引言

隨著城市的發(fā)展與電氣設(shè)備技術(shù)的更新迭代,越來越多的城市變電站采用GIS(Gas1nsulatedswitchgear)設(shè)備作為建站方案。相比于傳統(tǒng)的敞開式變電站,GIS變電站設(shè)備布局更緊湊,占地面積更小,抗災(zāi)能力更強(qiáng),設(shè)備故障率更低。然而,由于GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一旦發(fā)生故障其影響范圍更大,故障排查難度也更高,因而對設(shè)備運(yùn)維人員的技術(shù)技能水平提出了更高的要求。

本文重點(diǎn)研究了某220kVGIS變電站發(fā)生的一起設(shè)備故障事件經(jīng)過,分析了設(shè)備故障的排查過程與故障表象背后的原因,最后針對該類故障提出了GIS設(shè)備運(yùn)維策略的改進(jìn)方案。

1事件經(jīng)過

如圖1所示,某220kVGIS變電站采用雙母線接線方式,站內(nèi)共有2個(gè)主變間隔、4個(gè)線路間隔、1個(gè)母聯(lián)開關(guān)間隔。正常運(yùn)行方式下,母聯(lián)2012開關(guān)合位,220kV1M、2M并列運(yùn)行,#1主變變高2201開關(guān)、電廠甲線2988開關(guān)、變電站甲線4398開關(guān)掛1M母線運(yùn)行,#2主變變高2202開關(guān)、電廠乙線2989開關(guān)、變電站乙線4399開關(guān)掛2M母線運(yùn)行,#1主變220kV側(cè)中性點(diǎn)接地。

某日11:51,變電站綜自系統(tǒng)報(bào)警。運(yùn)行人員檢查發(fā)現(xiàn)220kV母差保護(hù)A套設(shè)備與B套設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)差流越限告警信號(hào),其中大差電流為0,母線小差電流C相差流二次測量值達(dá)0.08A(0.06A報(bào)警),其余兩相差流為0A。同時(shí)母差保護(hù)屏出現(xiàn)"C相母聯(lián)TA斷線"告警,如圖2所示,在主控室后臺(tái)監(jiān)控機(jī)母聯(lián)2012開關(guān)間隔圖上發(fā)現(xiàn)2012開關(guān)A相電流為280A,B相電流為285A,C相電流為69A。母差保護(hù)未動(dòng)作,未造成負(fù)荷損失。

2故障排查

情況上報(bào)后,該供電局變電管理所立即組織各專業(yè)班組對該220kV變電站GIS設(shè)備進(jìn)行外觀檢查、紅外測試、局放測試等工作,均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

根據(jù)母差保護(hù)屏告警信號(hào)與母聯(lián)2012開關(guān)電流的監(jiān)測數(shù)據(jù),為查明母聯(lián)2012開關(guān)間隔有無故障存在,20:02由廣東中調(diào)斷開了2012開關(guān),發(fā)現(xiàn)母聯(lián)2012開關(guān)三相電流為0,電廠甲線2988開關(guān)、變電站甲線4398開關(guān)、電廠乙線2989開關(guān)、變電站乙線4399開關(guān)三相電流都出現(xiàn)了不平衡現(xiàn)象,并且4條線路間隔C相電流的幅值與A、B兩相有明顯區(qū)別,#1主變變高220l開關(guān)、#2主變變高2202開關(guān)三相電流基本對稱,如表1所示。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),電廠甲線CT測量電流+電廠乙線CT測量電流矢量和三相基本對稱,變電站甲線CT測量電流+變電站乙線CT測量電流矢量和三相基本對稱,如表2所示。

另外,在母聯(lián)2012開關(guān)斷開的同時(shí),220kV母差保護(hù)A套設(shè)備與B套設(shè)備仍有告警,且兩套保護(hù)小差差流C相均有越限。該供電局變電繼保班對母差保護(hù)涉及的所有間隔電流矢量進(jìn)行了六角圖測試,并將場地GIS刀閘拐臂指示與母線保護(hù)裝置上的位置指示進(jìn)行了比對,發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置的采樣數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合,保護(hù)裝置刀閘指示位置與現(xiàn)場實(shí)際吻合,兩條220kV母線均有小差差流,大小相等、方向相反。至此,根據(jù)上述現(xiàn)象,初步懷疑兩條220kVGIS母線內(nèi)部有導(dǎo)體跨接現(xiàn)象,跨接導(dǎo)體上的電流不經(jīng)過電流互感器,因此造成了母線小差差流大小相等、方向相反的現(xiàn)象。

