一例220 kV變電站二次綜合事故分析

敖非，梁文武，洪權(quán)，沈楊

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

一例220 kV變電站二次綜合事故分析

敖非，梁文武，洪權(quán)，沈楊

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

Comprehensive analysis on an secondary comprehensive accident for 220 kV substation

通過一例220 kV變電站大范圍停電事故，深入分析直流蓄電池“虛開”缺陷，并提出相應(yīng)的防范解決措施，具有一定的實際應(yīng)用價值，有助于避免類似事故的發(fā)生。

蓄電池；直流系統(tǒng)；虛開；防范解決措施

直流電源系統(tǒng)在變電站的供電系統(tǒng)當(dāng)中有著極其重要的作用，蓄電池組又是直流電源系統(tǒng)的核心，其性能和可靠性對變電站的整個供電系統(tǒng)的正常工作有著直接的影響〔1〕。一旦蓄電池組存在隱患、不能正常工作，將會隨時危及變電站和電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行。文中通過對一起220 kV變電站直流電源系統(tǒng)故障引起的大范圍停電事件的分析，引出對蓄電池故障現(xiàn)象的探討，并提出具體措施。

1 事故概況

1.1 運行方式簡介

事故220 kV變電站簡化電氣主接線如圖1所示，2臺主變并列運行，1號主變中性點接地，220 kVⅠ，Ⅱ母線各帶3條220kV線路運行；1號站用變接于10 kVⅠ母帶全站站用負(fù)荷，2號站用變接于10 kVⅡ母熱備用，380 V采用進(jìn)線備投。

圖1 站內(nèi)一次接線示意圖

1.2 事故經(jīng)過介紹

本次事故共分為兩個階段:第一階段，2015年6月16日09時37分，110 kV 516線路間隔戶外電纜終端頭A相接地故障跳閘，引起220 kV 602，608，614線路連鎖跳閘；第二階段，11時43分110 kV GIS室設(shè)備故障冒濃煙，1號主變及110 kVⅠ母跳閘，全站站用變和直流電源系統(tǒng)全部失電，后通過手動倒換站用變恢復(fù)全站站用負(fù)荷及直流供電。

2 事故原因分析

2.1 第一階段事故分析

第一階段事故由516線戶外電纜終端頭A相接地故障引起，516線路故障發(fā)生后17.7 ms，516線路保護(hù)動作出口，90 ms將故障切除。

2.1.1 保護(hù)動作原因分析

跳閘線路602，608，614均接于220 kVⅡ母運行，并且均只有B套保護(hù)動作，A套保護(hù)沒有動作；而另3條接于220 kVⅠ母運行的線路未跳閘。

通過故障錄波和線路保護(hù)裝置動作報告，發(fā)現(xiàn)516故障發(fā)生后400 ms左右220 kVⅡ母TV三相電壓消失，約4.3 s后Ⅱ母TV三相電壓恢復(fù)，Ⅰ母TV A，B相二次電壓也與Ⅱ母電壓基本同時消失約4.3 s，但Ⅰ母C相電壓只消失約280 ms。

跳閘的220 kV線路B套保護(hù)涉及三個廠家，通過查看說明書及咨詢廠家，對三條線路跳閘原因進(jìn)行了分析。在TV二次電壓消失前，516線路戶外電纜終端頭處故障對220 kV線路保護(hù)屬于反向區(qū)外故障，距離保護(hù)均可靠不動作。516間隔故障后，220 kV線路保護(hù)已啟動進(jìn)入故障判別流程，此時由于保護(hù)TV二次電壓消失，距離計算阻抗基本為0，從而落到了阻抗平面的原點位置而滿足了220 kV線路保護(hù)距離后備段的動作條件。因此，掛在Ⅱ母上的3條220 kV線路保護(hù)B套正確動作。

A套保護(hù)未動作的原因:通過對220 kV線路、母差等保護(hù)裝置記錄進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)各元件A套保護(hù)在此次故障期間普遍出現(xiàn)重啟或自檢報文記錄，而B套保護(hù)故障期間基本上處于正常運行狀態(tài)，且跳閘的220 kV線路保護(hù)裝置A套均無動作記錄，都是由B套保護(hù)動作跳閘。因此推測，直流Ⅰ段失電保護(hù)裝置掉電造成A套保護(hù)沒有動作。

接Ⅰ母運行的3條220 kV線路沒有跳閘的原因:相間距離保護(hù)采用正序電壓作為極化電壓，而Ⅰ母C相二次電壓消失時間只有約280 ms，因此正序電壓也只消失約280 ms，該時間較距離Ⅱ段和Ⅲ段動作時間短，不滿足動作延時而未出口。

