變電站電流互感器一次引線異常接線方式研究

陶 昆，胡 毅

（國網北京市電力公司檢修分公司，北京 豐臺100073）

在變電站中，繼電保護能感受到的故障范圍取決于電流互感器（TA）的安裝位置，繼電保護能切除的故障范圍取決于斷路器的安裝位置。在斷路器只有一側安裝TA的情況下，斷路器與TA之間的一次引線形成保護死區。對于戶外敞開式布置的SF6斷路器而言，若一次引線在布置時考慮不周，當死區發生單相故障時，可能導致停電范圍擴大，影響供電可靠性。通過適當的設備位置調整，可以不同程度地解決這一問題。

1 一次系統接線和保護配置情況

某變電站為220/110/10 kV三電壓等級樞紐變電站，220 kV及110 kV均為雙母線接線，有3臺變壓器運行，其中4#變壓器高、中壓側中性點通過接地刀閘（27-4及7-4刀閘）直接接地，2#變壓器、3#變壓器高中壓側中性點不接地運行；10 kV 4#母線及5#母線為單母線分段接線（中性點經消弧線圈接地），帶有10 kV用戶，其中3#變壓器帶10 kV 4#母線運行，4#變壓器帶10 kV 5#母線運行；2#變壓器單獨帶10 kV 3#母線運行（10 kV 3#變壓器母線僅帶站內無功設備，無用戶負荷，中性點不接地），如圖1所示。

圖1 某典型雙母線接線變電站一次系統圖

主變壓器配置差動保護作為主保護，零序過流、相間過流和中性點間隙過流作為后備保護；220 kV母線和110 kV母線均配置差動保護。

其中，變壓器后備保護整定情況如下：

高壓側零序過流保護第一時限跳母聯、第二時限跳總出口，中壓側零序過流保護第一時限跳母聯、第二時限跳本側、第三時限跳總出口；

高壓側相間過流保護延時跳總出口，中壓側相間過流保護第一時限跳母聯、第二時限跳本側，低壓側相間過流保護第一時限跳母聯、第二時限跳本側并閉鎖備自投、第三時限跳總出口；

中性點間隙過流保護延時跳總出口，當中性點接地刀閘合入時保護自動退出。

2 TA一次引線異常接線方式下的故障分析

通常情況下，電流互感器安裝在開關與線路刀閘之間，如圖2所示。而某變電站主變110 kV側主開關TA的安裝位置與此不同，均安裝在開關與母線刀閘之間，如圖3所示。

圖2 TA一次引線正常布置情況

變壓器差動保護與110 kV母線差動保護感受范圍以TA頂蓋為分界點，TA頂蓋往變壓器側屬于變壓器差動保護感受范圍，往母線側屬于110 kV母差保護感受范圍。

2.1 104開關與104TA之間發生單相故障

若104開關與TA之間的引線接地或104開關支瓶閃絡（如圖3所示），此故障點位于4#變壓器差動保護感受范圍內，4#變壓器差動保護動作跳開4#變壓器三側主開關。110 kV母線通過104-4刀閘繼續向故障點提供短路電流，而故障點位于110 kV母差感受范圍之外，110 kV母差不能動作。由于4#變三側跳閘后全站失去接地的變壓器中性點，2#變壓器和3#變壓器110 kV側中性點間隙擊穿，間隙保護動作跳開2#變壓器、3#變壓器三側開關。

綜上所述，在當前布置方式下，104開關與104TA之間發生單相故障將造成2#變壓器、3#變壓器、4#變壓器全停，110 kV 4#、5#母線、10 kV 3#、4#、5#母線失壓的5級事件。

2.2 103開關與103TA之間發生單相故障

若103開關與TA之間的引線接地或103開關支瓶閃絡（與圖3類似），此故障點位于3#變壓器差動感受范圍內，3#變壓器差動保護動作跳開3#變壓器三側主開關，10 kV側母聯245開關自投。110 kV母線通過103-5刀閘繼續向故障點提供短路電流，而故障點位于110 kV母差保護感受范圍之外，110 kV母差保護不能動作。最終4#變壓器中壓側零序過流保護動作跳開母聯145開關，故障被切除。

圖3 某變電站TA一次引線異常布置情況

綜上所述，在當前布置方式下，103開關與103TA之間發生單相故障將造成3#變壓器全停、110 kV 5#母線失壓。

2.3 104開關與104TA之間發生相間故障

如圖3所示，若104開關與104TA之間發生相間故障（如風吹異物搭掛、帶地線送電等，概率極低），4#變壓器差動保護動作跳開4#變壓器三側主開關，10 kV側母聯245開關自投。110 kV母線通過104-4刀閘繼續向故障點提供短路電流，而故障點位于110 kV母差保護感受范圍之外，110 kV母差保護不能動作。最終2#變壓器、3#變壓器中壓側相間過流保護動作跳開母聯145和2#變壓器102開關，將故障切除。故障造成4#變壓器全停、110 kV 4#母線失壓。

