隨著國內(nèi)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，城市電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨緊密，中壓母線短路容量愈來愈高。目前我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,社會電力用戶主要由中壓系統(tǒng)即10kV和35kV等級供電，大多使用封閉式的中置柜以電纜引出，操作頻繁，運行電流大，故障過電壓高，設(shè)備安全距離與高壓設(shè)備相比有差距，且制造質(zhì)量近年來有下降趨勢，隨著運行時間的增長短路事故幾率較高。

除特殊設(shè)計外，現(xiàn)有保護規(guī)程對中壓母線的主保護未做強制性規(guī)定，在實際中僅靠主變高、低后備復(fù)壓過流來保護，切除故障時間長，一般為1.2-2秒，母線短路事故時設(shè)備損毀往往非常嚴重。

近年來各地電網(wǎng)中置柜短路燒毀事故逐漸增多，本文以某局電網(wǎng)發(fā)生的中置柜短路事故為研究對象，分析故障的典型類型和產(chǎn)生原因，研究現(xiàn)有中壓母線保護方案及其適用性，提出一種基于選擇性且適于現(xiàn)場改造的中壓母線快速保護方案，滿足國內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)場改造的需要。

1 中置柜短路事故分析

從某局110kV舒家變10 kV I段母線、220kV寧西變10 kV正母、220kV廣濟變35 kV II段母線等多次中置柜事故來看，故障的發(fā)展過程大致為：中壓供電饋線上發(fā)生單相接地故障，由此產(chǎn)生覆蓋全系統(tǒng)的故障過電壓、弧光接地過電壓將中置柜絕緣薄弱點擊穿，形成短路回路，饋線開關(guān)動作，饋線開關(guān)跳閘引起的暫態(tài)恢復(fù)電壓擾動使原已絕緣受損的中置柜運行工況更為惡劣，最后引發(fā)該中置柜弧光短路。

除少量配置中壓母差保護的新220kV變電所外，此時主變低壓過流保護啟動，短路電流長期存在將中置柜燒毀。在整個過程中，短路位置由饋線側(cè)轉(zhuǎn)移到母線，故障形式由單相發(fā)展為多相，由于中置柜隔室狹小和電壓擾動，母線故障時通常發(fā)展為三相短路。另外國內(nèi)也有雷擊線路引發(fā)中置柜短路爆炸的記載。

從多次故障搶修現(xiàn)場看，中置柜故障大多發(fā)生在手車小室、電纜小室，母線小室較少損壞；短路電流雖未發(fā)生短路超標但數(shù)額已相對較大、接近超標。

在未配置母差保護時，母線短路持續(xù)時間較長，設(shè)備嚴重損毀，修復(fù)極為困難且停電時間長，有母差保護時，母線短路累計持續(xù)時間很短(統(tǒng)計數(shù)據(jù)中最長的140ms)，因IEC298標準附錄中規(guī)定10 kV開關(guān)柜的內(nèi)部耐燃弧時間為100 ms，因此設(shè)備會有局部燒傷，但損毀較輕，不會殃及相鄰間隔設(shè)備，修復(fù)相對容易。

可見，中壓母線短路事故的起因多為饋線線路側(cè)故障，事故擴大的原因為中置柜制造質(zhì)量參差不齊、發(fā)熱、材料老化等造成的絕緣水平下降，存在薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)備損壞嚴重的原因為中壓母線沒有主保護，僅靠主變低后備復(fù)壓過流保護切除故障，短路持續(xù)時間過長。

長期看，隨著東部沿海城市110-500kV高壓輸電網(wǎng)規(guī)模的擴大和變電站布局的緊密化，電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的風(fēng)險將減小而短路超標問題將愈發(fā)突出，在這一趨勢下中壓母線的短路容量將愈來愈大，在部分來不及改造的老舊變電所，此類短路事故一旦發(fā)生損毀將更嚴重。

