一起220kV線路間隔GIS斷路器氣室放電故障跳閘事件分析

廣東惠州平海發電廠有限公司 劉建利 廖淼軍

某220kV變電站在整站投產試運行24小時后，一個220kV線路間隔在母線保護與線路保護范圍重疊區域GIS斷路器氣室發生罐體放電故障，造成220kV線路保護和220kV母差失靈保護動作。本文是在上述故障發生后，結合一次設備解體的實際情況、保護裝置報文、故障錄波等數據，對保護動作行為進行詳細、深入的剖析，對故障時整站繼電保護系統之間應當如何配合作出詳盡分析。

1 設備配置及故障前運行方式與保護動作情況

某日無人值守某220kV變電站整站建成投產試運行，設備操作過程無異常情況，完成啟動后按中調令執行220千伏母線的正常運行方式。在投運已滿24小時后各方人員均已撤離，該站巡檢中心值班監盤人員收到某220kV 變電站故障信息，立即通知繼保、檢修人員現場確認?，F場220kV母差保護動作切除2M母線上所有運行間隔斷路器，原運行在2M母線上的220kV線路乙保護動作且啟動遠跳，切除對側220kV乙線斷路器。

某220kV變電站220kV系統為雙母單分段接線，主接線為4進3出，4回220kV電源進線中220kV線路丙和220kV線路丁雙回線同塔架設從500kV B變電站引入，220kV線路甲和220kV線路乙雙回線同塔架設從220kV C變電站引入。110kV系統空載充電試運行24小時無異常后除3個變中間隔運行，其余轉檢修態。10kV饋線F1～F30相應的701～730開關柜及18臺電容空載充電試運行24小時無異常后已轉檢修態，故障前全站負荷為2臺站用變。

220kV母線保護均采用長園深瑞公司的BP-2C系列保護雙重配置。220kV線路保護均采用北京四方公司保護雙重配置，主一保護是CSC-103BN；主二保護是CSC-103BFN、遠方信號傳輸裝置采用CSY-102AZ。220kV 1M-2M母聯、1M-6M母聯、2M-6M分段開關均采用長園深瑞的PRS-723S保護。主變電量保護均采用南京南瑞公司PCS-978NE保護雙重配置，非電量及輔助保護采用PCS-974A。故障錄波裝置采用國電武儀的WY9裝置，測控裝置及自動化后臺監控系統使用國電南自自動化股份有限公司產品。

故障前，全站由220kV C變電站的220kV線路甲、220kV線路乙取電。220kV 1M-2M母聯2012開關、1M-6M母聯2016開關、2M-6M分段2026開關合位，220kV 1M、2M、6M母線合環運行。220kV線路甲、220kV線路丙（熱備用）、#1變高掛220kV 1M母線；220kV線路乙、#2變高掛220kV 2M母線；220kV線路?。醾溆茫?、#3變高掛6M母線運行（圖1）。故障前已完成全站設備空載充電試運行，完成220kV全系統CT帶負荷測試、PT相序核對工作，數據正確；相關保護已按繼保定值單要求正確無誤地投、退。全站各項數據正常、無異常報警信號。

圖1 220kV系統運行方式

全站保護、測控、錄波均使用同一對時系統。18點32分48秒841毫秒220kV線路乙間隔主一、主二保護均動作。線路保護啟動12ms，縱聯差動保護分相差動動作跳A相。啟動后20ms接地距離Ⅰ段動作跳A相；啟動后27ms接地距離Ⅰ段動作跳三相閉重；啟動后66ms遠跳啟動跳開對側開關；（絕對時間：18:32:48.841）。

18點32分48秒842毫秒220kV母線保護主一、主二均動作，母線保護啟動5ms2M母線差動動作跳2M母線上的支路，啟動后15ms乙線支路失靈三跳開入變位（0-1），啟動后21ms乙線支路失靈A相開入變位（0-1），啟動后30ms鏡田乙線支路失靈B、C相開入變位（0-1），啟動后30ms2M、6M分段常開接點變位（1-0），啟動后32ms1M、2M母聯常開接點變位（1-0），啟動后86ms所有跳閘出口返回（絕對時間：18:32:48.842）。220kV線路配置專用故障錄波器。220kV系統保護動作時間持續約86ms后返回。

2 故障情況分析

2.1 220kV母線保護故障分析

對于雙母單分段母線接線，長園深瑞BP-2C母差保護裝置默認1-2母聯的CT極性同1M母線上的支路，1-6M母聯的CT極性同6M母線上的支路，2-6分段CT極性同2M母線上的支路。大差判母線故障，小差判故障母線，大差回路是除母聯間隔以外的220kV 3段母線上所有其余支路電流所構成的差動回路；某段母線小差回路是與該母線相連接的各支路電流構成的差動回路，其中包括了與該段母線相關聯的母聯間隔和分段間隔。

用大差作為區內故障判別元件，用小差作為故障母線選擇元件，通過大差比率元件是否動作區分母線區外故障與母線區內故障；當大差比率元件動作，通過小差比率元件是否動作判斷故障發生在哪一段母線。大差與小差區別：大差比率差動“差電流”與“和電流”計算與刀閘無關；大差比率差動“差電流”與“和電流”計算不計母聯電流。

通過提取保護裝置故障時電流波形的分析，220kV 1-2M母聯、220kV線路甲、220kV線路乙電流波形相位基本一致，從而可以確定大差、小差電流矢量值。此站為新投產，無相關出線，全站負載僅為站內用電，因此主變間隔電流可忽略不計，220kV系統合環運行，可視為同一母線，各母線電壓相角一致。

