一起蓄電池故障導致保護動作越級事故的分析

陳宇　孔圣立

摘 要：某110 kV變電站10 kV線路出現故障，因蓄電池組未能承受線路重合閘正常沖擊電流，導致蓄電池組開路，站用直流電源失去，本站繼電保護裝置拒動，最后經上一級線路保護動作切除故障，事故范圍擴大。本文通過事故調查得出站用直流電源失去的原因，并提出改進措施，以有效提高站用直流電源系統的可靠性，保障變電站運行安全。

關鍵詞：蓄電池;保護拒動;站用直流電源

中圖分類號：TM911文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）13-0122-05

The Analysis of an Incident That Relaying Protection

Acts Incorrectly Because of Batteries Failures

CHEN Yu KONG Shengli

（State Grid Henan Electric Power Company Research Institute，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In a 110 kV substation， the 10 kV line was in fault. Because the battery group failed to bear the normal impact current of line reclosing， the battery group was open， the DC power supply of the station was lost， and the relay protection device of the station refused to operate. Finally， the fault was removed by the action of the upper level line protection， and the scope of the accident was expanded. In this paper， the cause of loss of DC power supply in substation was found out through accident investigation， and improvement measures were put forward to effectively improve the reliability of DC power supply system in substation and ensure the operation safety of substation.

Keywords： batteries;relay protection failure action;DC power of substation

變電站直流電源系統由充電裝置和蓄電池兩部分組成，充電裝置與蓄電池并聯，為繼電保護、自動裝置、斷路器跳合閘機構等負荷進行供電[1-2]。當突發交流失電時，充電裝置不能輸出直流電源，蓄電池作為唯一的直流電源對直流負荷進行供電，若緊急情況下蓄電池失效，將可能導致變電站二次設備拒動[3]。因此，直流電源系統能否為繼電保護裝置、測控裝置等二次系統的正常運行提供動力，直接影響整個變電站的運行安全[4-6]。本文以某變電站全站失壓事故為例，分析問題根源所在，提出改進措施，以保障電網的安全穩定運行。

1 事故概況

1.1 事故前運行方式

1.1.1 事故變電氣主接線。110 kV甲乙線帶甲110 kV I母、甲#1主變運行，110 kV甲丙線帶甲110 kV II母、甲#2主變運行，110 kV甲變電站（事故變）10 kV出線配置CD10-I電磁型操作機構（額定合閘電流99 A）。事故變電氣主接線如圖1所示。

1.1.2 站用變運行方式。甲#1站用變運行于甲10 kV I母，甲#2站用變高壓側T接于10 kV甲III線。甲10 kV母線為單母分段接線方式，兩段母線聯絡運行。甲#1站用變帶全站交流負荷，甲#2站用變熱備用狀態（低壓側斷開），事故前全站所用電為甲#1站用變供電。

1.1.3 低壓交流系統運行方式。甲#1站用變（401合位）帶全站交流負荷，甲#1站用變經直流充電裝置給直流負荷供電，并對蓄電池組進行浮充;甲#2站用變熱備用狀態（402分位），低壓交流母線并列運行（400合位），系統未配置低壓側自投裝置。

1.1.4 直流電源系統運行方式。采用單充單蓄方式（一套充電機、一組蓄電池）。直流母線單母分段，正常聯絡運行。站內配置108節閥控型鉛酸蓄電池，單節電池電壓2.15 V左右，容量200 Ah，運行4年。蓄電池組是站用直流的備用電源，同時也是10 kV電磁型操作機構的合閘電源。事故變交直流系統如圖2所示。

1.2 事故過程

2019年10月14日15：01：44，10 kV甲I線距站內約2.5 km處電纜發生三相短路故障。故障發生后，甲10 kV I母電壓快速降至額定電壓的60%，因交流系統未配置自投裝置，甲#2站用變未及時投入，站內低壓交流母線電壓隨之跌落，造成直流充電裝置欠壓閉鎖輸出，蓄電池組帶全站直流負荷運行。

10 kV甲I線限時速斷保護出口跳閘后，1.6 s后重合。因蓄電池組存在異常，在重合閘電流沖擊下蓄電池斷格，站內直流電源系統失電。10 kV甲I線路第二基桿塔上弓子線經受大電流發生熔斷，跌落至同桿下方的10 kV甲II線導線上，造成10 kV甲II線三相短路。因事故變站用直流電源系統失去，事故變保護拒動，10 kV甲I線、甲II線故障一直無法切除，最后經上一級線路保護動作切除故障。

