500 kV主變斷路器雙重失靈風險分析及解決方案

楊遠航，李銀銀，聶文峰，李本瑜，解良

（1. 云南電力調度控制中心， 昆明 650011；2. 云南電網有限責任公司普洱供電局，云南 普洱 665000）

0 前言

隨著電網規模的不斷加大和日益復雜的區域聯網結構，維持電網的安全運行也日益困難。在超高壓電力系統中，保護拒動的風險隨著設備的增加而加劇，存在不能及時切除故障而導致電網失穩或大面積停電的風險。同時，變電站的建設容量不斷提高，500kV變壓器在超高壓系統的地位極其重要[1]。因此需要相當完善的措施保證500kV變壓器的安全運行。

通常，500kV主變配置兩套完全獨立的電氣量保護和一套非電氣量保護。此外，500kV變壓器各側斷路器均配置失靈保護作為近后備保護[2-3]。根據南網規程，500kV母線、變壓器和線路近端故障時，系統對故障極限切除時間的要求為90ms。但就目前主變的失靈邏輯來說，當500kV變電站中保護動作需要聯跳三側斷路器時，若500KV主變中壓側和高壓側斷路器同時拒動，即雙重失靈時，只能依靠主變或線路后備保護來隔離故障，故障持續時間較長，無法滿足系統和設備對故障快速切除的要求，直接威脅著電氣設備的安全和電網安全穩定運行。

本文針對500kV主變斷路器雙重失靈保護回路進行了分析，針對可能出現雙重失靈問題，結合目前的保護邏輯和回路，從保護裝置改造和二次回爐改造等方面提出了三種改造方案，并對其進行分析對比。

1 500kV主變斷路器失靈保護回路

1.1 主變高壓側斷路器失靈保護

500kV變壓器各側的典型接線方式如圖 1所示。由于3/2接線方式有較高的可靠性和運行靈活性，在500kV電壓等級的一次接線中得到廣泛運用。主變高壓側斷路器失靈保護功能隨斷路器設置，在獨立的斷路器保護中得以實現[4]。

圖1 500kV主變典型電氣一次接線圖

當主變差動保護動作或母差保護動作發斷路器三跳動作命令后，開入高壓側邊斷路器（5011）和中斷路器（5012）的TJR（不起重合閘起失靈）跳閘回路。斷路器保護按照圖 2失靈保護邏輯進行失靈判斷。若5011或者5012斷路器發生拒動，滿足失靈保護邏輯，失靈保護動作，將進行故障隔離，跳開失靈斷路器相鄰的所有斷路器（若5012中斷路器失靈保護動作，還會向對側發出遠跳信號），同時斷路器失靈保護動作接點開入主變的非電氣量保護裝置，聯跳主變中壓側斷路器和低壓側斷路器[5]。主變高壓側斷路器失靈保護聯跳三側回路見圖 3。

圖2 斷路器失靈保護邏輯框圖

圖3 500kV主變高壓側斷路器失靈聯跳主變三側回路圖

1.2 主變中壓側斷路器失靈保護

主變220kV側的一次接線一般采用雙母接線方式。由于中壓側斷路器（201）失靈時，失靈保護的跳閘對象與母差保護動作的跳閘對象一致，故將失靈保護與母線保護裝置合并，以簡化二次回路和節省二次電纜。為防止保護誤動，母差起失靈邏輯中設置復壓閉鎖。但當主變低壓側故障發三跳中壓側斷路器拒動時，復壓閉鎖元件的靈敏度很可能達不到，因此主變保護除對母差保護裝置開入起失靈動作接點外，還設置了“解除失靈保護復壓閉鎖”的開入信號。

以220kV母線故障為例，母差保護動作跳中壓側短路器，同時給失靈保護一個開入接點，當斷路器拒動時，失靈保護起動，除跳開母聯開關、主變所接母線上的其他220kV斷路器外，還必須聯跳主變高壓側和低壓側，目前的做法是將失靈保護動作接點開入主變非電氣量保護裝置。圖5主變中壓側失靈保護聯跳三側二次回路接線圖。

圖4 220kV雙母接線變壓器支路斷路器失靈保護邏輯圖

圖5 500kV主變中壓側斷路器失靈聯跳主變三側回路圖

1.3 失靈回路存在的問題

從前面的分析可以得到，不管500kV主變高壓側還是中壓斷路器發生拒動，失靈保護動作聯跳主變其他兩側的普遍做法是，將失靈保護動作接點開入主變非電氣量保護，從而聯跳主變三側，得以完全隔離故障。根據目前的規程，主變非電氣量保護動作時，保護動作接點接入斷路器的TJF（不起重合閘不起失靈）跳閘回路。這是因為當變壓器內部氣壓、油溫等引起的非電氣量動作，主變各側故障電流的變化可能不大，在實際運行中，若起動失靈保護則容易誤動，可能會導致事故范圍的擴大，故非電氣量保護不起失靈。