大差電流。大差動作方程式為：Id=|I2+I3+I4+…+In|＞Idset、Id=|I甲+I乙|=6.126A＞1.2A（定值），因此判斷母線存在故障。

母線小差。根據BP-2C系列母差保護裝置CT極性配置，小差動作方程式：I母小差＝I母所有電流和－1-2M母聯電流－1-6M母聯電流；Ⅱ母小差＝Ⅱ母所有電流和+1-2M母聯電流+2-6M母聯電流；I1=|I甲+I1-2+I1-6|=|2.819-2.979-0.322|=0.482＜1.2A（定值），判斷1M母線無故障；I2=|I乙+I1-2+I2-6|= |3.307+2.979+0.322|=6.608＞1.2A（定值），判斷2M母線設備故障；I6=|I1-2+I1-6|= |0.322-0.322|=0＜1.2A（定值）,可判斷6M母線無故障；具體母差組電流走向及大差、小差分析如圖2所示。

圖2 220kV母線保護動作分析圖

因此220kV母線保護動作：保護啟動5ms，Ⅱ母線差動動作跳Ⅱ母上的支路，Ⅱ母上支路跳閘出口動作。母線保護啟動15ms，線路乙支路失靈三跳開入變位（0-1），此變位是母線保護出口啟動線路開關操作箱TJR動作。21ms線路乙支路失靈A相開入變位（0-1），此變位是線路保護縱聯差動動作跳A相。30ms線路乙支路失靈B、C相開入變位（0-1），此變位是線路保護的距離保護動作跳ABC三相。

2.2 220kV線路保護故障分析

根據保護裝置故障記錄數據分析，線路保護與母線保護幾乎同一時間保護啟動（絕對時間：18:32:48.842）。在線路保護啟動12ms后縱聯差動保護動作跳A相（選相成功）；在20ms時接地距離Ⅰ段動作，跳A相（選相成功）。線路保護仍是按線路故障邏輯判斷故障。保護啟動26ms閉鎖重合閘開入由0→1，此時需結合母差保護錄波數據和故障錄波文件分析，“閉鎖重合閘開入”變位是由于收到母線保護的跳閘指令（按理論時間計算，母線保護啟動5ms，保護跳閘出口至線路乙操作箱啟動TJR跳閘。但實際運行時，從母線保護動作-保護出口-線路TJR啟動-線路保護邏輯判斷動作出口，出口指令傳輸及繼電器啟動一系列的時間延時20ms左右是合理范圍）。

啟動27ms接地距離Ⅰ段動作跳ABC相，同時發三跳閉鎖重合閘（因閉鎖重合閘開入變位，保護動作邏輯由單跳轉為三跳）；啟動66ms遠方跳閘動作發遠跳指令跳對側開關。

2.3 故障綜合分析

為避免存在保護死區，從設計時就考慮各保護區的保護范圍是重疊的。針對本次故障分析，母線保護A相電流滿足大差、小差動作條件且動作跳閘，則故障點在220kV母線區域；同時220kV線路乙保護A相縱聯保護、接地距離Ⅰ段動作，故障點在線路保護的范圍內。因此可確定故障點在母差保護與線路主保護的交叉范圍內。

根據220kV線路乙CT配置，故障錄波器生成分析報告的故障分析結果為正向區內故障，故障時刻電流角度與線路保護一致，與母線保護相差180°。從保護CT配置，綜合220kV母線保護錄波數據、220kV線路乙保護錄波數據、故障錄波器故障時的錄波數據及后臺監控系統信息報文分析，基本可判斷故障點在A相斷路器氣室電流互感器T-4與T-5兩繞組間出現接地（圖3）。

圖3 線路間隔故障點分析

3 事故處理情況與總結

全站設備由運行轉檢修后，各專業對220kV系統設備全面檢查，結合抽取220kV線路乙間隔各氣室進行化驗分析，A相開關氣室的微水值明顯比B、C相的大，且線路側電流互感器的A相氣室的分解物中有SF6氣體發生故障放電后才產生的分解物SO2、H2S。在后期對斷路器進行解體分析發現A相罐體內有大量放電產生的粉塵，還有靜觸頭表面與罐體表面間發生短路擊穿后熏黑現象，并附著放電后生成物。

事實印證了上述繼保專業初步分析結果完全準確。本故障的最終原因是由于機構傳動氣室內的軸銷強度達不到設計要求，磨損產生金屬粉末導致斷路器跳閘，而未嚴格按照工序生產是軸銷質量不合格的直接原因。

根據《南方電網220kV母線保護技術規范》要求“保護整組動作時間（含出口繼電器時間）：差流大于等于2倍整定值時不大于25ms；差流大于1.2倍整定值時應不大于30ms”。此次故障從保護啟動到保護動作開始，到保護裝置1-2M母聯和2-6M母聯開關位置變位時間相差26ms，線路乙開關位置變位時間28ms（結合錄波采樣時間）。220kV母線保護裝置可靠動作的。

根據《南方電網220kV線路保護技術規范》要求“縱聯保護整組動作時間≤30ms；相間距離I段（0.7倍整定值）≤30ms；接地距離I段（0.7倍整定值）≤30ms”。此次故障從保護啟動后12ms縱聯差動保護動作，在20ms時接地距離Ⅰ段動作，線路乙開關位置變位時間28ms（結合錄波采樣時間）。220kV線路保護裝置可靠動作的。

4 結語

電力系統的運行方式是靈活的而要應對的故障類型是隨機的，導致故障的原因是多樣且復雜的，充分證明保護動作的正確性和保護配置的完善。故障點在母線保護和線路保護的保護范圍重疊區域的故障極其罕見，通過對各個保護動作過程及其配合的剖析，也對保護原理、保護整定、保護配置有了更深理解。