2 事故分析

事故發生前，2019年4月16日，運維單位在110 kV甲變電站開展蓄電池組核對性充放電試驗工作時，發現2#、7#、13#共3只蓄電池容量不足，并予以更換。

事故發生后，檢查發現控制室內所有二次設備處于掉電狀態，充電屏交流進線熔斷器、充電模塊輸入空開、蓄電池組出口熔斷器、直流屏各饋電空開等位置正常。蓄電池組整體電壓為0，測量發現有2只蓄電池電壓異常，判斷為蓄電池斷格。10 kV甲I線路出線距站內約2.5 km處電纜破損嚴重，發生三相短路故障，符合相關保護動作報文。

10 kV甲I線三相短路故障，造成低壓交流母線電壓降低至60%以下，直流充電裝置欠壓閉鎖輸出;同時，事故變未配置備自投裝置，全站直流負荷由蓄電池組供電。故障后10 kV甲I線重合閘動作，由于10 kV出線開關為電磁機構，合閘瞬間輸出電流達99 A。因蓄電池組內阻遠小于直流充電裝置內阻，按照電源并聯供電原理，絕大部分電流流經蓄電池組，大電流沖擊導致蓄電池組兩節電池斷格開路，無法正常輸出，全站直流失去，事故變保護拒動。后經110 kV甲、乙線和110 kV甲、丙線后備保護動作跳閘予以切除故障，事故變全站失壓。

10 kV甲I線三相短路故障，是造成本次事故的起因。事故變站用交流低壓母線運行方式不合理，未分列運行，低壓系統無自動切換功能，甲#2站用變未及時投入，導致直流充電裝置閉鎖輸出，是造成本次事件擴大的直接原因。事故變直流蓄電池質量差，線路故障開關重合閘動作后，蓄電池斷格開路，導致全站保護及控制回路失去直流電源，是造成本次事件擴大的根本原因。

3 蓄電池解體測試分析

事故發生后，組織開展對事故變無故障電池、4月16日檢測容量不足蓄電池、10月14日故障斷格蓄電池和兩家蓄電池廠提供的兩只新電池（樣品）的解體分析，解體分析情況如下。

3.1 解體前外觀及測試情況

蓄電池解體前外觀及測試情況匯總如表1所示。

從表1可知，故障電池1、2均發生形變;容量不足電池和故障電池1、2內阻>3.1 Ω，其中故障電池1、2可以測得開路電壓（分別為2.078 V和1.653 V），容量不足電池開路電壓為0 V。

3.2 解體檢查情況

現場進行蓄電池組件測量、金屬材質檢測、斷口觀察等，相關情況匯總如表2所示。

故障電池負極匯流排均燒熔并可見腐蝕灰渣，負極極耳均有腐蝕脫落現象（見圖3）。事故變蓄電池正極板厚度較樣品電池薄1 mm，最薄的負極板較樣品電池平均厚度薄0.3 mm，僅僅達到國標下限。

用顯微鏡對斷裂的耳板進行觀察，斷口上覆蓋致密硫酸鉛層，斷口呈腐蝕斷裂特征，匯流排上覆蓋硫酸鉛，斷口上有腐蝕減薄和燒熔現象。

3.3 解體分析結論

事故變蓄電池運行不足4年就有3只電池容量不足;2只電池未能承受10月14日10 kV甲I線正常重合閘電流，蓄電池斷格開路導致站用直流電源失去;正負極板厚度較薄，僅達到國標下限，事故變蓄電池產品質量不良。

4 改進措施及建議

國網公司110 kV變電站典型設計為單充單蓄配置，僅重要變電站設計為雙充雙蓄配置[7]，直流電源系統雙重化配置占比不高。若交流電源備自投不能正常投入，同時因蓄電池質量不良導致備用直流電源失去，將導致站內繼電保護及自動裝置不能正常切除故障，擴大事故范圍。為解決類似問題，建議采取以下措施。

4.1 加強蓄電池質量管控

4.1.1 嚴把設備入網關。針對站用蓄電池產品質量差，且部分廠家存在設備停產、現場服務不及時等情況，特別是近年來多次發生運行時間短的蓄電池組容量不足或斷格情況，研究蓄電池設備招標模式，在物資采購階段結合供應商評價建立蓄電池“白名單”準入制度，從而選用產品質量高、服務好的主流設備廠家。

4.1.2 開展基建和技改工程蓄電池強制抽檢。建設蓄電池電氣性能檢測平臺，對直流設備產品質量進行評價，開展蓄電池性能專項技術監督，抽取樣品開展性能一致性試驗、大電流放充電循環壽命試驗及拆解檢查等，及時剔除產品不良供應商，明確蓄電池使用壽命，實行全壽命周期廠家負責制。

