一起开关柜设备故障引发的多套保护动作分析

郭碧翔，方振邦，陈国宏，赵昊然

(1.国网阜阳供电公司，安徽 阜阳 236000；2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601；3.国网六安供电公司，安徽 六安 237000)

1 事件简述

2017年，某座110kV变电站发生110kV#1主变差动保护动作，跳开#1主变高压侧701开关、中压侧3021开关，#1主变低压侧101开关后备保护复压过流I段保护动作；110kV#2主变低压侧后备保护复压过流I段保护动作，跳开#2主变低压侧102开关。

1.1 故障前运行方式

该站有两台主变，正常运行情况下有110 kV、35 kV和10 kV三个电压等级。运行方式为：110 kV单母线运行带#1主变701开关、#2主变702开关；#1主变3021开关带35 kV I母线运行，#1主变101开关热备用。#2主变3022开关带35 kV II母线运行，#2主变102开关带10 kV母线运行。

2 故障描述

现场检查发现，#1主变低压侧101开关的三相真空包发生爆炸，外侧柜体也有爆炸痕迹，如图1所示。现场调取了跳闸前的故障报文发现，所有10 kV线路均报整组启动信号，10 kV B相电压降低越下限，A、C相电压降低越上限，1～2秒后报A、B、C三相电压降低越下限。说明10 kV系统首先发生B相接地，A、C相电压升为线电压。受系统接地谐振电压影响，紧接着发生#1主变101开关真空包击穿爆炸，101开关三相弧光短路接地故障，母线三相电压降低。当时101开关是热备用状态，虽然本身没有电流，但其下端口通过#1主变、1013和1012闸刀带电，对故障点提供故障电流；其上端口由#2主变102开关通过母线经1011闸刀向101开关提供故障电流。故而造成#1主变和#2主变的保护均动作跳闸，才将故障点切除系统。

图1 #1主变低压侧101开关

3 保护动作情况分析

差动保护的基本原则是基尔霍夫电流定律。当正常运行或保护范围外发生故障时，则流入电流和流出电流(折算后的电流)相等，差动继电器不动作。发生故障时，即当两端CT电流矢量差达到设定的动作值时，差动继电器动作[1～3]。

主变的后备保护可以分为主变高后备保护和主变低后备保护，对变压器来讲起到了后备保护。当主变保护由于某种原因没有动作或者外部线路存在故障，为了使主变不受损坏，跳开主变高低压侧开关，因此后备保护主要保护主变。当主变低后备或者高后备出现故障时，一般设计跳闸为跳主变的高压侧和低压侧，也就是说当主变高低压侧出现问题时，为了保证主变不受损坏，将高低压侧的开关同时跳开[4,5]。

3.1 #1主变低压侧后备保护复压过流I段保护动作分析

结合#1主变保护定值及#1主变低压侧后备保护动作情况看，低压后备保护复压过流Ⅰ段的定值：动作电流为4000安，二次值为10A、时间0.6秒、变比2000/5。结合图2#1主变低后备保护装置动作波形图可知，故障电流二次值IABC最大值为15.79A，折算到一次值约6320安；从保护启动到保护动作持续时间612毫秒。由此分析得出故障电流大于#1主变低压侧后备保护装置复压过流I段定值，故障持续时间超过保护装置复压过流I段时限定值，满足保护动作条件。故在4时34分57秒691的时刻，101开关分位保护动作，但由于故障点在101开关上，流变在开关与3闸刀之间，故此故障虽然在后备保护范围内，并正确动作，但却无法切除故障。

图2 #1主变低后备保护装置动作波形

图3 #1主变差动保护装置动作波形

3.2 #1主变差动保护动作分析

101开关故障，正常情况下，应该属于#1主变的差动保护的区外故障，差动保护不应该动作。仔细分析后发现，#1主变差动动作是由于101流变饱和造成差动回路中产生差流，达到其定值而正确动作的。具体分析如下[6,7]：

从图3#1主变差动保护动作录波图中可以看到，在04时34分57秒078毫秒，#1主变101开关三相弧光短路接地故障的前30毫秒期间，101开关流变即出现故障电流，而此时差动保护的差电流为0，待30毫秒后，由于101开关流变饱和，故在差动回路中形成差流，并随着故障的发展逐渐增大，达到差动的启动值(#1主变差动电流起动定值为0.3Ie，比率差动系数为0.5，差动速断定值5Ie)，自启动开始至保护跳闸命令发出这段时间，高压侧与低压侧同时存在故障电流，此时虽然存在差动电流，但同时有制动电流存在，直到故障发展到其比率差动制动系数Id/Izd>K=0.5的临近状态时，比率差动保护动作，此时故障录波显示Icd=4.16Ie。因为差流未达到差动速断动作条件，故差动速断一直未动，所以#1主变的差动保护是比率差动在可靠制动了500毫秒后，起动跳闸，并在665毫秒后动作出口跳开三侧开关。从故障录波图中可以看出，在故障后期低压侧101开关电流波形由于流变饱和，严重畸变时，满足了比率差动动作条件后，比率差动保护动作，即4时34分57秒743 时，#1主变比率差动保护动作跳开701开关、3021开关。

3.3 #2主变低压侧后备保护复压过流I段保护动作分析

由于101开关是由不同的两个电源点向其提供故障电流，故#1主变的差动保护动作仅切除一个电源点。所以101开关故障依然未切除。

#2主变通过102开关由母线经1011闸刀继续向故障点提供故障电流。结合图4#2主变低压后备保护动作故障录波图分析，故障报告显示故障电流二次值IABC最大值为9.93A，折算到一次值约8000安。(#2主变低后备保护复压过流Ⅰ段定值4640安，二次值为5.8A、时间0.6秒、变比4000/5。)，由此看，101开关故障在其保护范围内，故障电流达到其动作值，其后备保护起动，持续607毫秒后(超过保护装置复压过流I段时限定值0.6秒)，开始动作跳闸。

结合图4#2主变低后备保护动作故障录波图分析，#2主变低压侧102开关后备保护启动后经812毫秒延时动作跳闸，并报102开关复压过流I段动作，随后102开关跳闸，故障点才最后被隔离。4时34分57秒812的时刻，#2主变低后备复压过流I段动作跳开102开关。

此时向故障点提供故障电流的电源完全切除，故障才被彻底隔离。

图4 #2主变低后备保护动作故障录波图

4 故障原因分析及建议

#1主变低压侧101开关柜发生B相接地是本次故障的导火线，现场调查发现，B相断路器及隔离闸刀绝缘部分表面受潮，加上未定期清扫灰尘，运行条件恶化，在电场长时间的作用下，泄漏电流增大及局部电弧的产生，导致闪络电压降低，最终闪络放电接地。从而受系统接地谐振电压影响，发生101开关真空包击穿爆炸。紧接着发生上文所述保护动作，才将故障点切除系统。

综上分析，此次#1和#2主变保护动作跳闸的直接原因是#1主变低压侧开关柜发生单相接地。而开关柜发生单相接地原因是由于开关长期运行发生老化导致的。针对这种情况，建议对此类断路器进行排查，对发生老化的开关进行更换，在实际运行中，要确保开关柜封闭运行，防止潮气进入开关柜使绝缘件受潮。

5 结束语

变压器为电网中的重要设备，其非计划停运将可引发大规模停电，故障损坏亦造成企业大量经济损失[8]。因此，本文分析了一起开关柜故障导致的主变多套保护动作，分析了故障原因和故障发展过程，指出了本次继电保护动作的合理性。本次故障讨论为继电保护人员提供了一种开关柜故障的防范方法，保证了电网的安全运行。