保护采样及二次回路故障造成误动事故分析和对策

　　[摘要]继电保护装置应灵敏和可靠地反应电力系统中各种电气设备的故障及不正常工作状态，并有选择性使相关断路器快速跳闸，从而起着电网安全卫士的重大作用。然而，当保护装置的采样回路和二次回路发生故障时，往往容易导致电网或设备事故的发生。本文针对上述单点故障不得引起保护误动的问题进行了较为深入的分析和探讨。
　　[关键词]保护，采样，误动，分析，二次回路，策略
　　
　　一、保护采样故障造成误动事故分析及对策
　　保护装置的采样回路十分重要，大多厂家都采用启动元件和测量元件不同的硬件设计方式。而在实际应用中，由于产品设计缺陷和偶然存在的公用回路故障，使保护装置的防误工作形势依然严峻。
　　1、母差采样异常、装置硬件设计上缺少电压闭锁元件造成误动
　　进行某500kV母差保护BP-2B误动事故分析时，发现某间隔的B相通道A/D转换插件存在故障，造成交流电流采样异常，有较大幅值电流出现。该保护硬件设计中直接采用220kV母差保护硬件防误方式，即采用“差动元件+母线电压闭锁”出口方式；由于500kV母线保护不设电压闭锁，从而造成单A/D故障时保护误动。
　　因此，针对500kV母差保护无有效电压闭锁的情况，可考虑采取增加电压闭锁判据和模块的防误对策。实现方法一：直接装设母线电压互感器。随着500kV系统主网架的形成和多组合主接线的出现，设备检修范围增大，母线保护误切负荷的风险直线上升，系统安全性尤为重要，增设母线TV可提上议程。实现方法二：母线电压取自两路线路或变压器的CVT；运用微机保护的高精度快速运算功能，结合一个半断路器刀闸位置控制和相电流判别元件来实现。当其中一回线路停运时可利用屏上的电压切换开关切换到另一回上工作，若两路引用电压均处于检修或停用状态则暂时开放电压闭锁。这样可提高母差保护逻辑的灵活度和可靠性。
　　2、硬件设计采用公用A/D转换器造成的保护误动
　　（1）某站220kV线路开关跳闸，602快速距离保护误动。分析结果为A/D模件-15V电源的滤波电容击穿短路，在该电容短路发展过程中，-15V电压反复降低后又恢复，引起A/D转换结果的无规则变化，造成快速距离保护动作。事故中的PSL600系列保护采用3块CPU模件，CPU1、2、3模件分别完成纵联高频、距离及零序、重合闸功能，各启动元件采用“3取2”方式开放保护出口，有效地实现了单个CPU硬件损坏时可靠闭锁装置。但其在硬件设计中采用单个A/D转换器，通过串行方式将数据送至各CPU；当该A/D转换器故障或其电容电阻元件损坏时，上述技术手段无法确保装置不误动。
　　（2）某变电站220kV主变保护PST1200因采样回路异常造成保护误动跳闸。为防止A/D损坏误动，其在硬件设计上要求保护动作后须经启动回路才能出口跳闸，但当差动保护与后备保护采取相同A/D通道或双差动保护同机箱时，无法避免引类风险。
　　可见，公用A/D元件隐患严重，保护装置应采用独立的A/D转换器作为出口继电器正电源的开放元件。
　　3、由于采样公用回路故障造成的保护误动
　　某变电站220kV主变保护RCS-978因采样回路运算放大器异常且装置没有自检闭锁，造成保护误跳闸。该系列变压器保护在防止采样出错方面已采取了以下措施。
　　（1）硬件措施：采用了“启动+跳闸”出口方式，两者分别由管理板和CPU板完成，相互间完全独立。
　　（2）软件措施：在保护的启动算法中，使用了幅值算法和瞬时值算法相结合的方式，只有在幅值启动条件和多点瞬时值启动条件同时满足的情况下才会进入故障处理程序。
　　上述结合方式构成了较完善的防误方法，成功防止了现场运行过程中多次采样故障可能导致的误动事故。但是，由于装置中只有一个小TA进行电流变换，对于任何双CPU系统，每一组模拟量在分别进入CPU系统和MON系统之前都存在公共环节。
　　此次出现损坏的器件是CPU板上的OP497运算放大器，其损坏的形式极为特殊，它不仅在输出管脚上出现了很大的直流偏置及高频电压分量，在输入管脚上也出现了很大的直流偏置信号。输入管脚上的偏置信号通过公共回路对MON板的模拟量输入端有一定的影响，导致CPU板和MON板采样同时出现异常，反应到DSP就是很大的短路电流，导致了保护误动。
　　4、采样回路故障的防误策略
　　在保护硬件系统的设计阶段，首先要进行产品需求分析以确定产品规格和要素，如运行环境、可靠性与可用性要求、防护和EMC等；进行可靠性指标论证，确定产品最佳设计方案。对于采样公用回路，必须加强元器件筛选，杜绝使用失效器件，提升产品可靠性；同时开展元器件质量可靠性认证，并对测试、验证、生产和市场上的失效器件进行系统分类和根源分析，提高产品质量。
　　当器件或者单板可靠性无法满足要求时增加冗余技术，如在装置硬件设计上采用启动元件和测量元件严格分开的策略。
　　
　　二、二次回路单点故障造成保护误动分析及对策
　　在二次回路设计中必须考虑到回路单点故障带来的风险，避免出现单点故障引致多台设备同时跳闸的恶劣后果。
　　1、变压器间隙零压保护误动事故分析
