探讨220kV母线差动保护动作事故原因和改进措施

目前,微机母线差动保护在电力系统中得到了非常广泛的应用。考虑到系统运行的需要和操作上灵活可靠性,国内220k V变电站高压母线大部分采用双母线接线方式,其中,母联开关常常装设一组或两组电流互感器(简称CT)。在母联开关与母联CT之间的地方,电力专业中常称之为“死区”。根据实践统计,发生死区故障的机率相对较小。正是因为小概率事件,才导致人们较少考虑到死区保护的重要性。为引起人们对母联死区保护的足够重视,本文以一个事故事例,详细分析母联死区保护的成因的动作机理,并对这种保护提出改进措施。

某日17时54分,某一220k V变电站(记名为220k V G站)母线差动保护动作,切除220k VⅠ母、220k VⅡ母所有线路开关及母联2012开关,导致220k V G站全站失压,与之有电气联系的6个110k V变电站同时失压。该起失压事故共造成负荷损失约300MW。

1 事故前220k V G站的运行方式

220k V G站双母线并列运行,母联2012开关处于合位,线路2701开关、线路2801开关、线路2901开关、#1主变变高2201开关、#3主变变高2203开关挂1M(Ⅰ母)运行;线路2702开关、线路2802开关、线路2902开关、#2主变变高2202开关挂2M(Ⅱ母)运行。母联CT装在Ⅱ母侧,其极性与Ⅱ母#元件一致。另外,#3主变中性点接地运行。

2 事故表象及保护动作情况

17时54分,2 20k V G站母线差动保护动作,切除220k VⅠ母、220k VⅡ母所有线路开关及母联2012开关,导致220k V G站全站失压,与之有电气联系的6个110k V变电站同时失压。现场检查发现母联三相开关气动机构储压罐与开关构架连接处出现烧黑现象,有明显放电痕迹。二次保护配置为双母线母联单CT母差保护,保护型号为南瑞的BP~2B型母差保护装置。放电迹象初步显示,母联开关外部故障(母线故障)。

查寻保护动作记录及录波文件,可知故障发生至40ms时,I母、II母母线B相电压降低至几乎为零,所有间隔B相电流明显增大,由此可判断发生B相接地故障。

40ms之后,I母三相电压变为0,挂I母运行的间隔(线路2701、线路2801、线路2901、#1主变变高、#3主变变高)三相电流变为0,II母B相电压仍接近0。母联间隔B相电流增大。

195ms后,II母三相电压变为0,挂II母运行的所有间隔(线路2702、线路2802、线路2902、#2主变变高)三相电流变为0,母联电流变为0。

3 母线差动保护保护装置动作机理

双母线系统母线差动保护常设置大差及各段母线小差保护,大差为除母联(或分段)之外母线上所有元件构成的差流,小差为每段母线上所有元件(包括母联或分段)构成的差流。大差作为起动元件,用以区分母线区内外故障;小差为故障母线的选择元件。

对于母联并列运行发生死区故障,母联开关接点一旦处于分位,再考虑主接点与辅助接点之间的先后时序(50ms),即封母联CT(母联电流不计入小差比率元件),则另一段母线母差可动作切除故障。

4 保护动作行为分析

故障发生在220k VG站母联2012开关B相,故障初始时刻大差和I母小差均有差流,故障电流有效值约为21.2k A,达到母差保护差流定值(母差保护定值为2.4k A);故障持续40ms后I母差动保护先动作,跳开挂I母运行的所有间隔开关。

40ms后由于母联B相仍然存在故障电流,而母联开关已经跳开,从保护角度可判断为母联开关和CT之间发生了死区故障。此时,在I母小差动作、母联开关跳闸后,故障仍然存在大差电流元件不返回,而母联CT仍有电流,II母提供的故障电流有效值约为14.4k A,约98ms时母差保护判断发生母联死区故障,BP~2B根据母联开关的状态延时50ms封母联CT(约148ms时),此时I母小差电流消失,II母出现差流,195ms时II母小差动作跳开挂II母运行的所有间隔开关,至此故障完全切除。

5 事故原因深层剖析及调查认定

从继电保护的角度上看,无论是理论上的分析,还是录波数据的推演,事故是由于母联死区故障引起的都是完美的解释。然而却不能解释外在的表象问题。开关外部有明显的放电痕迹,说明有接地故障,而此故障点并非死区位置,应属母线故障。如此以来,保护动作行为就属误动作。不同的专业角度,得出两种截然不同的结论,这正是问题的关键所在。

根据“四不放过”原则,从继电保护和检修两个专业角度进行深度调查分析,以认定事故真正原因。

5.1 继电保护专业开展的调查工作

(1)调查值班记录,故障时段G站无任何操作工作,排出运行人员误操作可能;(2)核对所有间隔装置定值与保护定值单,结果无误;(3)核对母线保护的外部电流、电压回路接线无错误,端子无接触不良现象;(4)母差CT一点接地良好,满足反措及有关规程要求;(5)母线保护的CT回路及相关二次回路绝缘测试,结果满足运行规程要求;(6)对保护装置进行故障模拟试验,保护动作行为正常,试验结果表明保护装置无异常。

5.2 检修专业开展的调查工作

9月4日,检修人员抽取母联2012开关三相气室内SF6气体进行成份分析,结果发现B相开关气室内气体含有大量的二氧化硫及氟化亚硫酰成份,这是强电弧放电拉弧时SF6气体分解物。分析表明开关内部曾发生过严重的放电情况。

为揭示事故真相,变电部门决定对开关进行解剖,以进一步确定事故原委。开关解体后,发现开关B相内部有明显的的灼烧痕迹和大量的烧灼物。至此,可以断定故障情况是母联2012开关B相的主导体对开关金属外壳放电。由于故障电流较大,一部分通过B相开关构架注入地网,另一部分通过开关气动机构储压罐的连接管分别经过A相和C相开关构架注入地网。在三相开关的气动机构储压罐与开关构架连接处,因焊接面积较小,在大电流通过的情况下出现灼烧现象。

6 改进措施及建议

本文案例中母联CT为单CT接线形式,CT同时接入I母小差和II母小差电流回路中。当发生死区故障时,靠延时检测母联开关位置封CT来切除原则上应跳开的母线,但在切母联的同时切除了不应停运的另一条母线,扩大了停电范围,这是其最主要的缺点。

鉴于这种缺点,本着提高供电可靠性的思想,本文提出一种改进措施。采用双母线母联双CT交叉接线的配置方式,CT交叉计入小差回路。同时增加该两个CT电流瞬时值之和的绝对值作为起动判据。当绝对值约为0时(考虑误差因素),判为母线故障,电压闭锁开放,相应母线小差出口跳闸,瞬时切除故障;当绝对值达到一定值时,判为死区故障,这时只跳母联,确认母联开关分位后,同时封母联双CT,此时大差仍启动,死区位置侧母线小差动作,电压闭锁开放,该母线小差保护出口跳开该母所有元件,切除故障,此时另一母线小差不动作,少切一条母线。

这种接线方式和逻辑改进,可以保证少切除正常母线的作用,减小停运元件的范围,提高了供电可靠性,是一种值得尝试的改进方法。

摘要：本文探讨分析了220kV母线差动保护动作事故原因和改进措施。

关键词：220kV,母线,差动保护,事故原因,改进措施