同時，現(xiàn)場通過對608間隔兩套線路保護(hù)進(jìn)行故障錄波回放試驗重現(xiàn)事故時的狀態(tài)，2套保護(hù)裝置在使用Ⅰ母電壓進(jìn)行故障回放時均不動作，而使用Ⅱ母電壓進(jìn)行故障回放時均動作，試驗結(jié)果與事故發(fā)生時保護(hù)動作情況完全一致。

2.1.2 保護(hù)TV三相電壓消失原因分析

220 kV TV并列屏電壓Ⅰ母、Ⅱ母兩組母線二次電壓分別通過各自TV隔刀輔助接點重動實現(xiàn)二次電壓隔離，Ⅰ母切換、Ⅱ母切換及TV并列重動繼電器均接自同一路直流電源，現(xiàn)場檢查確認(rèn)為直流Ⅰ段電源。當(dāng)?shù)谝欢沃绷髂妇€失電后，兩組電壓切換繼電器均返回，其常開接點也相應(yīng)斷開，因此電壓二次回路被斷開，導(dǎo)致TV二次電壓消失現(xiàn)象。

除Ⅰ母C相電壓消失時間約280 ms外，Ⅰ，Ⅱ母其他電壓消失時間均為4.3 s左右，由于母線TV公用屏不能退出運行，因此無法對切換繼電器進(jìn)行檢查試驗，推測Ⅰ母C相二次電壓因繼電器接點卡澀等導(dǎo)致節(jié)點動作情況與其他接點不同步。

2.1.3 直流Ⅰ段母線失電原因分析

根據(jù)之前保護(hù)電壓消失現(xiàn)象推斷第一段直流母線在此次事故發(fā)生400 ms左右開始失壓約4.3 s，而直流Ⅱ段母線在此期間基本正常。事故前由1號站用變帶全站站用負(fù)荷，2號站用變熱備用。使用DDRTS根據(jù)站內(nèi)一次設(shè)備運行方式和基本參數(shù)進(jìn)行故障仿真，在516線路故障時刻直流電源充電機(jī)的交流輸入，即站用380 V交流電源A相電壓跌至38 V左右，而且此時充電機(jī)的兩路380 V交流輸入均由1號站用變供電，兩路交流輸入均出現(xiàn)異常。通過翻閱直流充電機(jī)說明書、咨詢廠家及現(xiàn)場使用調(diào)壓器和負(fù)載箱模擬故障情況進(jìn)行試驗驗證:當(dāng)充電機(jī)交流輸入單相大幅降低時充電機(jī)會閉鎖充電模塊停止輸出，待輸入電壓恢復(fù)正常后充電裝置約4～5 s恢復(fù)正常輸出。正常情況下充電機(jī)閉鎖輸出后應(yīng)由直流蓄電池繼續(xù)供電，事故發(fā)生后現(xiàn)場對蓄電池進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)Ⅰ號蓄電池組單體49號和69號蓄電池已經(jīng)開路，查閱2015年1月此組蓄電池內(nèi)阻測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)故障蓄電池組多只單體電池內(nèi)阻值異常，特別是49號單體內(nèi)阻值明顯偏大，表明此蓄電池組存在“虛開”現(xiàn)象，因此直流Ⅰ段母線在Ⅰ號充電機(jī)閉鎖后帶上大負(fù)荷，“虛開”蓄電池中極柱下發(fā)已被腐蝕、老化開裂的匯流排在大電流的沖擊下斷裂造成開路而失壓；查閱相關(guān)試驗報告數(shù)據(jù)，Ⅱ號直流蓄電池組同樣存在“虛開”現(xiàn)象，但運行狀況比Ⅰ號蓄電池組稍好，且所帶直流負(fù)荷比直流Ⅰ段偏小，因此Ⅱ號蓄電池組在Ⅱ號充電機(jī)閉鎖的4.3 s內(nèi)短暫支撐起了直流Ⅱ段所帶負(fù)荷。

兩組蓄電池的2014年核容和2015年1月內(nèi)阻測試報告中，Ⅰ號蓄電池容量測試僅為50%，Ⅱ號蓄電池容量僅為70%，內(nèi)阻測試報告中兩組蓄電池的內(nèi)阻測試值都不平均且個別單體蓄電池內(nèi)阻明顯偏大，與廠家提供的出廠內(nèi)阻值和蓄電池新安裝后第一次內(nèi)阻測試值、前一次內(nèi)阻測試值進(jìn)行比較，蓄電池內(nèi)阻變化趨勢明顯異常，個別蓄電池近一年內(nèi)阻增大趨勢明顯，明顯存在內(nèi)部虛開隱患。運維人員對在內(nèi)阻測試中發(fā)現(xiàn)有超出平均值20%～50%的電池時，未盡快安排蓄電池組容量核對性試驗，根據(jù)核容結(jié)果安排大修、技改或應(yīng)急措施；對內(nèi)阻超出平均值100%的單體電池，也未立即采取退出該故障電池的方法應(yīng)急處理。

