变电所中置柜短路故障分析及解决方案研究

丁北平 陈东海 严浩军 王 磊 姜子庠

（1.宁波电业局，浙江 宁波 315010；2.上海电力学院，上海 200090）

随着国内电网规模的不断扩大，城市电网结构日趋紧密，中压母线短路容量愈来愈高。目前我国电网结构中，社会电力用户主要由中压系统即10kV和35kV等级供电，大多使用封闭式的中置柜以电缆引出，操作频繁，运行电流大，故障过电压高，设备安全距离与高压设备相比有差距，且制造质量近年来有下降趋势，随着运行时间的增长短路事故几率较高。

除特殊设计外，现有保护规程对中压母线的主保护未做强制性规定[1]，在实际中仅靠主变高、低后备复压过流来保护，切除故障时间长，一般为1.2～2s，母线短路事故时设备损毁往往非常严重。

近年来各地电网中置柜短路烧毁事故逐渐增多，本文以2011年某局电网发生的中置柜短路事故为研究对象，分析故障的典型类型和产生原因，研究现有中压母线保护方案及其适用性，提出一种基于选择性且适于现场改造的中压母线快速保护方案，满足国内生产现场改造的需要。

1 中置柜短路事故分析

从某局110kV舒家变10 kV Ⅰ段母线、220kV宁西变10 kV正母、220kV广济变35 kV Ⅱ段母线等多次中置柜事故来看，故障的发展过程大致为：中压供电馈线上发生单相接地故障，由此产生覆盖全系统的故障过电压、弧光接地过电压将中置柜绝缘薄弱点击穿，形成短路回路，馈线开关动作，馈线开关跳闸引起的暂态恢复电压扰动使原已绝缘受损的中置柜运行工况更为恶劣，最后引发该中置柜弧光短路，除少量配置中压母差保护的新220kV变电所外，此时主变低压过流保护启动，短路电流长期存在将中置柜烧毁。在整个过程中，短路位置由馈线侧转移到母线，故障形式由单相发展为多相，由于中置柜隔室狭小和电压扰动，母线故障时通常发展为三相短路。另外国内也有雷击线路引发中置柜短路爆炸的记载。

从多次故障抢修现场看，中置柜故障大多发生在手车小室、电缆小室，母线小室较少损坏；短路电流虽未发生短路超标但数额已相对较大、接近超标；在未配置母差保护时，母线短路持续时间较长，设备严重损毁，修复极为困难且停电时间长，有母差保护时，母线短路累计持续时间很短（统计数据中最长的140ms），因IEC298标准附录中规定10kV开关柜的内部耐燃弧时间为100ms，因此设备会有局部烧伤，但损毁较轻，不会殃及相邻间隔设备，修复相对容易。

可见，中压母线短路事故的起因多为馈线线路侧故障，事故扩大的原因为中置柜制造质量参差不齐、发热、材料老化等造成的绝缘水平下降，存在薄弱环节，设备损坏严重的原因为中压母线没有主保护，仅靠主变低后备复压过流保护切除故障，短路持续时间过长。长期看，随着东部沿海城市110～500kV高压输电网规模的扩大和变电站布局的紧密化，电网系统稳定的风险将减小而短路超标问题将愈发突出，在这一趋势下中压母线的短路容量将愈来愈大，在部分来不及改造的老旧变电所，此类短路事故一旦发生损毁将更严重。

2 国内外解决方案

针对上述问题，督促设备制造厂商提高中置柜制造质量是重要解决措施，同时在现有生产条件下，电力部门应加强设备的绝缘监督管理，严格执行设备交接试验、定期预试、状态检修等制度。

在做好设备采购、运行管理等工作预防事故发生的同时，另一方面，要寻求适用当前城市电网短路水平、电网架构和运行环境的技术措施。对于这类事故，快速动作隔离故障是国内外多数继电保护解决方案的立足点，方案的设计尽量达到安全性、快速性、选择性、灵敏性是指导原则。现有解决方案如下表所示。

表1 现有解决方案

母线定时限速断保护整定时间最低为0.5s，由于铜排150ms开始熔毁[2]，此方案能够降低短路后设备损毁程度，但可能成效不大。

高阻抗完全/不完全差动保护造价高，接线复杂，不能实现故障间隔的定位，同时两相不完全式母差保护对某些故障形式会误判而扩大停电范围，如本文1中分析的故障发展过程，若馈线上B相接地而引起中置柜中A或C相绝缘破坏，此时不完全母差将误判母线故障而非馈线故障，从而切除母线扩大事故停电范围。此外，对现有变电所的中置柜，其馈线CT无多余绕组，若安装差动CT又无空间，因此不适用现有变电所的技术改造。

