一起蓄电池故障导致保护动作越级事故的分析

陈宇　孔圣立

摘 要：某110 kV变电站10 kV线路出现故障，因蓄电池组未能承受线路重合闸正常冲击电流，导致蓄电池组开路，站用直流电源失去，本站继电保护装置拒动，最后经上一级线路保护动作切除故障，事故范围扩大。本文通过事故调查得出站用直流电源失去的原因，并提出改进措施，以有效提高站用直流电源系统的可靠性，保障变电站运行安全。

关键词：蓄电池;保护拒动;站用直流电源

中图分类号：TM911文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）13-0122-05

The Analysis of an Incident That Relaying Protection

Acts Incorrectly Because of Batteries Failures

CHEN Yu KONG Shengli

（State Grid Henan Electric Power Company Research Institute，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In a 110 kV substation， the 10 kV line was in fault. Because the battery group failed to bear the normal impact current of line reclosing， the battery group was open， the DC power supply of the station was lost， and the relay protection device of the station refused to operate. Finally， the fault was removed by the action of the upper level line protection， and the scope of the accident was expanded. In this paper， the cause of loss of DC power supply in substation was found out through accident investigation， and improvement measures were put forward to effectively improve the reliability of DC power supply system in substation and ensure the operation safety of substation.

Keywords： batteries;relay protection failure action;DC power of substation

变电站直流电源系统由充电装置和蓄电池两部分组成，充电装置与蓄电池并联，为继电保护、自动装置、断路器跳合闸机构等负荷进行供电[1-2]。当突发交流失电时，充电装置不能输出直流电源，蓄电池作为唯一的直流电源对直流负荷进行供电，若紧急情况下蓄电池失效，将可能导致变电站二次设备拒动[3]。因此，直流电源系统能否为继电保护装置、测控装置等二次系统的正常运行提供动力，直接影响整个变电站的运行安全[4-6]。本文以某变电站全站失压事故为例，分析问题根源所在，提出改进措施，以保障电网的安全稳定运行。

1 事故概况

1.1 事故前運行方式

1.1.1 事故变电气主接线。110 kV甲乙线带甲110 kV I母、甲#1主变运行，110 kV甲丙线带甲110 kV II母、甲#2主变运行，110 kV甲变电站（事故变）10 kV出线配置CD10-I电磁型操作机构（额定合闸电流99 A）。事故变电气主接线如图1所示。

1.1.2 站用变运行方式。甲#1站用变运行于甲10 kV I母，甲#2站用变高压侧T接于10 kV甲III线。甲10 kV母线为单母分段接线方式，两段母线联络运行。甲#1站用变带全站交流负荷，甲#2站用变热备用状态（低压侧断开），事故前全站所用电为甲#1站用变供电。

1.1.3 低压交流系统运行方式。甲#1站用变（401合位）带全站交流负荷，甲#1站用变经直流充电装置给直流负荷供电，并对蓄电池组进行浮充;甲#2站用变热备用状态（402分位），低压交流母线并列运行（400合位），系统未配置低压侧自投装置。

1.1.4 直流电源系统运行方式。采用单充单蓄方式（一套充电机、一组蓄电池）。直流母线单母分段，正常联络运行。站内配置108节阀控型铅酸蓄电池，单节电池电压2.15 V左右，容量200 Ah，运行4年。蓄电池组是站用直流的备用电源，同时也是10 kV电磁型操作机构的合闸电源。事故变交直流系统如图2所示。

1.2 事故过程

2019年10月14日15：01：44，10 kV甲I线距站内约2.5 km处电缆发生三相短路故障。故障发生后，甲10 kV I母电压快速降至额定电压的60%，因交流系统未配置自投装置，甲#2站用变未及时投入，站内低压交流母线电压随之跌落，造成直流充电装置欠压闭锁输出，蓄电池组带全站直流负荷运行。

10 kV甲I线限时速断保护出口跳闸后，1.6 s后重合。因蓄电池组存在异常，在重合闸电流冲击下蓄电池断格，站内直流电源系统失电。10 kV甲I线路第二基杆塔上弓子线经受大电流发生熔断，跌落至同杆下方的10 kV甲II线导线上，造成10 kV甲II线三相短路。因事故变站用直流电源系统失去，事故变保护拒动，10 kV甲I线、甲II线故障一直无法切除，最后经上一级线路保护动作切除故障。