2.2 第二階段事故分析

第二階段故障點位于110 kV GIS內(nèi)部，事故發(fā)生時110 kV GIS室冒出黑色濃煙，故障發(fā)生后1號主變保護(hù)與110 kVⅠ母母差保護(hù)動作，將1號主變?nèi)齻?cè)開關(guān)、110 kV母聯(lián)500及接于110 kVⅠ母運行的504(熱備用)，506，518，522線路切除。

由于1號站用變帶全部站用負(fù)荷，因此1號主變跳閘后1號站用變失電，導(dǎo)致2套直流充電機(jī)交流輸入失電停止輸出，需靠2組直流蓄電池帶全站直流負(fù)荷，但Ⅰ號蓄電池組在第一階段故障時已完全開路，事故后Ⅱ號蓄電池組的內(nèi)阻測試結(jié)果表明1號和75號單體蓄電池開路，說明Ⅱ號蓄電池組在第二階段故障時，本來已存在虛開現(xiàn)象的單體蓄電池，在經(jīng)受2次蓄電池帶全站直流負(fù)荷造成的大電流沖擊后發(fā)生開路，導(dǎo)致全站直流母線失壓。第二階段故障導(dǎo)致全站直流失壓時，事故調(diào)查人員在直流母線失壓后的前幾分鐘發(fā)現(xiàn)第2組直流饋線屏電源指示燈存在反復(fù)閃爍情況，也證明Ⅱ號蓄電池組原本存在“虛開”現(xiàn)象，在持續(xù)直流大電流沖擊下再導(dǎo)致Ⅱ號蓄電池完全開路。

110 kV母差保護(hù)只點亮動作燈但無動作報文是因為母差保護(hù)動作后直流掉電，因此裝置未來得及記錄此次動作報文。

2.3 站用380 V失壓備自投未動作的原因

第2次故障1號主變跳閘導(dǎo)致全站站用負(fù)荷失電，由于此次故障后2組蓄電池均開路造成全站直流失電，導(dǎo)致站用變低壓備自投裝置失電，此時雖然2號站用變處于熱備用狀態(tài)，也無法將站用電源自動切換到2號站用變，只能靠手動切換電源。

3 事故結(jié)論

第一階段516 A相接地故障后，引起站用380 V交流輸入低電壓，因Ⅰ號充電機(jī)的兩路交流輸入此時均由1號站用變帶，充電機(jī)交流輸入異常后引起輸出閉鎖，而Ⅰ號蓄電池組存在開路導(dǎo)致直流Ⅰ段母線失壓。直流Ⅰ段失壓后造成TV切換屏失電，保護(hù)用母線電壓失壓，從而滿足了距離保護(hù)后備段的動作條件，保護(hù)正確動作。第二階段110 kV GIS故障位置在510開關(guān)室，處于1號主變保護(hù)和110 kVⅠ母母差保護(hù)的重疊區(qū)，所以主變及母差保護(hù)正確動作。事故導(dǎo)致全站直流失電是因為2臺充電機(jī)失去交流輸入后輸出閉鎖，而兩組直流蓄電池均開路，致兩組直流段都失壓。

本次事故擴(kuò)大的根本原因:一是事故時380 V站用電采用的是進(jìn)線備投的方式，負(fù)荷均由1號站用電帶，導(dǎo)致充電機(jī)的兩路交流輸入電源同源，同時出現(xiàn)異常，充電機(jī)的兩路交流輸入切換功能就失去了意義；二是兩組直流蓄電池運行狀況較差，存在虛開的現(xiàn)象，蓄電池切換到運行狀態(tài)后在負(fù)荷電流的沖擊下出現(xiàn)開路而引起直流電源系統(tǒng)失電。

