站用變次級保護誤動跳閘分析及對策研究

蔡勍聰

摘要：闡述了假設多臺電動機（包括多臺主變冷卻器啟動，開關電動機打壓，消防泵）同時啟動會否引發站用變跳閘導致其中一臺站用電失電的事故，現結合某500kV變電站的運行方式、設備資料和計算分析多臺電動機在同時啟動會否造成站用變跳閘的安全隱患，并討論了消除安全隱患的措施。

Abstract： It states the assumption whether it will cause station transformer trip leading to power loss of a station transformer if multiple motors （including multiple main transformer coolers， switching motor pressure， fire pump） start at the same time. Now combined with the operation mode， equipment data and calculation of a 500kV substation， this paper analyzes whether the multiple motors starting at the same time will cause the safety hazard of the station to trip， and discuss the measures to eliminate the safety hazards.

關鍵詞：變電站;消防;水噴霧;站用變

Key words： substation;fire protection;water spray;station transformer

中圖分類號：TM411+.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）27-0050-02

0 ?引言

據悉某局在進行主變消防水噴霧試驗時，多座220kV和110kV變電站發生了站用變跳閘事件。據分析是在消防水泵啟動時，也就是電動機在啟動過程中導致站用變誤跳閘的事件。以某500kV變電站為例，若多臺電動機同時啟動是否也會出現同樣事件，對于安全穩定運行，我們有必要對現有變電站進行深入分析計算，若出現可能導致站用變誤跳閘的可能并采取適當的防范措施。本文對某500kV變電站水噴霧試驗，同時冷卻器啟動，運行方式負荷最大化和設備資料進行了深入分析，計算了電流大小，分析站用變保護定值單，分析了引發跳閘的可能性和事故產生的安全隱患，并討論了消除安全隱患的措施。

1 ?指定運行條件

1.1 當前運行方式

某500kV變電站進行#2主變停電檢修工作，#2主變三側5021、5022、2202、302開關在分閘位置，#2站用變轉檢修;35kVⅠ-Ⅱ母聯500開關在分閘位置，#1主變和#1站用變正常運行，380V母聯400開關在合閘位置，站用電負荷由#1站用變供給，消防水噴霧控制與動力電源由380VⅠ、Ⅱ電源在水噴霧柜經雙路切換后供給，主變冷卻器經雙路切換后供給運行方式示意圖如圖1。

1.2 假設事件過程

由于#2主變停運，靠#1、#3、#4主變運行，負荷分配隨著上升，同時啟動了#1、#4主變（分相主變）共18臺風扇，#3主變（分相主變）啟動#1油泵，共3臺油泵，正好#2主變消防水噴霧同時啟動試驗。描述當時負荷最大化下運行時，站用變是否能正常運行。

1.3 相關設備參數

站用電、水噴霧系統設備、主變冷卻器參數如下：

①#1站用變額定容量630kVA，額定電流為957A;②水噴霧控制柜交流電源空氣開關K1、K2（如圖1所示）型號NM-250/330，額定電流250A;③水噴霧加壓泵電動機為三相異步電機，三角形接線方式，型號Y250M-2，額定功率55kW，額定電流102.6A;④#1、#3、#4主變冷卻器電動機為三相異步電機，三角形接線方式，型號FC125-MDL7QA7，額定功率2.2kW，額定電流4.5A;⑤#3主變冷卻器電動機為三相異步電機，星形接線方式，型號PR200/6，額定功率0.56kW，額定電流1.25A;⑥#1站用變保護定值單：過流Ⅰ段動作值1.71A，0s切兩側開關;過流II段定值0.34A，0.6s切兩側開關，CT變比200/5;⑦常用負荷額定電流在380A，在夏季用電高峰達到此值。

2 ?分析

首先我們對電機啟動特性進行簡述，電機電源剛接通時，電機基本沒有感抗，只有阻抗，也就是線圈的直流電阻，這個數值是很小的，因此這個瞬間的電流是非常大的，會是額定電流的好幾十倍，但持續時間非常短，通常只有零點零幾秒。隨著電機開始轉動，這個電流急劇下降，如果不帶負載啟動，在1秒鐘內就會降到額定電流的10倍左右，隨著轉速的上升，2秒之后就能降到2-3倍，之后繼續下降，直到等于額定電流，這時電機轉速也上升到了額定轉速。

本站按最大化電動機啟動，#1、#3、#4共18組風扇同時啟動（同時啟動每相只啟動兩臺風扇），額定電流為81A。由于初期會產生較大勵磁涌流，初始啟動約為額定電流的7倍，電流在567A。

主變水噴霧系統啟動，如果也是按初期產生較大勵磁涌流，初始啟動約為額定電流的7倍，初始啟動約電流為718A。

由此看出電動機啟動初級同時開啟時瞬時電流非常大。以上電機電流初始額定電流加上常用額定電流能達到1665A。超出#1站用變額定電流的957A。同時投入會較大程度加大站用電負荷，據悉與消防水噴霧跳閘事故的發生密切相關。

