变电站直流电源全部消失后断路器紧急跳闸方案研究

徐志强

（山西地方电力有限公司电网分公司，山西 太原 030001）

0 引言

直流系统是一个长期带电、不间断工作的独立电源，它支路多、负荷涉及面广、不受系统运行方式影响，并在外部交流电源中断的情况下，保证由蓄电池继续提供直流电源的重要设备，是变电站最重要的系统之一。它主要由整流模块、直流馈电单元、绝缘监测和蓄电池等组成，负荷包括电气设备的控制、信号、测量和继电保护及其自动装置、操作机构直流电动机、断路器电磁操动的合闸机构、站内交流不停电电源系统、远动装置电源和事故照明等。直流系统会由于环境改变、气候变化、污染、高温等引起电缆老化、接线端子老化、元件损坏以及设备本身等问题引起绝缘水平下降。一般来说，投运时间越长，其接地的概率越高。当直流系统中发生一点接地时，一般情况下并不影响系统运行，但需要及时查找接地点并进行处理；当出现2 点及2 点以上接地时，便可能构成接地短路，造成继电保护、信号、自动装置误动或拒动，或造成直流保险熔断，使保护及自动装置、控制回路失去电源。在复杂的保护回路中同极2 点接地，还可能使某些保护不能动作与跳闸，致使保护越级跳闸。因此，保障直流系统的安全供电是变电站保护、自动化等系统正常工作的必要条件。近年来，电力系统发生了多起由于直流电源失电，导致故障时断路器拒动，引起主变被烧毁的事故，给电力系统的安全运行带来巨大影响。

事故一：山西电网“7·20”事故。1999 年7月20 日8 时54 分58 秒，山西电网220 kV 新店变电站2 号主变10 kV B 段802 断路器的隔离刀闸下插头相间闪络发生三相短路，10 kV 断路器开断故障失败，灭弧室烧毁，配电装置起弧；由于断路器柜接地不良，致使柜体所带的高压电经柜内控制和合闸电缆串入直流回路，直流回路绝缘被击穿、短路，直流系统的控制母线直接短路，致使保护装置的直流电源消失。由于本站所有保护不能出口跳闸，之后引起邻近的110 kV 东母A相单相接地短路，再发展为AB 两相接地短路，最后发展为三相短路；三相短路后造成220 kV 母线发生A 相接地故障，发展为AB 两相接地故障，之后又发展为三相短路。新店220 kV 母线三相短路数秒后，山西电网7 台200 MW 以上发电机组相继跳闸。

这次事故烧毁了1 号主变等设备，主控室着火并将大部分保护设备烧毁，事故殃及山西电网并波及华北主网。

事故二：陕西电网“6·18”事故。2016 年6月18 日0 时28 分，330 kV 南郊变（110 kV 韦曲变） 站外35 kV 韦里III 线故障，韦曲变35 kV、10 kV 母线电压降低，1 号、2 号、0 号站用变压器低压侧脱扣跳闸，直流系统失去交流电源。事故期间，330 kV 南郊变（110 kV 韦曲变） 改造更换后的两组新蓄电池至两段母线之间的刀闸在断开位置，充电屏交流电源失去后，造成直流母线失压，导致全站保护装置及操作电源失效，站内保护无法动作，造成故障越级，最后依靠对侧变电站后备保护切除故障。

事故造成330 kV 南郊变及110 kV 韦曲变等8 座110 kV 变电站失压，共计损失负荷24.3 万kW，停电用户8.65 万户；事故造成330 kV 南郊变电站1 号、2 号主变喷油，3 号变烧损。

上述两起重大事故均因变电站失去直流电源，站内保护装置不能动作，使得事故范围扩大，导致变压器烧损。如果在变电站失去全部直流电源后，能将故障快速隔离，将可能防止设备损坏，限制故障波及范围。目前，国内外类似的研究仅限于将电解电容器储能后用于控制和保护为同一电源的电磁型继电器构成的低压系统，并未对控制和保护电源分开的更高电压等级系统开展相关研究。因此，开展高压、超高压系统变电站直流电源全部消失后故障隔离或断路器紧急跳闸方案的研究显得十分必要。

