變電所中置柜短路故障分析及解決方案研究

丁北平 陳東海 嚴浩軍 王 磊 姜子庠

（1.寧波電業局，浙江 寧波 315010；2.上海電力學院，上海 200090）

隨著國內電網規模的不斷擴大，城市電網結構日趨緊密，中壓母線短路容量愈來愈高。目前我國電網結構中，社會電力用戶主要由中壓系統即10kV和35kV等級供電，大多使用封閉式的中置柜以電纜引出，操作頻繁，運行電流大，故障過電壓高，設備安全距離與高壓設備相比有差距，且制造質量近年來有下降趨勢，隨著運行時間的增長短路事故幾率較高。

除特殊設計外，現有保護規程對中壓母線的主保護未做強制性規定[1]，在實際中僅靠主變高、低后備復壓過流來保護，切除故障時間長，一般為1.2～2s，母線短路事故時設備損毀往往非常嚴重。

近年來各地電網中置柜短路燒毀事故逐漸增多，本文以2011年某局電網發生的中置柜短路事故為研究對象，分析故障的典型類型和產生原因，研究現有中壓母線保護方案及其適用性，提出一種基于選擇性且適于現場改造的中壓母線快速保護方案，滿足國內生產現場改造的需要。

1 中置柜短路事故分析

從某局110kV舒家變10 kV Ⅰ段母線、220kV寧西變10 kV正母、220kV廣濟變35 kV Ⅱ段母線等多次中置柜事故來看，故障的發展過程大致為：中壓供電饋線上發生單相接地故障，由此產生覆蓋全系統的故障過電壓、弧光接地過電壓將中置柜絕緣薄弱點擊穿，形成短路回路，饋線開關動作，饋線開關跳閘引起的暫態恢復電壓擾動使原已絕緣受損的中置柜運行工況更為惡劣，最后引發該中置柜弧光短路，除少量配置中壓母差保護的新220kV變電所外，此時主變低壓過流保護啟動，短路電流長期存在將中置柜燒毀。在整個過程中，短路位置由饋線側轉移到母線，故障形式由單相發展為多相，由于中置柜隔室狹小和電壓擾動，母線故障時通常發展為三相短路。另外國內也有雷擊線路引發中置柜短路爆炸的記載。

從多次故障搶修現場看，中置柜故障大多發生在手車小室、電纜小室，母線小室較少損壞；短路電流雖未發生短路超標但數額已相對較大、接近超標；在未配置母差保護時，母線短路持續時間較長，設備嚴重損毀，修復極為困難且停電時間長，有母差保護時，母線短路累計持續時間很短（統計數據中最長的140ms），因IEC298標準附錄中規定10kV開關柜的內部耐燃弧時間為100ms，因此設備會有局部燒傷，但損毀較輕，不會殃及相鄰間隔設備，修復相對容易。

可見，中壓母線短路事故的起因多為饋線線路側故障，事故擴大的原因為中置柜制造質量參差不齊、發熱、材料老化等造成的絕緣水平下降，存在薄弱環節，設備損壞嚴重的原因為中壓母線沒有主保護，僅靠主變低后備復壓過流保護切除故障，短路持續時間過長。長期看，隨著東部沿海城市110～500kV高壓輸電網規模的擴大和變電站布局的緊密化，電網系統穩定的風險將減小而短路超標問題將愈發突出，在這一趨勢下中壓母線的短路容量將愈來愈大，在部分來不及改造的老舊變電所，此類短路事故一旦發生損毀將更嚴重。

2 國內外解決方案

針對上述問題，督促設備制造廠商提高中置柜制造質量是重要解決措施，同時在現有生產條件下，電力部門應加強設備的絕緣監督管理，嚴格執行設備交接試驗、定期預試、狀態檢修等制度。

在做好設備采購、運行管理等工作預防事故發生的同時，另一方面，要尋求適用當前城市電網短路水平、電網架構和運行環境的技術措施。對于這類事故，快速動作隔離故障是國內外多數繼電保護解決方案的立足點，方案的設計盡量達到安全性、快速性、選擇性、靈敏性是指導原則。現有解決方案如下表所示。

表1 現有解決方案

母線定時限速斷保護整定時間最低為0.5s，由于銅排150ms開始熔毀[2]，此方案能夠降低短路后設備損毀程度，但可能成效不大。

高阻抗完全/不完全差動保護造價高，接線復雜，不能實現故障間隔的定位，同時兩相不完全式母差保護對某些故障形式會誤判而擴大停電范圍，如本文1中分析的故障發展過程，若饋線上B相接地而引起中置柜中A或C相絕緣破壞，此時不完全母差將誤判母線故障而非饋線故障，從而切除母線擴大事故停電范圍。此外，對現有變電所的中置柜，其饋線CT無多余繞組，若安裝差動CT又無空間，因此不適用現有變電所的技術改造。