2.4 103開關與103TA之間發生相間故障

若103開關與103TA之間發生相間故障（與圖3類似），3#變壓器差動保護動作跳開3#變壓器三側主開關，10 kV側母聯245開關自投。110 kV母線通過103-5刀閘繼續向故障點提供短路電流，而故障點位于110 kV母差保護感受范圍之外，110 kV母差保護不能動作。最終2#變壓器、4#變壓器中壓側相間過流保護動作跳開145開關，將故障切除。故障造成3#變壓器全停、110 kV 5#母線失壓。

102開關與102TA之間發生相間故障的情況與此類似，將造成2#變壓器全停、110 kV 4#母線失壓。

3 TA一次引線正常接線方式下的故障分析

3.1 104開關與104TA之間發生單相故障

若按照常規方式，將104TA安裝在開關與線路側刀閘之間（如圖2所示）。當104開關與104TA之間發生單相故障時，110 kV母差保護動作跳開110 kV 4#母線上所有開關，4#變通過104-2刀閘繼續向故障點提供短路電流，最終4#變中壓側零序過流保護動作跳開4#變壓器三側主開關。

故障將造成4#號變壓器全停、110 kV 4#母線失壓。相比于2.1小節所描述的情況，故障停電范圍要小得多。

3.2 104開關與104TA之間發生相間故障

如圖2所示，若104TA按常規方式安裝在開關與線路側刀閘之間，當104開關與104TA之間發生相間故障時，由母差保護動作跳開110 kV 4#母線上所有開關，4#變壓器通過104-2刀閘繼續向故障點提供短路電流，最終4#變高壓側相間過流保護動作跳開4#變壓器三側主開關。這種情況下，故障造成4#變全停跳閘、110 kV 4#母線失壓。

3.3 103開關與103TA之間發生單相故障

按常規布置方式，將103TA安裝在開關與線路側刀閘之間（與圖2類似）。當103開關與103TA之間發生單相故障時，110 kV母差保護動作跳開110 kV 5#母線上所有開關；故障零序電壓使3#變壓器中壓側中性點間隙擊穿，3#變壓器間隙保護動作跳開3#變壓器三側主開關，10 kV側母聯245開關自投。

故障造成3#變壓器全停、110 kV 5#母線失壓，與2.2小節所描述的情況故障停電范圍相同。

102開關與102TA之間發生單相故障的情況與此類似，將造成2#變全停、110 kV 4#母線失壓。

3.4 103開關與103TA之間發生相間故障

若103TA按常規方式安裝在開關與線路側刀閘之間（與圖2類似），則當103開關與103TA之間發生相間故障時，由母差保護動作跳開110 kV 5#母線上所有元件。3#變通過103-2刀閘繼續向故障點提供短路電流，最終由3#變高壓側相間過流保護動作跳開3#變2203開關。故障造成3#變失電、110 kV 5#母線失壓。

102開關與102TA之間發生相間故障的情況與此類似，將造成2#變失電、110 kV 4#母線失壓。

3.5 結論

將上述故障情況下造成的停電范圍整理如表1所示。可見，變壓器主開關TA一次引線當前的異常接線方式在大多數情況下并無問題，但當104TA與104開關之間發生單相故障時，將造成幾乎全站停電的5級事件（僅剩余220 kV母線未失壓，但失去了全部負荷及站用電源，對故障恢復造成非常不利的影響），對供電可靠性造成嚴重后果；而按照常規方式布置，僅損失110 kV 4#母線負荷。因此，對TA一次引線異常接線方式進行整改勢在必行。

表1 不同接線方式下，TA和開關之間一次引線發生故障時的停電范圍

4 整改方案

4.1 方案一：調整一次引線位置

如圖4所示，將102/103/104開關下接線板改連-2刀閘，上接線板改連TA，并將TA轉向180°（TA頂蓋對斷路器側引線絕緣，對母線側引線連通）。重新點TA極性、測保護向量后投入運行。采用這種方案，施工時間較短，但并不能從根本上解決問題。

圖4 整改方案一：調整一次引線位置

按照方案一調整后，開關與TA之間的一次引線位置從支瓶處提高到開關上接線板，相當于增加了爬電距離，減少了開關與TA之間發生單相故障的可能性。但一旦開關與TA間發生單相故障，仍將造成前文所述的嚴重后果。

4.2 方案二：更改TA安裝位置

如圖5所示，將TA與開關位置互換，使之符合常規布置方式，不須調換TA方向，這種方法施工時間較長，但能徹底解決TA與開關之間發生單相故障時擴大停電范圍的問題，前文已經詳細論述過，此處不再贅述。

圖5 整改方案二：調整TA位置

5 結束語

電流互感器（TA）和斷路器（開關）分別作為繼電保護的測量元件和執行元件，它們的布置方式影響保護動作范圍和動作結果。特別是發生死區故障時，不恰當的布置方式可能導致繼電保護不能第一時間將故障點與運行設備隔離，繼而造成故障停電范圍擴大，影響供電可靠性。因此，在變電站設計和改擴建工作中，對涉及保護死區的一次設備進行故障校核十分必要。