1 直流电源全部消失后断路器紧急跳闸系统的提出

变电站直流电源全部消失后，站内所有由直流电源供电的设备均不能动作，只能依靠非电量的保护或者装置实现故障判别和隔离。综合全站所有一、二次设备的特征，只有变压器的瓦斯继电器和压力释放阀可以输出非电量的接点。另外，变电站直流电源全部失去后，与之相连变电站的线路后备保护范围内的故障（线路主保护纵联保护因一端保护装置失去直流电源而不能动作），可由后备保护延时切除；但在变压器低压侧故障时，则有可能超出了后备保护的范围，这无疑对变压器造成巨大危害。由此可以看出，变电站失去全部直流电源后发生任何故障，都会对变压器造成危害，在变压器低压侧发生故障，则造成的危害更严重。因此，本文提出由变压器瓦斯继电器或者压力释放阀结合超级电容器和其他辅助环节组成一个全部机械接点的控制回路，用来完成变压器各侧断路器的开断和故障隔离。站内直流电源全部消失的判别以安装在直流电源母线的电磁型电压继电器来完成。下面以全站仅两段直流母线系统为例，详述在变电站直流电源全部消失后一台变压器各侧断路器的紧急跳闸系统（站内每台变压器均装设同样系统）。系统构成见图1。

在图1 紧急跳闸系统中，l1、l2、l3、l4、l5为各支路电缆长度；C为超级电容器。正常运行情况下，充电机从站用变压器处获得电源，经整流后为直流母线供电，并为蓄电池充电（图1 中未画出充电机和蓄电池）；第一段直流母线和第二段直流母线上安装的直流电磁型电压继电器J1、J2吸合，常闭接点J1-1、J1-2、J1-3和J2-1、J2-2、J2-3打开；当第一段直流母线和第二段直流母线全部失电时，继电器J1、J2失电返回，常闭接点J1-1、J1-2、J1-3和J2-1、J2-2、J2-3闭合，如此时变压器重瓦斯继电器（或者压力释放阀） 动作，接点闭合，则超级电容放电回路接通变压器三侧断路器跳闸线圈，断路器跳闸将变压器从系统中切除；当直流全部消失时也可由运行人员接调度命令手动按下“事故按钮”断开变压器各侧断路器。如只有一段直流母线失电，表明不是全站失去直流电源，超级电容放电回路与变压器三侧断路器跳闸回路并不联通。

对于低压侧没有电源的变压器，该系统也可以只接通高中压侧断路器跳闸线圈，断开高、中压两侧断路器即可将故障隔离。另外，按照断路器技术的相关规范，当断路器控制电源直流电压≤30%Un（Un为变电站直流电源额定电压） 时，禁止断路器分合闸，为此第一、第二段母线上安装的直流电磁型电压继电器J1、J2的电压整定值范围为0～30%Un。

图1 两段直流电源母线全部消失后断路器紧急跳闸系统

2 基于跳闸线圈电压的超级电容值选择

断路器紧急跳闸系统实际上是超级电容器通过相关接点对断路器跳闸线圈的放电过程，因而断路器跳闸线圈的直流电阻和系统回路电缆长度及截面积就是与之相关的主要参数，而各断路器生产厂家在断路器跳闸线圈的额定电流、直流电阻等方面差异较大。为了能更好地模拟断路器跳闸线圈特性，查阅相关资料得到部分断路器跳闸线圈的相关参数（见表1）。本文根据图1 中各支路的电缆长度分别采用2.5 mm2和1.5 mm2截面积的单芯电缆计算电阻值，结果见表2。下面以西安西电高压开关有限责任公司LW13A-500Y 断路器[1]、北京ABB 高压开关设备有限公司ABB HPL245B1断路器[2]和35 kV 山东泰开高压开关有限公司KYN61-40.5 铠装型移开式室内交流金属封闭开关设备[3]为例，对该系统的超级电容值进行初步选择。