2 國內(nèi)外解決方案

針對上述問題，督促設(shè)備制造廠商提高中置柜制造質(zhì)量是重要解決措施，同時在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，電力部門應(yīng)加強設(shè)備的絕緣監(jiān)督管理，嚴格執(zhí)行設(shè)備交接試驗、定期預(yù)試、狀態(tài)檢修等制度。

在做好設(shè)備采購、運行管理等工作預(yù)防事故發(fā)生的同時，另一方面，要尋求適用當(dāng)前城市電網(wǎng)短路水平、電網(wǎng)架構(gòu)和運行環(huán)境的技術(shù)措施。對于這類事故，快速動作隔離故障是國內(nèi)外多數(shù)繼電保護解決方案的立足點，方案的設(shè)計盡量達到安全性、快速性、選擇性、靈敏性是指導(dǎo)原則?，F(xiàn)有解決方案如表1所示。

表1 現(xiàn)有解決方案

母線定時限速斷保護整定時間最低為0.5s，由于銅排150ms開始熔毀，此方案能夠降低短路后設(shè)備損毀程度，但可能成效不大。

高阻抗完全/不完全差動保護造價高，接線復(fù)雜，不能實現(xiàn)故障間隔的定位,同時兩相不完全式母差保護對某些故障形式會誤判而擴大停電范圍,如本文1中分析的故障發(fā)展過程,若饋線上B相接地而引起中置柜中A或C相絕緣破壞。

此時不完全母差將誤判母線故障而非饋線故障,從而切除母線擴大事故停電范圍。此外,對現(xiàn)有變電所的中置柜，其饋線CT無多余繞組，若安裝差動CT又無空間，因此不適用現(xiàn)有變電所的技術(shù)改造。

在上世紀九十年代歐洲開始研究將電弧光保護應(yīng)用于中低壓中置柜內(nèi)部保護，九十年代末芬蘭電網(wǎng)開始配備。在國內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)中，南方電網(wǎng)2009年試用的弧光保護，采用檢測開關(guān)柜母線室的弧光信號和過流信號跳主變低壓側(cè)開關(guān)的典型應(yīng)用方案，這種應(yīng)用方式回避了最常發(fā)生故障的開關(guān)柜母線室和電纜室，從而可以不考慮選擇性動作問題，這構(gòu)不成真正意義上的母線保護，也不能充分發(fā)揮電弧光保護快速性、選擇性的優(yōu)勢，方案的效果大打折扣。

南網(wǎng)在也試裝了一種網(wǎng)絡(luò)化的電流閉鎖式母線保護，采用深圳南瑞的饋線保護、母聯(lián)保護和低壓側(cè)后備保護進行組網(wǎng)，等同于以各饋線保護瞬動接點并聯(lián)閉鎖進線保護的快速保護。當(dāng)母聯(lián)開關(guān)閉合時，按其系統(tǒng)的保護邏輯，母聯(lián)保護將直接閉鎖低壓側(cè)后備保護，整套系統(tǒng)將不起作用，這達不到運行方式變換的要求。

國內(nèi)已有110kV等級及以上的基于IEC61850的母差保護產(chǎn)品，其中江蘇無錫西涇變電站的110kV保護方案與國網(wǎng)公司中壓母線智能保護規(guī)劃方案類似，但在中壓母線上仍延續(xù)以前保護規(guī)程，未設(shè)置中壓母線保護。

可見，現(xiàn)場條件限制了現(xiàn)有上述保護方案的實用性。

3 基于選擇性的中壓母線快速保護方案

根據(jù)中置柜設(shè)備配置密度大、中壓系統(tǒng)多重故障易發(fā)生的現(xiàn)狀，充分利用弧光保護精確定位及中置柜隔室相互獨立的特點，考慮中壓母線系統(tǒng)的每個隔室、每個死區(qū)，以故障弧光加主變低壓側(cè)的電流突變構(gòu)成雙判據(jù)跳閘，以失靈、過流信號構(gòu)成區(qū)分饋線、母線的選擇性保護，形成精確化的中置柜全覆蓋保護系統(tǒng)，改變傳統(tǒng)保護時延長、保護范圍不精確的缺點，達到在不改變原有一、二次設(shè)備的前提下對變電所進行改造，通過本技術(shù)找到保供電與保設(shè)備的最大效益平衡點的目的。

