付美贤 陈连军 孙玉彤
（珠海电力设计院有限公司 广东珠海 519000）
摘要：本文针对一起变电站失压引起的越级跳闸事故，对目前南方电网110kV变电站主要的保护控制设备的直流供电方案进行了分析，指出了目前直流供电方案的不足之处，并在此基础上，提出了一种更完善的改进方案。
关键词：直流供电； 二次设计； 变电站
前言
变电站内二次设备的直流供电方案，对继电保护及自动装置动作结果有重要的影响。如何正确理解并恰当的运用相关规范，将影响继电保护与自动装置的动作行为，也直接影响到电网运行的安全稳定。下面对一起由于站内直流负荷分配不合理导致越级跳闸事故进行分析，通过该事件发生的原因，对目前南网的直流供电方案，进行了深入的分析探讨。
图1 110kV主变保护屏直流电源供电方案一
1 事故情况简述
2015年10月广东某110kV变电站在10kV线路故障时，由于保护失去电源，导致越级跳闸至上一级变电站，造成该110kV变电站全站失压[1-3]。
2 事故分析
2.1 事故原因分析
该110kV变电站10kV I母1回线路发生22次接地短路故障，后发展成三相短路故障[6]，导致10kV I母电压降低，#1站用变380V侧输出电压降低，站用380V交流系统ATS切换控制器（PLC）故障，#2直流系统无法切换到#2站用变供电，#2直流系统充电机模块欠电压保护动作全部退出运行[4]。由于#2蓄电池组故障失效，造成#2直流母线失压，从而造成站内的II段直流母线供电的110kV备自投装置[6]、#1及#2主变差动及两侧后备保护装置[6]、10kV I母、IIaM、IIbM上所有保护测控一体化装置失电，不能及时切除站内故障，导致对侧变电站110kV线路远后备保护动作，最终造成该110kV变电站失压。
总结发现此次事故的主要原因如下：
①、站内380V交流系统ATS切换控制器（PLC）故障，导致#2直流系统的交流电源无法切换。
②、#2电池组的电池损坏，无法提供后备电源。
③、110kV备自投装置、#1及#2主变差动及两侧后备保护装置接在同一段直源母线上，站内无法切除故障，导致上一级变电站越级动作[5]。
2.2事故暴露直流电源供电问题
此次事故第①和第②主要事故原因，反映的设备质量和运维方面的问题，可以通过提高电网设备质量及加强运维管理来防范。
第③点直流供电方案的不合理是导致事故越级跳闸的最主要原因,所以变电站的直流供电方案，对变电站内继电保护及自动装置能否充分发挥出实际作用有决定性影响。
因此，正确并恰当的运用相关规范，制定出完善的直流供电方案[2]，对电网的安全稳定运行有着直接的影响[1-6]。
3 目前的南网110kV主变保护屏直流电源供电现状
3.1 两种直流供电方案
目前南方电网公司范围内的110kV变电站均采用双充双蓄直流电源系统，即每套充电机接一组蓄电池及一段直流馈岀母线，110kV主变保护屏内相关装置的直流电源分别取自两段不同的直流母线，但究其具体接法，各供电局、设计院普遍采用如下两种设计方案：
1）直流供电方案一
110kV主变差动保护、高压侧后备保护与高压断路器操作回路电源接在直流I段母线上；110kV主变压器非电量保护、低压侧后备保护、低压侧断路器操作回路电源接在直流II段母线上。如图1所示：
2）直流供电方案二
110kV主变差动保护、低压侧后备保护、低压侧断路器操作回路接在直流I段母线上；110kV主变高后备保护、高压侧断路器操作回路、非电量保护电源接在直流II段母线上。如图2所示：
3.3主变高压侧CT与低压侧CT之间（D1点附近）发生故障时两种直流电源供电方案对保护动作的影响