为了选择满足断路器跳闸线圈所需能量的电容值，按照图1 中500 kV 变压器的紧急跳闸系统方案建立如图2 所示的模拟电路示意图。图2 中500 kV、220 kV 以及35 kV 断路器跳闸线圈用直流电阻R500、R220、R35模拟，以电容器C模型代替超级电容器，正极回路电阻用R+表示，负极回路电阻用R-表示。各回路电阻计算值见表3。

表1 变压器高、中、低压三侧断路器参数

表2 各支路单芯电缆长度、截面积及电阻计算值[4]

图2 电容值初选计算示意图

表3 各回路电阻计算值

由于断路器跳闸线圈的电感值和超级电容器的内阻很小，影响有限，所以在计算初选电容值时忽略不计。计算时电容电压UC=U×e（-t/RZC），其中，U为电容器初始电压，RZ为系统总电阻。

规程规定：断路器跳闸时，跳闸线圈两端不得小于85%~90%的额定电压，即187～198 V。为此本文确定在电容器放电到0.1 s（实际断路器动作时限要小于0.1 s） 时断路器跳闸线圈两端电压仍然维持在198 V 水平。对于每一时刻而言，电容器电压是回路压降、电缆压降和线圈上电压之和，由此可以计算出初选电容值。

2.1 回路使用1.5 mm2 电缆时的电容值计算

2.1.1 紧急跳闸系统断开变压器高、中、低三侧断路器方案电容值初选

当t=0.1 s，500 kV 断路器跳闸线圈两端电压为198 V 时的支路电压U500=（198/（R500/3））×（R500/3+4.84）=217.17 V。

当t=0.1 s，220 kV 断路器跳闸线圈两端电压为198 V 时的支路电压U220=（198/（R220/3））×（R220/3+9.68）=225.49 V。

当t=0.1 s，35 kV 断路器跳闸线圈两端电压为198 V 时的支路电压U35=（198/R35）×（R35+14.52）=210.53 V。

取3 个支路中最高电压U220计算的各支路电流如下：I550=225.49/（R500/3+4.84）=4.11 A；I220=225.49/（R220/3+9.68）=2.83 A；I35=225.49/（R35+14.52）=0.92 A。

3 个电压等级断路器跳闸线圈支路0.1 s 时的总电流IZ=4.11+2.83+0.92=7.86 A。忽略电容器内阻，t=0.1 s 时电容器两端电压Uc=7.86×（28.68+10.89+1.21）=325.53 V。

如选择初始电压U=330 V，t=0.1 s 时，由式U×e（-t/RZC）=325.53 可计算出电容值C=0.18 F。

2.1.2 紧急跳闸系统断开变压器高、中两侧断路器方案电容值初选

当t=0.1 s，500 kV 断路器跳闸线圈两端电压为198 V 时的支路电压U500=（198/（R500/3））×（R500/3+4.84）=217.17 V。

当t=0.1 s，220 kV 断路器跳闸线圈两端电压为198 V 时的支路电压U220=（198/（R220/3））×（R220/3+9.68）=225.49 V。

取两个支路中最高电压U220计算各支路电流如下：I500=225.49/（R500/3+4.84）=4.11 A；I220=225.49/（R220/3+9.68）=2.83 A。

两个电压等级断路器跳闸线圈支路0.1 s 时的总电流IZ=4.11+2.83=6.94 A。

忽略电容器内阻，t=0.1 s 时电容器两端电压Uc=6.94×（32.48+10.89+1.21）=309.39 V。

如选择初始电压U=330 V，t=0.1 s 时，由式U×e（-t/RZC）=309.39 可计算出电容值C=0.035 F。

2.2 回路使用2.5 mm2 电缆时的电容值计算

2.2.1 紧急跳闸系统断开变压器高、中、低三侧断路器方案电容值初选

当t=0.1 s，500 kV 断路器跳闸线圈两端电压为198 V 时的支路电压U500=（198/（R500/3））×（R500/3+2.964）=209.74 V。

当t=0.1 s，220 kV 断路器跳闸线圈两端电压为198 V 时的支路电压U220=（198/（R220/3））×（R220/3+5.928）=214.88 V。

