平;三是加強(qiáng)交流電源系統(tǒng)管理;四是推進(jìn)直流電源系統(tǒng)雙重化改造。實(shí)踐證明，這四種改進(jìn)措施能有效提高直流電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，保障變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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收稿日期：2020-04-08

作者簡介：陳宇（1988—），男，碩士，工程師，研究方向：變電站繼電保護(hù)及站用直流電源。