3.3.1采用直流供电方案一，当D1点附近发生故障的同时出现直流I段母线失电：主变差动保护及高后备保护由于装置电源同时失去，将无法动作；虽然非电量保护可能动作，但由于高压侧操作回路电源也同时失去，高压侧断路器无法跳开切除故障，只有依靠上一级保护动作，越级将故障切除。故障切除动作时间将大于变压器高压侧后备保护动作时间。如变电站设有110kV备自投装置，其工作电源采用直流II段母线供电，此时110kV备自投可能动作并合上备用电源，由于主变区域内故障没有切除[1]，将再一次出现越级跳开刚合上的备用电源，使事故范围进一步扩大。如变电站设有10kV备自投装置，只有当其工作电源采用直流II段母线供电，同时110kV备自投也采用直流I段母线供电（即110kV备自投不会动作），10kV备自投会动作，恢复负荷供电。分析结果如表1所示。
3.3.2采用直流供电方案一，当D1点附近发生故障的同时出现直流II段母线失电：主变差动保护及高后备保护正确动作，跳开变压器高压侧断路器，由于非电量保护及低压侧操作回路失电，非电量保护无法动作、低压侧断路器也无法跳开，但不会出现越级跳闸现象，故障切除动作时间为变压器差动保护动作时间。由于主变低压侧操作电源消失，无论10kV备自投采用哪段直流母线供电，10kV备自投均不能跳开主变低压侧开关，不能正确动作，无法恢复负荷供电，损失部分负荷。分析结果如表1所示。
3.4 两种供电方案比较结果
以上两种供电方案均会出现保护越级跳闸现象；均可能出现110kV备自投动作，造成全站失压现象。在不越级情况下，直流供电方案一保护动作时间小于等于直流供电方案二保护动作时间。
通过以上分析结果还可以看出，110kV备自投及10kV备自投装置的直流工作电源与主变高、低压侧操作回路直流电源的分配关系也相当重要。110kV备自投的直流工作电源应与主变高压侧操作回路采用同一直流母线供电，这样当主变高压侧操作回路失电，无法跳开切除故障时，110kV备自投才不会动作合上备用电源，进而造成全站失压；10kV备自投的直流工作电源接的直流母线也应与主变低压侧操作回路一致，否则当主变低压侧操作电源消失时，10kV备自投即使有工作电源，也不能跳开主变低压侧开关，无法恢复负荷供电。反之如果不接于同一段母线上，即使主变低压侧操作回路有电源，10kV备自投工作电源消失，也无法恢复负荷供电。
上面两种直流电源供电方案，对变压器差动保护区外D2点及D3点故障时的影响范围，不超出D1点故障的影响，分析结果对本讨论不产生关键影响。
3.5两种供电方案依据
目前南网公司关于110kV主变压器二次回路电源分配原则主要依据如下规范：
(1)、中国南方电网有限责任公司企业标准 Q/CSG -2012《南方电网10 kV～110 kV元件保护技术规范》 （以下简称南网元件保护技术规范）中有关条款对主变压器二次回路电源分配原则要求如下：
“5.8.2.2 直流电源分配
1）当变电所只有一组蓄电池母线时，各套保护装置及各侧断路器直流电源应分别经互相独立空开接入；
2）当变电所具有两套蓄电池时：差动保护、高压侧后备保护与高压断路器接在一段蓄电池母线上，非电量保护、低压I侧保护与低压I侧断路器、低压II后备保护与低压II断路器接在另一段蓄电池母线上。”
（2）、中国南方电网有限责任公司企业标准 Q/CSG -2012《变电站直流电源系统技术规范》（以下简称南网直流电源技术规范）中有关条款对主变压器二次回路电源分配原则要求如下：
“B.3.9 110kV主变非电量保护宜与高压侧后备保护共用一组电源，二者在保护屏上通过直流断路器分开供电。110kV主变差动保护宜与中、低压侧后备保护共用一组电源，三者在保护屏上通过直流断路器分开供电。两组保护装置电源应分别取自不同段直流母线”。