在20世纪90年代欧洲开始研究将电孤光保护应用于中低压中置柜内部保护[3]，90年代末芬兰电网开始配备。在国内电网系统中，南方电网2009年试用的弧光保护，采用检测开关柜母线室的弧光信号和过流信号跳主变低压侧开关的典型应用方案，这种应用方式回避了最常发生故障的开关柜母线室和电缆室，从而可以不考虑选择性动作问题，这构不成真正意义上的母线保护，也不能充分发挥电弧光保护快速性、选择性的优势，方案的效果大打折扣。

南网在也试装了一种网络化的电流闭锁式母线保护，采用深圳南瑞的馈线保护、母联保护和低压侧后备保护进行组网，等同于以各馈线保护瞬动接点并联闭锁进线保护的快速保护。当母联开关闭合时，按其系统的保护逻辑，母联保护将直接闭锁低压侧后备保护，整套系统将不起作用，这达不到运行方式变换的要求。

国内已有110kV等级及以上的基于IEC61850的母差保护产品，其中江苏无锡西泾变电站的110kV保护方案与国网公司中压母线智能保护规划方案类似，但在中压母线上仍延续以前保护规程，未设置中压母线保护。

可见，现场条件限制了现有上述保护方案的实用性。

3 基于选择性的中压母线快速保护方案

根据中置柜设备配置密度大、中压系统多重故障易发生的现状，充分利用弧光保护精确定位及中置柜隔室相互独立的特点，考虑中压母线系统的每个隔室、每个死区，以故障弧光加主变低压侧的电流突变构成双判据跳闸，以失灵、过流信号构成区分馈线、母线的选择性保护，形成精确化的中置柜全覆盖保护系统，改变传统保护时延长、保护范围不精确的缺点，达到在不改变原有一、二次设备的前提下对变电所进行改造，通过本技术找到保供电与保设备的最大效益平衡点的目的。

该整套保护系统由主控单元、电流单元、弧光继电器扩展器、弧光继电器、弧光传感器和专用联接电缆组成。以双主变、中压母线单母分段、2#主变配甲、乙开关的变电所为典型配置对象，双主变配一个主控单元，主控单元采集两台主变低压侧保护CT电流和母联开关电流，主变低压侧Ⅰ、Ⅱ段PT零序电压，以及所有低压侧中置柜的母线室的弧光传感器。每个馈线柜配一弧光继电器装置，用于采集装在每个馈线柜的开关室、电缆室的弧光传感器，同时联接该馈线间隔的跳闸出口。母联柜也配一弧光继电器装置，用于采集装母联柜的开关室、CT室的弧光传感器。方案的典型配置如图1所示。

图1 基于选择性的中压母线快速保护方案典型配置

该方案保护逻辑的分区按照开关划分，而不是传统的以CT划分。逻辑分为3类，有馈线/母联/主变低压侧保护，死区保护，失灵保护。表2中T1、T2整定范围为70～150ms。

动作序列如下：①馈线柜电缆室、开关室故障时，馈线保护动作切除故障；如故障发生在开关室开关的母线侧，则主控单元启动死区保护跳主变低压侧开关和母联开关；若主变低压侧开关和母联开关拒动，则启动失灵保护跳主变高压侧开关；②所有开关柜母线室、主变低压侧开关柜开关室故障时，主变低压侧保护、母联保护启动后跳闸；如故障发生在主变柜开关室开关的主变侧，则主控单元启动主变低压侧死区保护跳主变高压侧开关；若母联开关拒动，则启动母联失灵保护跳非故障母线段上的主变低压侧开关；③母联柜开关室，CT室故障时，当主变低压侧母线并列运行时，母联开关跳闸，若故障仍存在，则启动母联死区保护跳故障电流侧主变低压开关；当主变低压侧母线分列运行时，直接跳故障电流侧主变低压开关。

表2

在装置分别通过国家电网自动化设备电磁兼容实验室、华东中试所、西安高压电器研究所的型式试验、动模测试和引弧试验，使其达到入网应用级别后，该方案已在浙江宁波电网110kV青竹变投入试运行。

4 结论

实践表明，随着城市电网短路水平的不断提高和中置柜服役时间的延长，设备绝缘水平下降引起的中压母线短路事故逐渐增多，极大影响正常供电秩序，设备修复困难且周期长。基于选择性的中压母线快速保护方案吸收电流保护、失灵保护、弧光保护的特点，针对国内电网现场生产实际而设计，利用选择性跳闸实现对中置柜所有隔室的全覆盖保护，改造方便、适用性强、应用前景广阔。另外，该方案在实际运行经验方面需进一步积累。

[1] GB/T 14285—2006. 继电保护和安全自动装置技术规程[S].

[2] SIDHU T S，SAGO G S，SACHDEV M S. Multi sensor secondary device for detection of low-level arcing faults in metal-clad MCC switchgear panel [J]. IEEE Trans on Power Delivery，2002. 17(1): 129-134.

[3] JONES R A, et al. Staged tests increase awareness of arc-flash harzards in electrical equipment.IEEE Pretrolleum and Chemical Indutry Conference,September, 1997.