按正常運行主變冷卻器按最大化正常持續運行時，額定電流是81A+102A=183A。加上常用負荷額定電流后，正常最大化電流560A。其占站用變額定負荷的58%。符合站用變負荷選取的要求，對一般負荷的變電站，任何一臺變壓器停運，應能保證全部負荷的70%-80%的電力供應不受影響。所以#1站用變不會過負荷運行。#1站用變保護定值為過流II動作電流一般按其額定電流的1.3倍進行整定1244A，所以過流II段整定為0.34A，折算到站用次級電流為0.34×（200/5）/0.011約為1244A，在正常負荷情況下。水噴霧啟動后在穩態情況下不會導致站用變過流跳閘。

計及水噴霧加壓泵啟動的暫態過程，電動機在啟動初期，會產生較大的勵磁涌流，但過流II段定值電流與同時啟動的最大1665A工作瞬時電流相差413A，最大值可達到額定電流的7倍左右，但在較短時間內會自動衰減。過流按0.6秒跳開關，那衰減約為水噴霧加壓泵電動機額定電流的大概4.42倍，在正常的勵磁涌流范圍之內。同時定值單過流II段的動作時間為0.6s，而電動機正常的啟動時間在幾秒到數十秒之間，在0.6s時勵磁涌流值極有可能還未衰減至過流保護返回值，因此有可能導致過流II動作使站用變跳閘。

3 ?安全隱患和措施建議

這種最大化負荷的設置是有可能發生的，在4臺主變同時運行過程中，假設其中一臺掛站用變的主變發生故障跳閘，導致站用變失壓。這時必須由另一臺站用變提供負荷，400開關合閘帶上全站負荷。站用變負荷上升，這時其中1臺主變退出去運行，3臺主變負荷分配上升，油溫升高隨即主變啟動冷卻器，同時故障主變由于內部故障而起火，導致消防水噴霧啟動。這時就有可能出現了與其他3臺主變冷卻器同時啟動的可能。這種狀況會否使站用變保護由于突然的大負荷出現導致保護誤動作跳閘呢？由于主變故障而導致事故擴大，站用電源全站失壓的狀況。據悉兄弟局的某站發生過由于大負荷電機啟動，導致站用變次級保護過流II段誤動作后站用變開關跳閘的先例。隨著電網規模的擴大，目前220kV及以下變電站大部分已實現無人值班。在變電站的日常運行中，當給站用變供電的某臺主變發生火災時，該臺主變將會跳閘或被切斷電源，如果10kV母聯備自投未投或未動作，極有可能會發生在單臺站用變供電情況下，消防水噴霧系統啟動滅火的情況。如果站用變跳閘導致水噴霧系統失電而失效，無人值班變電站運行人員和消防人員無法及時人工滅火，火災可能蔓延至其它設備間隔，造成較大范圍的停電和火災事故，帶來較大的人身、設備安全隱患和不良的社會影響。

即使在兩臺站用變同時運行的情況下，由于供給水噴霧系統為兩路電源切換選擇其中一路供電，也有可能導致站用電失電。以上數據計算，如果在夏季站用電負荷較重時，水噴霧系統啟動亦有導致兩臺站用變跳閘先后跳閘的可能。

建議采取措施如下：

①對于已投運的變電站，應試驗單臺站用變在大負荷運行情況下，同時投入多臺電動設備，模擬故障狀態下站用變及保護能否滿足運行條件。若不能應重新較核定值配合問題。而且由于消防水噴霧系統啟動試驗不屬于變電站的定期維護內容，定值不配合也不容易被發現。在站內可能出現的最大負荷情況下，過流II段啟動電流值與電機勵磁涌流最大值的配合;同時由于勵磁涌流為呈指數衰減，可盡量在允許范圍內增大過流II段動作時間，使過流II段即使啟動也可有效返回。

②如果無法保障過流II段定值，而導致降低其快速及靈敏度要求時，可以考慮4臺主變冷卻器配合時間，應改造4臺主變冷卻器啟動時間，避免4臺主變冷卻器同時啟動的可能。

③對于新建、擴建的變電站，應加強水噴霧系統啟動的驗收。一方面可要求相關廠家提供加壓電機的勵磁涌流特性曲線，在整定站用變過流II段的啟動電流和動作時間時保障其與勵磁涌流特性曲線的配合。另一方面，盡量在站用電負荷較大的情況下開展水噴霧試驗驗收，條件允許時應記錄加壓泵啟動時的最大電流值，確保大站用電負荷單臺站用變供電情況下不會發生站用變跳閘事故。

4 ?結束語

本次通過某變電站站用變主要原因為站用變保護過流II段定值未躲過消防加壓泵及主變冷卻器同時啟動時的勵磁涌流值，導致站用變跳閘失電可能性的存在。

隨著電網建設規模的擴大，變電站數量在大幅度增加，變電站內消防安全不容忽視。為防止變電站內火災時因站用電失電導致水噴霧系統滅火功能失效，一方面應全面校核站用變保護過流II段定值與水噴霧加壓泵勵磁涌流配合問題，另一方面在開展新建、擴建變電站主變水噴霧系統的驗收時，應保證在單臺站用變供電的情況下，站內其它負荷較重時，水噴霧系統啟動站用變不會跳閘。

參考文獻：

[1]劉寶奎.對變壓器裝設水噴霧自動滅火裝置的看法[J].廣東電力，2005，18（9）：57-58.

[2]陳友亮.水噴霧滅火機理及變壓器消防設計探討[J].貴州電力技術，2006，9：29-32.

[3]金雙林.煤礦6kV電網防越級跳閘原因及解決方案[J].價值工程，2014，33（11）：57-58.