目前的直流供电方案是分别满足上述规范要求的,其中本文分析的直流供电方案一满足南网元件保护技术规范要求；直流供电方案二满足南网直流电源技术规范要求。根据上面对两种方案的分析比较，在主变高压侧断路器仅有1组跳闸线圈的情况下直流供电方案一优于直流供电方案二，应该按南方电网有限责任公司企业标准 Q/CSG -2012《南方电网10 kV～110 kV元件保护技术规范》执行。但这依然存在全站停电的风险，仍无法满足供电可靠的要求，需要进一步研究其它改进的接线方案。
4 直流供电方案的改进
4.1概述
通过以上分析可知，现有的直流电源接线方案均会出现保护越级跳闸及全站失压风险，主要原因是主变高压侧跳闸线圈只有1组，其操作回路电源不能与其它保护的工作电源接于同一段母线，来配合其跳开高压侧断路器，达到切除故障的目的。因此，需要找到更加可靠的方案，以便在今后的工程中防止出现类似的越级跳闸、甚至是全站失压事故。
目前南方电网公司范围内采用的110kV断路器均具有双跳闸线圈，保护厂家也可以提供具备2组跳闸回路的操作箱，可以考虑将断路器的跳闸线圈2也利用起来，完善现有的直流供电方案。下面按110kV主变高压侧断路器采用双跳闸线圈，参照南网现有的标准，提出两种改进方案，按照前述方法进行比较分析，找出更合理的直流电源供电方案。
4.2主变高压侧断路器采用双跳闸线圈的直流供电方案一
此直流供电方案是在南网元件保护技术规范的直流供电方案基础上，按照变压器高压侧操作回路2，采用直流II母线供电，与非电量保护配合。注：保证高后备保护与高压侧操作回路1的配合关系不变。如图4所示。
110kV主变保护屏直流电源供电方案二
4.4 主变高压侧断路器采用双跳闸线圈时直流电源配置方案对保护动作切除故障影响对比
4.4.1在主变高压侧CT与低压侧CT之间（D1
点附近）发生故障时，主变高压侧断路器采用双跳闸线圈，上面两种直流电源供电方案对主变保护的正常动作都有不同的影响。
4.4.2采用直流供电方案一，当直流I段失电时：差动保护及高后备保护同时失去电源，当故障点在变压器内部时，非电量保护能通过高压侧操作回路2，跳开高压侧断路器将故障切除；当故障点在变压器外部时，保护动作受到影响，会出现故障无法切除的情况。详见表3对比结果。
4.4.3采用直流供电方案一，当直流II段失电时：差动保护及高后备保护能正确动作，通过高压侧操作回路1，跳开高压侧断路器将故障切除，不会出现越级跳闸事故。故障切除动作时间为变压器差动保护动作时间；当变压器内部出现轻微故障或异常运行状态时，因非电量保护失电，无法及时反映故障内容，但主变保护受到影响较小。详见表3对比结果。
4.5 主变高压侧断路器采用双跳闸线圈时两种直流供电方案比较结果
通过对以上两种直流供电方案的分析可以看出：改进后的直流供电方案一，当故障点在变压器内部时，非电量保护能通过高压侧操作回路2，跳开高压侧断路器将故障切除。改进后的直流供电方案二，将主变高压侧跳闸回路2与主变差动保护直流工作电源接于同一段直流母线；非电量保护、高后备保护与主变高压侧跳闸回路1直流工作电源接于另一段直流母线，这样无论出现哪一段直流母线失压的情况，均能有1套保护变压器间隔全范围的电量保护在运行状态，并且保证有1组高压侧操作回路在运行状态，只要保护能动作，就可将故障切除，有效的避免了目前直流供电方案的缺点。改进后的直流供电方案二明显优于直流供电方案一。
同时也要注意的是，10kV备自投的直流工作电源所接的直流母线也应与主变低压侧操作回路一致，这样可提高备自投动作的成功率。
论文作者:付美贤,陈连军,孙玉彤
论文发表刊物:《电力设备》2016年第11期
论文发表时间:2016/8/23
标签：母线论文; 方案论文; 断路器论文; 回路论文; 高压论文; 故障论文; 电源论文; 《电力设备》2016年第11期论文;