当t=0.1 s，35 kV 断路器跳闸线圈两端电压为198 V 时的支路电压U35=（198/R35）×（R35+8.892）=205.69 V。

在3 个支路中取电压最高支路电压U220进行计算，得到各支路电流如下：I550=214.88/（R500/3+2.964）=4.06 A；I220=214.88/（R220/3+5.928）=2.83 A；I35=214.88/（R35+8.892）=0.9 A。

3 个电压等级断路器跳闸线圈回路0.1 s 时的总电流IZ=4.06+2.83+0.9=7.79 A。

忽略电容器内阻，t=0.1 s 时电容器两端电压Uc=7.79×（27.6+6.669+0.741）=272.73 V。

如选择初始电压为U=275 V，t=0.1 s 时，由式U×e（-t//RZC）=272.73 可计算出电容值C=0.345 F。

2.2.2 紧急跳闸系统断开变压器高、中两侧断路器方案电容值初选

当t=0.1 s，500 kV 断路器跳闸线圈两端电压为198 V 时的支路电压U500=（198/（R500/3））×（R500/3+2.964）=209.74 V。

当t=0.1 s，220 kV 断路器跳闸线圈两端电压为198 V 时的支路电压U220=（198/（R220/3））×（R220/3+5.928）=214.88 V。

在两个支路中取最高支路电压U220进行计算，得到各支路电流如下：I500=214.88/（R500/3+2.964）=4.06 A；I220=214.88/（R220/3+5.928）=2.83 A。

两个电压等级断路器跳闸线圈支路0.1 s 时的总电流IZ=4.06+2.83=6.89 A。

忽略电容器内阻，t=0.1 s 时电容器两端电压Uc=6.89×（31.2+6.669+0.741）=266.02 V。

如选择初始电压U=275 V，t=0.1 s 时，由式U×e（-t//RZC）=266.02 可计算出电容值C=0.078 F。

综上所述，当电容器初始电压选择330 V，考虑电容器电压衰减，回路使用1.5 mm2电缆，超级电容值C≥0.18 F 时，能够满足变压器三侧断路器断开时跳闸线圈两端的电压要求；当超级电容值C≥0.035 F 时，能够满足变压器两侧断路器断开时跳闸线圈两端的电压要求。当电容器初始电压选择275 V，考虑电容器电压衰减，回路使用2.5 mm2电缆，超级电容值C≥0.345 F 时，能够满足变压器三侧断路器断开时跳闸线圈两端的电压要求；当超级电容值C≥0.078 F 时，能够满足变压器两侧断路器断开时跳闸线圈两端的电压要求。因回路使用1.5 mm2电缆时的电阻大于使用2.5 mm2电缆时的电阻，为保证断路器跳闸线圈两端电压满足规程要求，使用1.5 mm2电缆时电容器初始电压较使用2.5 mm2电缆时更高。综合各种因素，回路使用2.5 mm2电缆较好。对于断路器跳闸线圈额定电压为110 V 时，利用同样方法，可以求出初选的超级电容值。由于未计及电容器内阻，所以计算的电容值会比实际稍小。

3 仿真分析

超级电容器是近年来发展起来的一种介于电容器和化学电池之间的新型储能元件，其作为储能元件具有电容值大、高的比功率、低的能量比、充放电寿命长、快速充放电、储存寿命长、工作温度范围宽、高可靠性等特点，其特性远远优于蓄电池，而且通过测量超级电容器的端电压，就可以计算出超级电容器储能系统的储能量，可以方便储能系统的能量管理[5]。

3.1 超级电容器的等效模型

由于用活性炭作为电极的双电层超级电容器价格相对便宜，技术也比较成熟，所以应用比较广泛，因此对碳电极双电层超级电容器的等效模型进行分析。目前，超级电容器的等效电路模型主要有经典拜德极化电池模型和Newman 等人提出的传输线两种模型。对于超级电容器储能系统，采用精细的等效电路模型虽然能够提高系统模型精确度，但也会带来模型的复杂化。从功率变换器的设计来说，超级电容器可采用简单的集总电路模型，这样可以大大减化系统设计的复杂性，超级电容器集总电路模型如图3 所示。