2 事故分析

事故发生前，2019年4月16日，运维单位在110 kV甲变电站开展蓄电池组核对性充放电试验工作时，发现2#、7#、13#共3只蓄电池容量不足，并予以更换。

事故发生后，检查发现控制室内所有二次设备处于掉电状态，充电屏交流进线熔断器、充电模块输入空开、蓄电池组出口熔断器、直流屏各馈电空开等位置正常。蓄电池组整体电压为0，测量发现有2只蓄电池电压异常，判断为蓄电池断格。10 kV甲I线路出线距站内约2.5 km处电缆破损严重，发生三相短路故障，符合相关保护动作报文。

10 kV甲I线三相短路故障，造成低压交流母线电压降低至60%以下，直流充电装置欠压闭锁输出;同时，事故变未配置备自投装置，全站直流负荷由蓄电池组供电。故障后10 kV甲I线重合闸动作，由于10 kV出线开关为电磁机构，合闸瞬间输出电流达99 A。因蓄电池组内阻远小于直流充电装置内阻，按照电源并联供电原理，绝大部分电流流经蓄电池组，大电流冲击导致蓄电池组两节电池断格开路，无法正常输出，全站直流失去，事故变保护拒动。后经110 kV甲、乙线和110 kV甲、丙线后备保护动作跳闸予以切除故障，事故变全站失压。

10 kV甲I线三相短路故障，是造成本次事故的起因。事故变站用交流低压母线运行方式不合理，未分列运行，低压系统无自动切换功能，甲#2站用变未及时投入，导致直流充电装置闭锁输出，是造成本次事件扩大的直接原因。事故变直流蓄电池质量差，线路故障开关重合闸动作后，蓄电池断格开路，导致全站保护及控制回路失去直流电源，是造成本次事件扩大的根本原因。

3 蓄电池解体测试分析

事故发生后，组织开展对事故变无故障电池、4月16日检测容量不足蓄电池、10月14日故障断格蓄电池和两家蓄电池厂提供的两只新电池（样品）的解体分析，解体分析情况如下。

3.1 解体前外观及测试情况

蓄电池解体前外观及测试情况汇总如表1所示。

从表1可知，故障电池1、2均发生形变;容量不足电池和故障电池1、2内阻>3.1 Ω，其中故障电池1、2可以测得开路电压（分别为2.078 V和1.653 V），容量不足电池开路电压为0 V。

3.2 解体检查情况

现场进行蓄电池组件测量、金属材质检测、断口观察等，相关情况汇总如表2所示。

故障电池负极汇流排均烧熔并可见腐蚀灰渣，负极极耳均有腐蚀脱落现象（见图3）。事故变蓄电池正极板厚度较样品电池薄1 mm，最薄的负极板较样品电池平均厚度薄0.3 mm，仅仅达到国标下限。

用显微镜对断裂的耳板进行观察，断口上覆盖致密硫酸铅层，断口呈腐蚀断裂特征，汇流排上覆盖硫酸铅，断口上有腐蚀减薄和烧熔现象。

3.3 解体分析结论

事故变蓄电池运行不足4年就有3只电池容量不足;2只电池未能承受10月14日10 kV甲I线正常重合闸电流，蓄电池断格开路导致站用直流电源失去;正负极板厚度较薄，仅达到国标下限，事故变蓄电池产品质量不良。

4 改进措施及建议

国网公司110 kV变电站典型设计为单充单蓄配置，仅重要变电站设计为双充双蓄配置[7]，直流电源系统双重化配置占比不高。若交流电源备自投不能正常投入，同时因蓄电池质量不良导致备用直流电源失去，将导致站内继电保护及自动装置不能正常切除故障，扩大事故范围。为解决类似问题，建议采取以下措施。

4.1 加强蓄电池质量管控

4.1.1 严把设备入网关。针对站用蓄电池产品质量差，且部分厂家存在设备停产、现场服务不及时等情况，特别是近年来多次发生运行时间短的蓄电池组容量不足或断格情况，研究蓄电池设备招标模式，在物资采购阶段结合供应商评价建立蓄电池“白名单”准入制度，从而选用产品质量高、服务好的主流设备厂家。

4.1.2 开展基建和技改工程蓄电池强制抽检。建设蓄电池电气性能检测平台，对直流设备产品质量进行评价，开展蓄电池性能专项技术监督，抽取样品开展性能一致性试验、大电流放充电循环寿命试验及拆解检查等，及时剔除产品不良供应商，明确蓄电池使用寿命，实行全寿命周期厂家负责制。