　　某站进行母线TV二次回路交直流混缆改造，误将TV二次中性线N600从屏上解开，造成2台主变间隙零压保护误跳闸。其间隙零压取自公用的1台母线TV开口三角。当母线TV二次接地点断开时，由于受TV一、二次线圈耦合电容作用、二次电缆过长及对地电容较大等因素影响，间隙零压继电器两端产生高电压，实际模拟有效值达182V(大于定值180V)，最终导致保护误动。
　　对此，可采取各变压器配置独立TV的措施以防误动。
　　2、反时限过激磁保护误动事故分析
　　某500kV主变保护RCS-978A的过激磁保护误动跳开三侧开关。其原因是N600老旧端子排松动造成N点电压偏移，A屏保护高压侧C相电压幅值高达114V左右，达到198倍的过激磁倍数，按整定值应在3s内跳闸；B相电压也升高到了87V，A相电压幅值为31V，零序电压更是高达181V，A屏保护相间电压基本正常。
　　为避免TV二次电压回路中性点飘移等引起部分相电压异常升高导致过激磁保护误动，要求500kV主变过激磁保护计算采取扣除零序电压后的相电压幅值、TV断线后采取最小相电压幅值。
　　3、开入回路单点故障造成保护误动分析
　　保护装置本体单点故障可以通过装置自检发现并发信告警，但出口继电器和二次电缆的故障必须通过年检才能发现。运行经验表明，保护开入环节容易出现单点损坏情况，必须采取应对措施。
　　（1）母差保护的装置电源和刀闸开入电源故障导致误动
　　早期母差保护只配置一个电源，装置和开入回路共用同一电源。其开入回路经由现场设备区的开关机构和刀闸机构引入，运行工况恶劣，经常造成直流接地、短路或电源模块损坏。此时母线若发生故障，保护将拒绝动作。解决措施是将装置电源和开入电源独立配置，同时要求保护在开入电源丢失后要记忆原状态；有条件时可实现保护的双重化配置。
　　220kV某线路刀闸的控制电缆自天桥上脱落，掉落于正下方的C相刀闸靠母线处，造成母线对地短路，该段母线差动保护动作。事故时，短路电流通过刀闸开入回路进入母差装置，造成母差开入电源丢失，但装置电源独立且具备开入状态记忆功能，保护依然正确动作。
　　（2）非电量保护开入回路故障导致不正确动作
　　变压器非电量保护的开入回路运行环境同样恶劣，本体上的继电器经常受潮继而影响直流电源故障，以前在装置电源和开入电源共用时也发生过拒动事故；若开入回路受潮短路则可能导致误跳闸事故。因此，两电源也宜独立配置，瓦斯继电器应增加防雨罩并注意巡查维护，以提高非电量保护的工作可靠性。
　　
　　三、TV二次回路失压引发保护误动或异常
　　1、直流系统故障伴随电压切换回路故障事故分析
　　220kV某变遭雷击发生近区短路，其站用电源低压侧脱扣失电。由于该站蓄电池组的容量不足，结果造成#1直流系统失压，其属下的220kV母线电压切换继电器电源消失而返回，最终造成两回220kV线路保护失去电压闭锁、区外故障时距离保护误动。
　　为此，要加强二次设备防雷工作，在条件许可时实现直流系统双重化配置。
　　2、TV反充电引发整段母线保护失压
　　某站启动时220kVII母线需由运行转检修，倒闸断开220kV母联2012开关时，220kVI母线TV二次空开同时跳闸，两段母线所挂保护全部失压。经检查，发现#1主变变高22011刀闸的辅助常闭接点接线松动，造成电压切换继电器同时动作，母联2012开关断开时运行母线TV对停运母线反充电造成电压空开跳闸。
　　因此，保护用电压切换继电器必须采用磁保持或双位置型，以防直流失电时误返回。TV并列二次回路中，控制电压切换和发出母线并列信号的接点宜由同一个继电器控制，如图1中的1YQJ5、2YQJ5。监控后台应接有母线电压并列、切换继电器同时动作等信号。母线停电和送电前，要检查是否存在母线TV并列或切换继同时动作信号，若出现则要暂停操作，安排检修人员检查处理。
　　
　　图1电压切换回路示意图
　　
　　四、结束语
　　通过文中大量案例分析可知，保护装置必须采取启动元件和测量元件分开的硬件设计方案，各变压器宜配置独立TV以实现间隙零压保护。母差保护、非电量保护的装置电源和开入电源宜相互独立；同时应加强开入回路和TV切换回路的维护；注意检查母差保护的电压告警和差流平衡情况，确保装置可靠工作。
　　要从源头上杜绝元器件损坏引起的保护不正确动作事故，必须提高保护装置元器件质量，加强出厂调试和现场验收。重视装置硬件、软件、逻辑及二次回路的设计、更新和反措管理，必要时增加一次设备配置或进行升级改造，不断探讨保护新原理，确保电网安全。
　　
　　参考文献：
　　[1]国家电力调度通信中心，电力系统继电保护实用技术问答（第二版），北京：中国电力出版社，1999.11。
　　[2]继电保护和安全自动装置技术规程.GB/T14285-2006

《保护采样及二次回路故障造成误动事故分析和对策》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 保护采样及二次回路故障造成误动事故分析和对策

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-15615