图3 超级电容器集总电路模型

超级电容器可等效为一个理想电容器C并联一个阻值较大的等效电阻Rep后串联一个阻值较小的等效电阻Res。由于等效串联内阻很小，因而超级电容器的充放电时间常数很小，可以允许以很大的速率充放电。因此，超级电容器可以在数十秒或数分钟的时间内完成快速充电或放电。

3.2 仿真验证

按照图1 利用电磁暂态仿真软件PSCAD 建立的仿真模型（见图4） 对初选的电容值进行仿真验证。其中500 kV、220 kV 断路器用3 条支路表示；35 kV 断路器用1 条支路表示。为了与实际情况相符，模型中各回路的电缆长度和参数见表1、表2 及表3。采用交流电源经二极管整流后为电容器充电，充电结束后，断开充电回路，然后模拟超级电容器向线圈支路放电，检验其能否满足放电到0.1 s 时各断路器跳闸线圈两端电压维持在额定电压的90%以上。仿真时超级电容器并联电阻取105Ω，串联电阻取0.05 Ω。

3.2.1 回路使用1.5 mm2电缆时紧急跳闸系统断

开变压器高中低压三侧断路器方案

按照图4 的仿真模型对超级电容器放电断开500 kV、220 k 和35 kV 断路器进行仿真。仿真中20 s 之前未接通电容器放电回路，放电电压为0；20 s 时电容器开始对变压器高中低压三侧断路器跳闸线圈放电。仿真结果如图5、图6（高中压侧断路器跳闸线圈电流以单相表示，其余两相结果相同） 所示。

图4 变压器高中低压三侧断路器仿真模型

图5 变压器高中低压三侧断路器跳闸线圈电压

图6 变压器高中低压三侧断路器跳闸线圈电流

由图5 可以看出，变压器高压侧断路器跳闸线圈放电电压由20 s 时的211.1 V 下降到20.1 s时的208.3 V，变压器中压侧断路器跳闸线圈放电电压由20 s 时的203.4 V 下降到20.1 s 时的200.7 V，变压器低压侧断路器跳闸线圈放电电压由20 s 时的217.7 V 下降到20.1 s 时的214.9 V；由图6 可以看出，变压器高压侧断路器跳闸线圈电流由20 s时的1.41 A 下降到20.1 s 的1.39 A，中压侧断路器跳闸线圈电流由20 s 时的0.97 A 下降到20.1 s时的0.96 A，变压器低压侧断路器跳闸线圈电流由20 s 时的0.95 A 下降到20.1 s 时的0.93 A，能够满足变压器三侧断路器的可靠跳闸要求。

3.2.2 回路使用1.5 mm2电缆时紧急跳闸系统断开变压器高中压两侧断路器方案

当变压器低压侧没有电源时，可采用只断开高中压侧断路器的方案。仿真模型中电容值为0.035 F，仅有高中压侧两个断路器跳闸线圈支路（见图7）。仿真结果见图8、图9。

图7 变压器高中压两侧断路器仿真模型

图8 变压器高、中压两侧断路器跳闸线圈电压

图9 变压器高、中压两侧断路器跳闸线圈电流

由图8 可以看出，变压器高压侧断路器跳闸线圈放电电压由20 s 时的218.1 V 下降到20.1 s时的204.8 V，变压器中压侧断路器跳闸线圈放电电压由20 s 时的210.1 V 下降到20.1 s 时的198 V；由图9 可以看出，变压器高压侧断路器跳闸线圈电流由20 s 时的1.45 A 下降到20.1 s 的1.37 A，中压侧断路器跳闸线圈电流由20 s 时的1.0 A 下降到20.1 s 时的0.94 A，能够满足变压器两侧断路器可靠跳闸的要求。

3.2.3 回路使用2.5 mm2电缆时紧急跳闸系统断开

变压器高中低压三侧断路器方案

按照如图10 所示的仿真模型对超级电容器放电断开500 kV、220 kV 和35 kV 断路器进行仿真。仿真中20 s 之前未接通电容器放电回路，放电电压为0；20 s 时电容器对变压器高中低压三侧断路器跳闸线圈放电。仿真结果见图11、图12（高中压侧断路器跳闸线圈电流以单相表示，其余两相结果相同）。

