一起220kV线路间隔GIS断路器气室放电故障跳闸事件分析

2022-02-06广东惠州平海发电厂有限公司刘建利廖淼军

电力设备管理 2022年23期

广东惠州平海发电厂有限公司刘建利廖淼军

某220kV变电站在整站投产试运行24小时后，一个220kV线路间隔在母线保护与线路保护范围重叠区域GIS断路器气室发生罐体放电故障，造成220kV线路保护和220kV母差失灵保护动作。本文是在上述故障发生后，结合一次设备解体的实际情况、保护装置报文、故障录波等数据，对保护动作行为进行详细、深入的剖析，对故障时整站继电保护系统之间应当如何配合作出详尽分析。

1 设备配置及故障前运行方式与保护动作情况

某日无人值守某220kV变电站整站建成投产试运行，设备操作过程无异常情况，完成启动后按中调令执行220千伏母线的正常运行方式。在投运已满24小时后各方人员均已撤离，该站巡检中心值班监盘人员收到某220kV 变电站故障信息，立即通知继保、检修人员现场确认。现场220kV母差保护动作切除2M母线上所有运行间隔断路器，原运行在2M母线上的220kV线路乙保护动作且启动远跳，切除对侧220kV乙线断路器。

某220kV变电站220kV系统为双母单分段接线，主接线为4进3出，4回220kV电源进线中220kV线路丙和220kV线路丁双回线同塔架设从500kV B变电站引入，220kV线路甲和220kV线路乙双回线同塔架设从220kV C变电站引入。110kV系统空载充电试运行24小时无异常后除3个变中间隔运行，其余转检修态。10kV馈线F1～F30相应的701～730开关柜及18台电容空载充电试运行24小时无异常后已转检修态，故障前全站负荷为2台站用变。

220kV母线保护均采用长园深瑞公司的BP-2C系列保护双重配置。220kV线路保护均采用北京四方公司保护双重配置，主一保护是CSC-103BN；主二保护是CSC-103BFN、远方信号传输装置采用CSY-102AZ。220kV 1M-2M母联、1M-6M母联、2M-6M分段开关均采用长园深瑞的PRS-723S保护。主变电量保护均采用南京南瑞公司PCS-978NE保护双重配置，非电量及辅助保护采用PCS-974A。故障录波装置采用国电武仪的WY9装置，测控装置及自动化后台监控系统使用国电南自自动化股份有限公司产品。

故障前，全站由220kV C变电站的220kV线路甲、220kV线路乙取电。220kV 1M-2M母联2012开关、1M-6M母联2016开关、2M-6M分段2026开关合位，220kV 1M、2M、6M母线合环运行。220kV线路甲、220kV线路丙（热备用）、#1变高挂220kV 1M母线；220kV线路乙、#2变高挂220kV 2M母线；220kV线路丁（热备用）、#3变高挂6M母线运行（图1）。故障前已完成全站设备空载充电试运行，完成220kV全系统CT带负荷测试、PT相序核对工作，数据正确；相关保护已按继保定值单要求正确无误地投、退。全站各项数据正常、无异常报警信号。

图1 220kV系统运行方式

全站保护、测控、录波均使用同一对时系统。18点32分48秒841毫秒220kV线路乙间隔主一、主二保护均动作。线路保护启动12ms，纵联差动保护分相差动动作跳A相。启动后20ms接地距离Ⅰ段动作跳A相；启动后27ms接地距离Ⅰ段动作跳三相闭重；启动后66ms远跳启动跳开对侧开关；（绝对时间：18:32:48.841）。

18点32分48秒842毫秒220kV母线保护主一、主二均动作，母线保护启动5ms2M母线差动动作跳2M母线上的支路，启动后15ms乙线支路失灵三跳开入变位（0-1），启动后21ms乙线支路失灵A相开入变位（0-1），启动后30ms镜田乙线支路失灵B、C相开入变位（0-1），启动后30ms2M、6M分段常开接点变位（1-0），启动后32ms1M、2M母联常开接点变位（1-0），启动后86ms所有跳闸出口返回（绝对时间：18:32:48.842）。220kV线路配置专用故障录波器。220kV系统保护动作时间持续约86ms后返回。

2 故障情况分析

2.1 220kV母线保护故障分析

对于双母单分段母线接线，长园深瑞BP-2C母差保护装置默认1-2母联的CT极性同1M母线上的支路，1-6M母联的CT极性同6M母线上的支路，2-6分段CT极性同2M母线上的支路。大差判母线故障，小差判故障母线，大差回路是除母联间隔以外的220kV 3段母线上所有其余支路电流所构成的差动回路；某段母线小差回路是与该母线相连接的各支路电流构成的差动回路，其中包括了与该段母线相关联的母联间隔和分段间隔。

用大差作为区内故障判别元件，用小差作为故障母线选择元件，通过大差比率元件是否动作区分母线区外故障与母线区内故障；当大差比率元件动作，通过小差比率元件是否动作判断故障发生在哪一段母线。大差与小差区别：大差比率差动“差电流”与“和电流”计算与刀闸无关；大差比率差动“差电流”与“和电流”计算不计母联电流。

通过提取保护装置故障时电流波形的分析，220kV 1-2M母联、220kV线路甲、220kV线路乙电流波形相位基本一致，从而可以确定大差、小差电流矢量值。此站为新投产，无相关出线，全站负载仅为站内用电，因此主变间隔电流可忽略不计，220kV系统合环运行，可视为同一母线，各母线电压相角一致。

