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220kV变电站母差保护动作的事故分析薛生为

发表时间：2020/6/30 来源：《电力设备》2020年第5期作者：薛生为

[导读] 摘要：变电站内，母线故障是电力系统最严重故障之一，一旦出现母线故障，连接在故障母线上的所有设备必须及时切除。由于母线上连接的设备很多，如不能及时切除，将会进一步扩大停电范围。

        （国网大同供电公司山西大同 037008）
        摘要：变电站内，母线故障是电力系统最严重故障之一，一旦出现母线故障，连接在故障母线上的所有设备必须及时切除。由于母线上连接的设备很多，如不能及时切除，将会进一步扩大停电范围。枢纽变电站的母线故障若不能及时切除，还有可能引发电力系统稳定破坏的事故，严重时会造成电力系统瓦解。因此配置性能完善的母差保护，对保证整个区域电网的安全具有决定性的意义。
        关键词：220kV变电站；母差保护动作；事故分析
        1母线故障原因
        母线是发电厂、变电站电气回路的主要组成部分，是电网网架结构中的电能汇集点。许多一次设备，如发电机组、变压器、输电线路、无功补偿器等，都接于母线上运行。它承担着电能的汇集和分配等重要任务，因此母线工作的可靠性将直接影响到发电厂和变电站工作的可靠性。母线发生短路是具有严重后果的重大故障，由于大量电气元件集中连接在其上，甚至接有超大容量机组或输电线路，因此，母线故障对电气设备的安全造成巨大的冲击，特别是超高压或者特高压等级的母线，其故障后果往往更加严重，会危及整个电网的可靠供电。与其他电气设施相比，母线发生短路的情况并不多见。可是，由于它在系统中的重要地位，已经不容忽视其故障所引发的问题，尤其对于特高压、重负荷母线应予以格外关注。当厂站母线发生短路时，破坏性极大，甚至引发全厂站的停电。大多数母线故障，是由于污秽空气中所含损坏绝缘的气体和固体物质导致与母线联接的绝缘子和断路器套管等发生闪络引起。其余部分是由于人员违规操作，设备老化、破损所导致，也存在极端天气、小动物、异物侵入等外力原因，以及下级保护拒动而使事故扩展所引发。从前的20万kW以下机组，大都采用敞露式母线结构，容易受到外界环境的影响。比如，母线支持瓷瓶未喷涂RTV或已失效，其表面存积污秽，造成表面电位分布不均而使绝缘水平严重降低。在遇到雾、雨等不利天气条件时，绝缘瓷瓶就会发生污闪。特别是当接于母线近端的避雷器或电压互感器，因为绝缘老化、谐振等因素导致设备损坏甚至爆炸，会直接造成严重的母线故障。如今，伴随设备设计理念和制造水平的提高，越来越多的厂站选用全封闭式分相母线配电装置，这样就很好地避免了外部环境的影响。可在密闭的设施中，母线的散热条件变差，由于热累积效应，使得设备加速老化而引发母线事故。在人为原因方面，运行人员的违规操作，诸如带负荷拉母线刀闸、带接地充电等，都会造成母线短路的严重后果。
        2准确判别母线运行状态的重要性
        220kV母线常用的双母线接线方式，以此为例阐述母差保护相关的动作原理，其余诸如单线分段、双母单分段、双母双分段等接线方式可以参考。母差保护大差比率差动元件作为母线区内区外故障的判别元件，小差比率差动元件作为故障母线的选择元件。为保证其动作的可靠性，母差保护多采用复式比率差动判据，其动作表达式为：