4 改進(jìn)措施及建議

4.1 規(guī)范電源接取

應(yīng)對站用電的運行方式進(jìn)行優(yōu)化，保證正常情況下兩臺站用變分別由2臺主變供電且分列運行，提供兩路不同源的380 V交流電源。

4.2 加強(qiáng)蓄電池測試

1)重視蓄電池核對性充放電試驗。嚴(yán)格按照文獻(xiàn)〔2〕:“5.1.2.8新安裝的閥控密封蓄電池組，應(yīng)進(jìn)行全核對性放電試驗。以后每隔二年進(jìn)行一次核對性放電試驗。運行了四年以后的蓄電池組，每年做一次核對性放電試驗”的要求試驗周期開展蓄電池核對性放電試驗，進(jìn)行100%的全容量核對性放電，以便及時發(fā)現(xiàn)蓄電池深層次的缺陷，同時可對落后蓄電池起到活化的作用。

2)加強(qiáng)單體蓄電池內(nèi)阻測試。應(yīng)定期對蓄電池進(jìn)行內(nèi)阻測量，220 kV變電站宜每季度開展一次，110 kV變電站宜每半年開展一次，老舊、問題蓄電池組應(yīng)加強(qiáng)測試，測試數(shù)據(jù)需與出廠內(nèi)阻值、新安裝后第一次內(nèi)阻測試值、前一次內(nèi)阻測試值進(jìn)行比較。特別對于測試中內(nèi)阻測試儀告警，提示“請檢查電池夾連接”或無法進(jìn)行測試的單體蓄電池應(yīng)引起警示，仔細(xì)核對其近期測試的相關(guān)數(shù)據(jù)，與其他單體蓄電池浮充電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，看是否存在較大偏差。同時將監(jiān)控裝置轉(zhuǎn)均充狀態(tài)，測量其異常蓄電池的均充時端電壓，確定異常蓄電池是否存在內(nèi)部虛開路現(xiàn)象。對于投運年限大于10年的蓄電池應(yīng)重點關(guān)注。

3)應(yīng)結(jié)合全面巡視或?qū)I(yè)巡視，對蓄電池組開展紅外測溫，每年至少2次，測試時應(yīng)將監(jiān)控裝置轉(zhuǎn)均充狀態(tài)進(jìn)行，檢查紅外圖譜是否存在單點過熱現(xiàn)象，防止蓄電池內(nèi)部開路。

4.3 加大老舊問題設(shè)備改造力度

在大修技改計劃中加強(qiáng)對老舊、問題直流電源設(shè)備的改造力度。嚴(yán)格參照文獻(xiàn)〔3－5〕加快對老舊、技術(shù)落后、缺陷頻發(fā)的充電裝置、蓄電池及其他主要元器件的直流電源設(shè)備進(jìn)行更換或修理。同時結(jié)合110 kV及以上電壓等級變電站直流電源系統(tǒng)試驗和狀態(tài)評價情況，重點對在運超過10年，和蓄電池組容量不足80%，以及內(nèi)阻值超標(biāo)的單體蓄電池數(shù)量達(dá)到整組20%的蓄電池組進(jìn)行改造更換，特別是廠家已倒閉或已無備品備件的直流電源系統(tǒng)，應(yīng)盡快組織改造。

4.4 做好應(yīng)急處理

1)對于測試數(shù)據(jù)異常單體蓄電池應(yīng)立即制定方案退出單體異常電池，對于整組蓄電池試驗數(shù)據(jù)不合格的及時進(jìn)行更換。

2)應(yīng)加強(qiáng)備品備件和應(yīng)急設(shè)備的管理，特別是加強(qiáng)對直流應(yīng)急設(shè)備如備用直流蓄電池及便攜式直流充電機(jī)的配置及日常維護(hù)，便于在直流電源設(shè)備出現(xiàn)異常時，能安全、迅速的完成應(yīng)急處理。

〔1〕黃森炯，王曉，王晴.一起因蓄電池故障造成繼電保護(hù)越級跳閘事故的分析〔J〕.電氣自動化，2012，34(6):39-41.

〔2〕國家電網(wǎng)生國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施:國家電網(wǎng)〔2012〕352號〔Z〕.2012.

〔3〕國家電網(wǎng)公司.變電站直流系統(tǒng)狀態(tài)檢修導(dǎo)則:Q/GDW606—2011〔S〕.北京:中國電力出版社，2011.

〔4〕國家電網(wǎng)公司直流電源系統(tǒng)運行規(guī)范:國家電網(wǎng)生計〔2005〕172號〔Z〕.2005.

〔5〕中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程:DL/T 5044—2004〔S〕.北京:中國電力出版社，2004.

TM642

B

1008-0198(2016)05-0086-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.05.024

敖非(1983)，男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動化技術(shù)、直流電源系統(tǒng)技術(shù)。

梁文武(1983)，男，碩士，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)。

洪權(quán)(1987)，男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化技術(shù)。

沈楊(1985)，女，本科，助理工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)。

2015-10-26 改回日期:2015-11-19