因此，當高壓側母線（I母）故障邊斷路器（5011）拒動、同串500kV線路故障中斷路器（5012）拒動或者中壓側母線故障中壓側斷路器（201）拒動時，失靈保護動作，非電氣量保護聯跳其他側時，若此時再發生其他側斷路器拒動，不能起失靈，只能依靠主變或線路后備保護來切除故障，延時較長，可能會損壞變壓器或引發火災，擴大停電范圍，甚至可能導致電力系統崩潰瓦解。

圖6 500kV主變失靈聯跳回路圖

2 雙重失靈解決方案

針對上述500kV 主變高壓側短路器或中壓側斷路器發生雙重失靈無法快切的問題，本文從裝置改造、二次回路設計等方面提出三種解決方案，下面進行一一介紹。

2.1 非電氣量保護裝置改造

在非電氣量保護裝置中增加跳閘繼電器和跳閘出口，區分主變內部油溫高、繞組溫度高、重瓦斯等引起的非電氣量保護和失靈保護開入，如圖 7。當非電氣量保護動作時，為防止失靈保護誤動，通過TJF接點跳閘，不起失靈。當失靈保護開入非電氣量保護裝置跳三側時，保護裝置通過TJR接點跳各側斷路器，并起動失靈，若其他側再次發生斷路器拒動時，可通過失靈保護快速隔離故障。

2.2 失靈保護動作直跳主變三側斷路器

不通過非電氣量出口聯跳三側斷路器，采用保護直跳方式，將斷路器失靈保護跳閘接點至三側斷路器操作箱TJR接點，如圖 8所示，斷路器失靈時，通過各側斷路器操作箱TJR接點啟動其他側失靈；接線調整后，在主變開關雙失靈的情況下，各側失靈均能有效起動，并快速切除故障。

圖7 方案1——非電氣量保護裝置改造示意圖

圖8 方案2——失靈保護動作直跳主變三側斷路器示意圖

2.3 電氣量保護裝置取代非電氣量保護裝置

失靈保護動作后，動作接點不開入至非電氣量保護裝置，而是通過電氣量保護裝置完成三側跳閘，如圖9。電氣量保護動作本身已接入斷路器操作箱TJR接點，跳三側的同時起各側失靈，若其他側再次發生斷路器失靈，失靈保護再次動作，從而快速隔離拒動斷路器和故障。

圖9 方案3——電氣量保護裝置取代非電氣量保護裝置示意圖

3 方案對比

上述三種方案分別從保護裝置和二次回路上進行改造，均可解決主變斷路器雙重失靈問題。從二次回路接線來說，方案1中對裝置進行改造的同時，增加了非電量保護裝置到各側斷路器TJR跳閘的開入。方案2采用直跳方式，雖然減少了從失靈保護裝置到非電氣量保護裝置的接線，但是增加了到三側斷路器的接線，二次回路更為復雜。方案3中用主變電氣量保護裝置取代非電氣量保護裝置，雖然增加了一臺保護裝置，僅僅增加了一組斷路器保護動作到電氣量保護裝置的開入。

由于方案2采用較為原始的方式，導致二次回路接線繁多，增加了二次回路的工作難度和風險，可靠性較差。方案3回路變化不大，同時將母差失靈保護和斷路器保護動作接入主變電氣量保護的A、B柜中，實現了失靈保護聯跳三側的雙重化配置，可靠性高。

此外，在改造難易度上，方案1需要在主變非電氣量保護裝置中配置新插件和更新保護程序，甚至更換一整套非電氣量保護裝置。方案2中二次回路的接線較為復雜。方案3只需對保護軟件進行升級，加入失靈保護開入判斷邏輯，較易實現。

綜上，方案3在不更換裝置或插件的同時，維持現有二次回路接線的基本不變，同時實現了失靈保護聯跳三側的雙重化配置，相對其他兩種方案較好。

4 結束語

本文就500kV主變斷路器失靈保護回路進行了分析，指出了現有保護存在雙重失靈不能及時切除故障的風險，無法滿足系統和設備對故障快速切除的要求，對主設備安全和電網穩定運行存在較大威脅，并在現有保護回路上，提出三種改進方案。通過對三種方案進行分析對比，指出方案3，即失靈保護通過主變電氣量保護裝置聯跳主變三側，二次回路接線較簡單，可靠性高，同時實現較為容易。