該整套保護系統(tǒng)由主控單元、電流單元、弧光繼電器擴展器、弧光繼電器、弧光傳感器和專用連接電纜組成。以雙主變、中壓母線單母分段、#2 主變配甲、乙開關(guān)的變電所為典型配置對象，雙主變配一個主控單元，主控單元采集 2 臺主變低壓側(cè)保護 CT 電流和母聯(lián)開關(guān)電流，主變低壓側(cè)I、II 段PT零序電壓，以及所有低壓側(cè)中置柜的母線室的弧光傳感器。

每個饋線柜配一弧光繼電器裝置，用于采集裝在每個饋線柜的開關(guān)室、電纜室的弧光傳感器, 同時聯(lián)接該饋線間隔的跳閘出口。母聯(lián)柜也配一弧光繼電器裝置，用于采集裝母聯(lián)柜的開關(guān)室、CT室的弧光傳感器。方案的典型配置圖如下。

圖1 方案典型配置

該方案保護邏輯的分區(qū)按照開關(guān)劃分，而不是傳統(tǒng)的以CT劃分。邏輯分為三類，有饋線/母聯(lián)/主變低壓側(cè)保護，死區(qū)保護，失靈保護。表2中T1、T2整定范圍為70-150ms。

表2

動作序列為：

（1）饋線柜電纜室、開關(guān)室故障時，饋線保護動作切除故障；如故障發(fā)生在開關(guān)室開關(guān)的母線側(cè)，則主控單元啟動死區(qū)保護跳主變低壓側(cè)開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)；若主變低壓側(cè)開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)拒動，則啟動失靈保護跳主變高壓側(cè)開關(guān)。

（2）所有開關(guān)柜母線室、主變低壓側(cè)開關(guān)柜開關(guān)室故障時，主變低壓側(cè)保護、母聯(lián)保護啟動后跳閘；如故障發(fā)生在主變柜開關(guān)室開關(guān)的主變側(cè)，則主控單元啟動主變低壓側(cè)死區(qū)保護跳主變高壓側(cè)開關(guān)；若母聯(lián)開關(guān)拒動，則啟動母聯(lián)失靈保護跳非故障母線段上的主變低壓側(cè)開關(guān)。

（3）母聯(lián)柜開關(guān)室，CT室故障時，當(dāng)主變低壓側(cè)母線并列運行時，母聯(lián)開關(guān)跳閘，若故障仍存在，則啟動母聯(lián)死區(qū)保護跳故障電流側(cè)主變低壓開關(guān)；當(dāng)主變低壓側(cè)母線分列運行時，直接跳故障電流側(cè)主變低壓開關(guān)。

該裝置分別通過國家電網(wǎng)自動化設(shè)備電磁兼容實驗室、華東中試所、西安高壓電器研究所的型式試驗、動模測試和引弧試驗，使其達到入網(wǎng)應(yīng)用級別后，該方案已在浙江寧波電網(wǎng)110kV青竹變投入試運行。

4 結(jié)論

實踐表明，隨著城市電網(wǎng)短路水平的不斷提高和中置柜服役時間的延長，設(shè)備絕緣水平下降引起的中壓母線短路事故逐漸增多，極大影響正常供電秩序，設(shè)備修復(fù)困難且周期長。

基于選擇性的中壓母線快速保護方案吸收電流保護、失靈保護、弧光保護的特點，針對國內(nèi)電網(wǎng)現(xiàn)場生產(chǎn)實際而設(shè)計，利用選擇性跳閘實現(xiàn)對中置柜所有隔室的全覆蓋保護，改造方便、適用性強、應(yīng)用前景廣闊。另外，該方案在實際運行經(jīng)驗方面需進一步積累。

本文編自《電氣技術(shù)》，標題為“變電所中置柜短路故障分析及解決方案研究”，作者為丁北平、陳東海 等。