4.2 提高蓄电池运行维护水平

长期浮充方式运行的蓄电池，极板表面将逐渐产生硫酸铅结晶体，堵塞极板的微孔，阻碍电解液的渗透，从而增大蓄电池的内电阻，降低极板中活性物质的作用，蓄电池容量大为降低。核对性放电，可以使蓄电池得到活化，恢复蓄电池容量，及时查找蓄电池存在的问题，延长使用寿命[8-9]。因此，需要加强蓄电池定期充放电和日常维护。

4.2.1 按时对蓄电池进行核对性放电试验。對于新安装的阀控蓄电池组，应进行全核对性发电试验，以后每2年进行一次核对性放电试验;对于运行4年以上的阀控蓄电池，应每年做一次核对性放电试验。严格按照反措、规程规定的周期和试验方法开展蓄电池组放电试验，及时对不合格蓄的电池进行改造和大修。

4.2.2 控制好蓄电池运行环境温度。合适的环境温度不仅能有效延长蓄电池的工作寿命，还能较好地将蓄电池的容量控制在最佳范围。蓄电池运行环境温度控制在15～30 ℃，最佳运行环境温度为25 ℃，当环境温度高于25 ℃时，温度每升高10 ℃，电池寿命缩短1/2。运维人员应加强对蓄电池组运行环境温度的关注，检查蓄电池室空调运行情况，以保持25 ℃运行环境温度。

4.3 加强交流电源系统管理

4.3.1 合理调整变电站低压交流运行方式。事故变10 kV甲III线运行，甲#1站用变、甲#2站用变正常投入运行（401、402合位），低压交流母线分列运行（400分位），低压侧配置自投装置，两路交流输入互为备用，提高站用低压交流输入可靠性。

4.3.2 整改10 kV电磁型机构。事故站配置CD10-1型电磁型机构，开关合闸时会造成较大的冲击电流，易对蓄电池正常运行产生不良影响。10 kV电磁型机构应列入重点技改项目，逐步改造为弹簧机构，由交流电机对弹簧机构储能，不依赖于蓄电池。合闸母线不再受到合闸冲击电流的影响，蓄电池组工作环境改善，提高运行寿命。

4.3.3 加快站用交流系统改造。对不具备电动操作功能的开关机构、充电装置不具备两路交流输入切换、站用变未配置备自投功能等问题，列入技改项目进行改造。

4.4 推进直流电源系统双重化改造

对于新投运110 kV变电站，在设计阶段可考虑直流电源系统冗余配置，采用两套充电装置、两组蓄电池运行方式;对于已投运110 kV变电站，不符合直流电源系统冗余配置的变电站，可考虑通过技改、扩建等方式，增配一套充电装置和一组蓄电池，提高直流电源系统运行可靠性。

5 结语

变电站直流电源系统的安全，是站内二次设备能否正常运行的关键。蓄电池组是直流电源系统的核心，其性能质量影响整个变电站的安全稳定运行。本文通过对某110 kV变电站全站失压、保护越级动作事故进行分析，并结合蓄电池解体测试，剖析事故原因，提出四方面改进措施来避免此类事故的发生：一是加强蓄电池质量管控;二是提高蓄电池运行维护水平;三是加强交流电源系统管理;四是推进直流电源系统双重化改造。实践证明，这四种改进措施能有效提高直流电源系统运行的可靠性，保障变电站安全稳定运行。

参考文献：

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[2]滕明星，胡敏，蘇盛.基于蓄电池状态检修的站用电源系统可靠性研究[J].电测与仪表，2019（11）：26-31.

[3]戴光武，谢华，徐晓春，等.基于区域电网信息的变电站二次直流失电保护系统[J].电力系统保护与控制，2016（6）：117-121.

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[5]黄森炯，王晓，王晴.一起因蓄电池故障造成继电保护越级跳闸事故的分析[J].电力系统及其自动化，2012（6）：39-41.

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[8]中华人民共和国国家经济贸易委员会.电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程：DL/T 724—2000[S].北京：中国电力出版社，2001.

[9]首珩，魏丽君.蓄电池充放电检测控制系统的研究与设计[J].电源技术，2018（6）：886-888.

收稿日期：2020-04-08

作者简介：陈宇（1988—），男，硕士，工程师，研究方向：变电站继电保护及站用直流电源。