        式中：Id为差电流；Ir为和电流；Idset为差流门槛定值；Kr为比率制动系数。为防止母线分列运行，弱电源侧母线发生故障时，大差比率差动元件的灵敏度不够，大差比例差动元件的比率制动系数Kr设置高低两个定值。母线并列运行以及投单母线或隔离开关双跨时，大差比率差动元件采用比率制动系数高值，而当母线分列运行时，自动转用比率制动系数低值。另外，为防止母联开关间隔死区故障（故障发生在母联开关与母联TA之间）时，母联TA侧母线的小差比率差动元件判为区外故障不动作，而母联开关侧母线小差比率差动元件判为区内故障动作跳开该条母线，故障无法切除，母差保护装置内特设置了母联死区保护。母线并列运行时，母联死区保护在母差保护动作后，母联开关已经跳开而母联TA仍有电流，且大差比率差动元件和母联开关侧小差比率差动元件未返回的情况下，延时跳开故障所在母线上所连接开关或通过封闭母联TA（母联电流不计入差动保护）的方式迫使故障所在母线的小差比率差动元件动作，将故障隔离。虽然各厂家的死区保护实现逻辑不尽相同，但都配置了母线正常分列运行时，保护装置直接封闭母联TA电流的逻辑，以保证故障所在母线小差比率差动元件及时正确动作，将故障直接隔离。因此，母差保护正确判别母线是处于并列运行状态还是分列运行状态显得非常重要，其直接决定了是否封锁母联TA电流和是否调整母差保护大差比率制动系数Kr。当母差保护判别母线分列运行时，封锁母联TA，其电流不计入小差差流计算，同时自动将大差比率制动系数Kr调整为低值；当母差保护判别母线并列运行时，开放母联TA，其电流计入小差差流计算，同时自动将大差比率制动系数Kr调整为高值。
        3实例分析220kV变电站母差保护动作的事故情况
        2013年4月29日16时41分11秒，220kV某变电站35kV母线保护Ⅰ母差动保护动作，故障相别C相，启动至出口时间28．3ms，跳开35kVⅠ段母线所有开关。同时，35kV建材304开关保护电流Ⅰ段(4500A，0秒)动作跳闸，故障相别B相。主变故障录波器动作，记录故障时的35kVⅠ段电压和Ⅰ主变低压侧301开关电流变化情况。16时42分49秒，35kVⅠ段B相二次电压降低约为0V，A、C相二次电压升高至100V，零序电压约为100V。16时48分39秒，301开关B、C相电流骤增，B相19．37A(一次电流5811A)，C相18．67A(一次电流5601A)，故障电流持续时间约85ms。通过对故障录波器和35kV母差保护故障报告进行分析得出以下结论:(1)16时35分35秒，即35kV母差保护动作前5分43秒，35kVⅠ段出线B相发生接地；(2)16时41分11秒，35kV母差保护Ⅰ母差动保护动作。故障报告显示为301间隔BC相有较大的短路电流，304间隔仅B相有故障电流且与301间隔B相电流幅值相等方向相反，说明B相故障点在母差保护范围以外。同时，304开关保护电流Ⅰ段动作跳闸，故障相别为B相，由此判定B相故障点在304线路上。因35kV母差保护故障报告中，只有301间隔C相有较大的故障电流，其他各支路C相未发现有故障电流，Ⅰ母差动和大差回路只显示C相有差流，母差保护报告显示为Ⅰ母C相差动保护动作。由此判定C相故障点在母差保护范围内，故障点在母线或电流回路未接入母线保护的所用变上。通过对一次设备进行检查发现，#1所用变C相接线桩头有明显放电痕迹，所用变C相高压熔丝熔断，所用变小车开关C相负荷侧柱头明显烧黑。可确定故障过程为:因4月29日下午暴雨大风天气导致304线路发生B相接地，由于B相接地A、C相对地电压升高，引起所用变C相桩头绝缘破环(#1所用变曾发生绝缘问题，已修复)，造成BC相接地短路。B相故障电流5811A大于304开关保护电流Ⅰ段(4500A，0秒)电流值，35kV建材304线路保护正确动作。因C相故障点在#1所用变C相桩头处，属于母差保护范围内，所以35kV母线保护正确动作。
        4结束语
        随着我国电力工业的快速发展，装机容量快速增长，当大电网中区域重要变电站的高压母线短路时，如果短路点没有被快速地隔离，不但将损坏系统设备，造成故障的发展与影响范围的扩大，而且情况严重时会使系统失去暂态稳定性，引发系统的解列，造成区域大停电、酿成不可挽回的后果。因此，母线的安全运行是电力系统可靠供电的必要保障，对它的“保护”也就成为确保“安全供电”的关键技术措施。本文对220kV某变电站35kV母线差动保护动作进行详细地分析，原因是暴雨天气导致35kV304线路发生B相接地，A、C相对地电压升高导致所用变BC相接地短路。304开关正确动作，35kV母线差动也正确动作。
        参考文献
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