图10 变压器高中低压三侧断路器仿真模型

图11 变压器高、中、低压三侧断路器跳闸线圈电压

图12 变压器高、中、低压三侧断路器跳闸线圈电流

由图11 可以看出，变压器高压侧断路器跳闸线圈放电电压由20 s 时的204.8 V 下降到20.1 s时的203.2 V，变压器中压侧断路器跳闸线圈放电电压由20 s 时的200 V 下降到20.1 s 时的198.3 V，变压器低压侧断路器跳闸线圈放电电压由20 s 时的208.9 V 下降到20.1 s 时的207.2 V；由图12可以看出，变压器高压侧断路器跳闸线圈电流由20 s 时的1.36 A 下降到20.1 s 的1.35 A，中压侧断路器跳闸线圈电流由20 s 时的0.95 A 下降到20.1 s 时的0.94 A，变压器低压侧断路器跳闸线圈电流由20 s 时的0.91 A 下降到20.1 s 的0.9 A，能够满足变压器三侧断路器可靠跳闸的要求。

3.2.4 回路使用2.5 mm2电缆时紧急跳闸系统断开变压器高中压两侧断路器方案

当变压器低压侧没有电源时，可采用只断开高中压侧断路器的方案。仿真模型中电容值为0.035 F，仅有高中压侧两个断路器跳闸线圈支路（见图13）。仿真结果见图14、图15。

图13 变压器高中压两侧断路器仿真模型

图14 变压器高、中两侧断路器跳闸线圈电压

图15 变压器高、中两侧断路器跳闸线圈电流

由图14 可以看出，变压器高压侧断路器跳闸线圈放电电压由20 s 时的209.9 V 下降到20.1 s时的202.9 V，变压器中压侧断路器跳闸线圈放电电压由20 s 时的204.9 V 下降到20.1 s 时的198.1 V；由图15 可以看出，变压器高压侧断路器跳闸线圈电流由20 s 时的1.4 A 下降到20.1 s 的1.35 A，中压侧断路器跳闸线圈电流由20 s 时的0.98 A 下降到20.1 s 时的0.94 A，能够满足变压器两侧断路器可靠跳闸的要求。

4 结论

本文针对变电站直流电源全部消失后断路器的紧急跳闸系统进行了研究分析，提出了一种实用的利用超级电容器放电的变电站直流电源全部消失后断路器的紧急跳闸系统，进行了系统方案中超级电容值下限值的计算和仿真验证，得出如下结论。

a） 提出利用超级电容器、电磁性直流电压继电器及其接点、瓦斯继电器或压力释放阀接点等构成的变电站直流电源全部消失后断路器紧急跳闸系统的方案。它能够在变电站直流电源全部失去时，变压器故障情况下，实现故障的快速隔离，防止事故范围进一步扩大。

b） 提出一种基于变压器三侧断路器跳闸线圈支路最高电压为基准的超级电容下限值的计算方法，实现了变电站直流电源全部消失后断路器紧急跳闸系统中超级电容值的初步计算。在实际应用中，由于单个超级电容器的电压值较低，为满足容量和电压要求使得超级电容器的电容值较大，因此应在断路器跳闸线圈两端电压符合规程基础上，选择初始电压更低的超级电容器。

c） 断路器技术规范规定：当直流电压小于等于30%额定电压时，禁止操作断路器。为此本文提出电磁型直流电压继电器电压值整定范围为0~30%的额定电压。

d） 仿真计算了变电站直流电源全部消失后采用1.5 mm2和2.5 mm2两种电缆时紧急跳闸系统断开变压器的情况，综合电容器初始电压等各种因素，指出系统回路采用2.5 mm2及以上截面积的电缆更实用。

e） 由于断路器一般不超过两个跳闸线圈，如采用本文设计的紧急跳闸回路，会与其他回路有电气连接，因此应尽可能采用断路器的独立跳闸线圈，但这样可能会引起断路器本体的设计问题。