大差电流。大差动作方程式为：Id=|I2+I3+I4+…+In|＞Idset、Id=|I甲+I乙|=6.126A＞1.2A（定值），因此判断母线存在故障。

母线小差。根据BP-2C系列母差保护装置CT极性配置，小差动作方程式：I母小差＝I母所有电流和－1-2M母联电流－1-6M母联电流；Ⅱ母小差＝Ⅱ母所有电流和+1-2M母联电流+2-6M母联电流；I1=|I甲+I1-2+I1-6|=|2.819-2.979-0.322|=0.482＜1.2A（定值），判断1M母线无故障；I2=|I乙+I1-2+I2-6|= |3.307+2.979+0.322|=6.608＞1.2A（定值），判断2M母线设备故障；I6=|I1-2+I1-6|= |0.322-0.322|=0＜1.2A（定值）,可判断6M母线无故障；具体母差组电流走向及大差、小差分析如图2所示。

图2 220kV母线保护动作分析图

因此220kV母线保护动作：保护启动5ms，Ⅱ母线差动动作跳Ⅱ母上的支路，Ⅱ母上支路跳闸出口动作。母线保护启动15ms，线路乙支路失灵三跳开入变位（0-1），此变位是母线保护出口启动线路开关操作箱TJR动作。21ms线路乙支路失灵A相开入变位（0-1），此变位是线路保护纵联差动动作跳A相。30ms线路乙支路失灵B、C相开入变位（0-1），此变位是线路保护的距离保护动作跳ABC三相。

2.2 220kV线路保护故障分析

根据保护装置故障记录数据分析，线路保护与母线保护几乎同一时间保护启动（绝对时间：18:32:48.842）。在线路保护启动12ms后纵联差动保护动作跳A相（选相成功）；在20ms时接地距离Ⅰ段动作，跳A相（选相成功）。线路保护仍是按线路故障逻辑判断故障。保护启动26ms闭锁重合闸开入由0→1，此时需结合母差保护录波数据和故障录波文件分析，“闭锁重合闸开入”变位是由于收到母线保护的跳闸指令（按理论时间计算，母线保护启动5ms，保护跳闸出口至线路乙操作箱启动TJR跳闸。但实际运行时，从母线保护动作-保护出口-线路TJR启动-线路保护逻辑判断动作出口，出口指令传输及继电器启动一系列的时间延时20ms左右是合理范围）。

启动27ms接地距离Ⅰ段动作跳ABC相，同时发三跳闭锁重合闸（因闭锁重合闸开入变位，保护动作逻辑由单跳转为三跳）；启动66ms远方跳闸动作发远跳指令跳对侧开关。

2.3 故障综合分析

为避免存在保护死区，从设计时就考虑各保护区的保护范围是重叠的。针对本次故障分析，母线保护A相电流满足大差、小差动作条件且动作跳闸，则故障点在220kV母线区域；同时220kV线路乙保护A相纵联保护、接地距离Ⅰ段动作，故障点在线路保护的范围内。因此可确定故障点在母差保护与线路主保护的交叉范围内。

根据220kV线路乙CT配置，故障录波器生成分析报告的故障分析结果为正向区内故障，故障时刻电流角度与线路保护一致，与母线保护相差180°。从保护CT配置，综合220kV母线保护录波数据、220kV线路乙保护录波数据、故障录波器故障时的录波数据及后台监控系统信息报文分析，基本可判断故障点在A相断路器气室电流互感器T-4与T-5两绕组间出现接地（图3）。

图3 线路间隔故障点分析

3 事故处理情况与总结

全站设备由运行转检修后，各专业对220kV系统设备全面检查，结合抽取220kV线路乙间隔各气室进行化验分析，A相开关气室的微水值明显比B、C相的大，且线路侧电流互感器的A相气室的分解物中有SF6气体发生故障放电后才产生的分解物SO2、H2S。在后期对断路器进行解体分析发现A相罐体内有大量放电产生的粉尘，还有静触头表面与罐体表面间发生短路击穿后熏黑现象，并附着放电后生成物。

事实印证了上述继保专业初步分析结果完全准确。本故障的最终原因是由于机构传动气室内的轴销强度达不到设计要求，磨损产生金属粉末导致断路器跳闸，而未严格按照工序生产是轴销质量不合格的直接原因。

根据《南方电网220kV母线保护技术规范》要求“保护整组动作时间（含出口继电器时间）：差流大于等于2倍整定值时不大于25ms；差流大于1.2倍整定值时应不大于30ms”。此次故障从保护启动到保护动作开始，到保护装置1-2M母联和2-6M母联开关位置变位时间相差26ms，线路乙开关位置变位时间28ms（结合录波采样时间）。220kV母线保护装置可靠动作的。

根据《南方电网220kV线路保护技术规范》要求“纵联保护整组动作时间≤30ms；相间距离I段（0.7倍整定值）≤30ms；接地距离I段（0.7倍整定值）≤30ms”。此次故障从保护启动后12ms纵联差动保护动作，在20ms时接地距离Ⅰ段动作，线路乙开关位置变位时间28ms（结合录波采样时间）。220kV线路保护装置可靠动作的。