4.2 提高蓄電池運行維護水平

長期浮充方式運行的蓄電池，極板表面將逐漸產生硫酸鉛結晶體，堵塞極板的微孔，阻礙電解液的滲透，從而增大蓄電池的內電阻，降低極板中活性物質的作用，蓄電池容量大為降低。核對性放電，可以使蓄電池得到活化，恢復蓄電池容量，及時查找蓄電池存在的問題，延長使用壽命[8-9]。因此，需要加強蓄電池定期充放電和日常維護。

4.2.1 按時對蓄電池進行核對性放電試驗。對于新安裝的閥控蓄電池組，應進行全核對性發電試驗，以后每2年進行一次核對性放電試驗;對于運行4年以上的閥控蓄電池，應每年做一次核對性放電試驗。嚴格按照反措、規程規定的周期和試驗方法開展蓄電池組放電試驗，及時對不合格蓄的電池進行改造和大修。

4.2.2 控制好蓄電池運行環境溫度。合適的環境溫度不僅能有效延長蓄電池的工作壽命，還能較好地將蓄電池的容量控制在最佳范圍。蓄電池運行環境溫度控制在15～30 ℃，最佳運行環境溫度為25 ℃，當環境溫度高于25 ℃時，溫度每升高10 ℃，電池壽命縮短1/2。運維人員應加強對蓄電池組運行環境溫度的關注，檢查蓄電池室空調運行情況，以保持25 ℃運行環境溫度。

4.3 加強交流電源系統管理

4.3.1 合理調整變電站低壓交流運行方式。事故變10 kV甲III線運行，甲#1站用變、甲#2站用變正常投入運行（401、402合位），低壓交流母線分列運行（400分位），低壓側配置自投裝置，兩路交流輸入互為備用，提高站用低壓交流輸入可靠性。

4.3.2 整改10 kV電磁型機構。事故站配置CD10-1型電磁型機構，開關合閘時會造成較大的沖擊電流，易對蓄電池正常運行產生不良影響。10 kV電磁型機構應列入重點技改項目，逐步改造為彈簧機構，由交流電機對彈簧機構儲能，不依賴于蓄電池。合閘母線不再受到合閘沖擊電流的影響，蓄電池組工作環境改善，提高運行壽命。

4.3.3 加快站用交流系統改造。對不具備電動操作功能的開關機構、充電裝置不具備兩路交流輸入切換、站用變未配置備自投功能等問題，列入技改項目進行改造。

4.4 推進直流電源系統雙重化改造

對于新投運110 kV變電站，在設計階段可考慮直流電源系統冗余配置，采用兩套充電裝置、兩組蓄電池運行方式;對于已投運110 kV變電站，不符合直流電源系統冗余配置的變電站，可考慮通過技改、擴建等方式，增配一套充電裝置和一組蓄電池，提高直流電源系統運行可靠性。

5 結語

變電站直流電源系統的安全，是站內二次設備能否正常運行的關鍵。蓄電池組是直流電源系統的核心，其性能質量影響整個變電站的安全穩定運行。本文通過對某110 kV變電站全站失壓、保護越級動作事故進行分析，并結合蓄電池解體測試，剖析事故原因，提出四方面改進措施來避免此類事故的發生：一是加強蓄電池質量管控;二是提高蓄電池運行維護水平;三是加強交流電源系統管理;四是推進直流電源系統雙重化改造。實踐證明，這四種改進措施能有效提高直流電源系統運行的可靠性，保障變電站安全穩定運行。

參考文獻：

[1]趙軍，石光，黃小川，等.一起變電站直流母線失電原因分析及解決方案[J].電力系統保護與控制，2009（23）：122-124.

[2]滕明星，胡敏，蘇盛.基于蓄電池狀態檢修的站用電源系統可靠性研究[J].電測與儀表，2019（11）：26-31.

[3]戴光武，謝華，徐曉春，等.基于區域電網信息的變電站二次直流失電保護系統[J].電力系統保護與控制，2016（6）：117-121.

[4]馬里千，許春雨，宋建成，等.基于蓄電池模型參數擬合的新型充電控制策略[J].電測與儀表，2018（22）：100-105.

[5]黃森炯，王曉，王晴.一起因蓄電池故障造成繼電保護越級跳閘事故的分析[J].電力系統及其自動化，2012（6）：39-41.

[6]王玲，梅成林，盛超，等.閥控鉛酸蓄電池的全生命周期管理策略[J].電源技術，2016（3）：588-590.

[7]國家能源局.電力工程直流電源系統設計技術規程：DL/T 5044—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[8]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程：DL/T 724—2000[S].北京：中國電力出版社，2001.

[9]首珩，魏麗君.蓄電池充放電檢測控制系統的研究與設計[J].電源技術，2018（6）：886-888.

收稿日期：2020-04-08

作者簡介：陳宇（1988—），男，碩士，工程師，研究方向：變電站繼電保護及站用直流電源。