在20世紀90年代歐洲開始研究將電孤光保護應用于中低壓中置柜內部保護[3]，90年代末芬蘭電網開始配備。在國內電網系統中，南方電網2009年試用的弧光保護，采用檢測開關柜母線室的弧光信號和過流信號跳主變低壓側開關的典型應用方案，這種應用方式回避了最常發生故障的開關柜母線室和電纜室，從而可以不考慮選擇性動作問題，這構不成真正意義上的母線保護，也不能充分發揮電弧光保護快速性、選擇性的優勢，方案的效果大打折扣。

南網在也試裝了一種網絡化的電流閉鎖式母線保護，采用深圳南瑞的饋線保護、母聯保護和低壓側后備保護進行組網，等同于以各饋線保護瞬動接點并聯閉鎖進線保護的快速保護。當母聯開關閉合時，按其系統的保護邏輯，母聯保護將直接閉鎖低壓側后備保護，整套系統將不起作用，這達不到運行方式變換的要求。

國內已有110kV等級及以上的基于IEC61850的母差保護產品，其中江蘇無錫西涇變電站的110kV保護方案與國網公司中壓母線智能保護規劃方案類似，但在中壓母線上仍延續以前保護規程，未設置中壓母線保護。

可見，現場條件限制了現有上述保護方案的實用性。

3 基于選擇性的中壓母線快速保護方案

根據中置柜設備配置密度大、中壓系統多重故障易發生的現狀，充分利用弧光保護精確定位及中置柜隔室相互獨立的特點，考慮中壓母線系統的每個隔室、每個死區，以故障弧光加主變低壓側的電流突變構成雙判據跳閘，以失靈、過流信號構成區分饋線、母線的選擇性保護，形成精確化的中置柜全覆蓋保護系統，改變傳統保護時延長、保護范圍不精確的缺點，達到在不改變原有一、二次設備的前提下對變電所進行改造，通過本技術找到保供電與保設備的最大效益平衡點的目的。

該整套保護系統由主控單元、電流單元、弧光繼電器擴展器、弧光繼電器、弧光傳感器和專用聯接電纜組成。以雙主變、中壓母線單母分段、2#主變配甲、乙開關的變電所為典型配置對象，雙主變配一個主控單元，主控單元采集兩臺主變低壓側保護CT電流和母聯開關電流，主變低壓側Ⅰ、Ⅱ段PT零序電壓，以及所有低壓側中置柜的母線室的弧光傳感器。每個饋線柜配一弧光繼電器裝置，用于采集裝在每個饋線柜的開關室、電纜室的弧光傳感器，同時聯接該饋線間隔的跳閘出口。母聯柜也配一弧光繼電器裝置，用于采集裝母聯柜的開關室、CT室的弧光傳感器。方案的典型配置如圖1所示。

圖1 基于選擇性的中壓母線快速保護方案典型配置

該方案保護邏輯的分區按照開關劃分，而不是傳統的以CT劃分。邏輯分為3類，有饋線/母聯/主變低壓側保護，死區保護，失靈保護。表2中T1、T2整定范圍為70～150ms。

動作序列如下：①饋線柜電纜室、開關室故障時，饋線保護動作切除故障；如故障發生在開關室開關的母線側，則主控單元啟動死區保護跳主變低壓側開關和母聯開關；若主變低壓側開關和母聯開關拒動，則啟動失靈保護跳主變高壓側開關；②所有開關柜母線室、主變低壓側開關柜開關室故障時，主變低壓側保護、母聯保護啟動后跳閘；如故障發生在主變柜開關室開關的主變側，則主控單元啟動主變低壓側死區保護跳主變高壓側開關；若母聯開關拒動，則啟動母聯失靈保護跳非故障母線段上的主變低壓側開關；③母聯柜開關室，CT室故障時，當主變低壓側母線并列運行時，母聯開關跳閘，若故障仍存在，則啟動母聯死區保護跳故障電流側主變低壓開關；當主變低壓側母線分列運行時，直接跳故障電流側主變低壓開關。

表2

在裝置分別通過國家電網自動化設備電磁兼容實驗室、華東中試所、西安高壓電器研究所的型式試驗、動模測試和引弧試驗，使其達到入網應用級別后，該方案已在浙江寧波電網110kV青竹變投入試運行。

4 結論

實踐表明，隨著城市電網短路水平的不斷提高和中置柜服役時間的延長，設備絕緣水平下降引起的中壓母線短路事故逐漸增多，極大影響正常供電秩序，設備修復困難且周期長。基于選擇性的中壓母線快速保護方案吸收電流保護、失靈保護、弧光保護的特點，針對國內電網現場生產實際而設計，利用選擇性跳閘實現對中置柜所有隔室的全覆蓋保護，改造方便、適用性強、應用前景廣闊。另外，該方案在實際運行經驗方面需進一步積累。

[1] GB/T 14285—2006. 繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].

[2] SIDHU T S，SAGO G S，SACHDEV M S. Multi sensor secondary device for detection of low-level arcing faults in metal-clad MCC switchgear panel [J]. IEEE Trans on Power Delivery，2002. 17(1): 129-134.

[3] JONES R A, et al. Staged tests increase awareness of arc-flash harzards in electrical equipment.IEEE Pretrolleum and Chemical Indutry Conference,September, 1997.