為進(jìn)一步求證該變電站兩條220kVGIS母線內(nèi)部是否存在導(dǎo)體跨接,次日凌晨該變電站經(jīng)中調(diào)許可后陸續(xù)將#2主變變高2202開關(guān)、變電站乙線4399開關(guān)、電廠乙線2989開關(guān)斷開,將220kV2M母線由運(yùn)行轉(zhuǎn)熱備用,斷開了220kV2M母線222PT低壓側(cè)二次空開,同時(shí)在222PT低壓側(cè)二次空開上端測量發(fā)現(xiàn)220kV2M母線C相電壓仍然存在,至此可以基本判定在兩條220kVGIS母線C相內(nèi)部有導(dǎo)體跨接。

調(diào)取設(shè)備運(yùn)行記錄發(fā)現(xiàn),該變電站母聯(lián)2012開關(guān)電流歷史上共出現(xiàn)過3次不平衡的情況:第1次出現(xiàn)于電廠甲線2988開關(guān)、電廠乙線2989開關(guān)在保護(hù)更換工作結(jié)束后進(jìn)行啟動(dòng)倒母時(shí),第2次出現(xiàn)于電廠甲線停電期間,第3次出現(xiàn)于電廠乙線停電期間。因此,可將母線內(nèi)部跨接位置基本鎖定在電廠甲線2988開關(guān)間隔、電廠乙線2989開關(guān)間隔內(nèi),而GIS母線筒常年密封,因此該跨接現(xiàn)象極有可能是相關(guān)間隔內(nèi)靠母線側(cè)的兩把刀閘同時(shí)合上導(dǎo)致的。

次日上午,對GIS設(shè)備外觀進(jìn)行檢查,未發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備外觀明顯異常,電廠甲線2988開關(guān)間隔、電廠乙線2989開關(guān)間隔的母線側(cè)刀閘現(xiàn)場指示均在相應(yīng)位置。次日下午,該供電局變電管理所組織了專業(yè)外委團(tuán)隊(duì)對變電站各個(gè)間隔母線側(cè)刀閘開展x射線檢測工作,發(fā)現(xiàn)電廠乙線2989l刀閘C相未正常分開,與其外部指示不一致,如圖3所示。

日后對電廠乙線2989l刀閘C相開展解體工作時(shí)發(fā)現(xiàn),2989l刀閘C相絕緣傳動(dòng)桿與內(nèi)拐臂連接夾件連接處松脫,導(dǎo)致刀閘無法分閘,刀閘絕緣拉桿與內(nèi)拐臂連接夾件的陷入深度不到位,如圖4所示。

3原因分析

本次故障中刀閘拐臂故障跨接兩段母線,造成了母差保護(hù)告警、三相電流不平衡等一系列現(xiàn)象。研究分析這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因有助于更全面地把握此類故障特點(diǎn),為后續(xù)做好設(shè)備故障預(yù)案,改進(jìn)現(xiàn)有運(yùn)維策略方案提供理論基礎(chǔ)。

3.1母聯(lián)開關(guān)合位時(shí)現(xiàn)象分析

圖5所示為包含電廠乙線刀閘拐臂故障跨接時(shí)的GIS站原運(yùn)行方式,其中母聯(lián)2012開關(guān)在合閘位置,設(shè)備故障點(diǎn)可以用一個(gè)連接兩段母線C相的金屬導(dǎo)體表示,設(shè)其流過電流為I8,參考方向如圖所示。其余主變、線路與母聯(lián)支路的電流參考方向與CT極性也如圖標(biāo)注。以220kV1M母線C相為對象,對其列寫KCL方程可得

實(shí)際上220kV1M小差電流值取的是各線路、主變與母聯(lián)間隔的電流互感器測量值之和,即Id1M=|I1c＋I(xiàn)2c＋I(xiàn)3c-I7c|≠0。對于220kV2M母線,其小差電流取值為Id2M=|I4c＋I(xiàn)5c＋I(xiàn)6c＋I(xiàn)7c|≠0,因而兩套母差保護(hù)同時(shí)發(fā)出差流越限告警,其差流值即為跨接導(dǎo)體分流電流的二次歸算值。

從圖6可以看出,在母聯(lián)開關(guān)合位的情況下,跨接導(dǎo)體的作用僅是簡單對母聯(lián)開關(guān)C相電流進(jìn)行了分流,兩段母線三相仍是等電位情況,因而不會(huì)影響母線以外的潮流分布情況,主變、線路間隔的電流分布以及三相不平衡度與無跨接導(dǎo)體時(shí)的情況類似。母差保護(hù)大差電流值的采樣計(jì)算量為Id=|I1＋I(xiàn)2＋I(xiàn)3＋I(xiàn)4＋I(xiàn)5＋I(xiàn)6|=0,不受母線內(nèi)部跨接情況影響,因而大差電流為0。以南瑞繼保PCs-915A型220kV母差保護(hù)裝置為例,當(dāng)大差電流小于CT斷線告警定值,兩個(gè)小差電流均大于CT斷線告警定值時(shí),延時(shí)5s報(bào)母聯(lián)CT異常報(bào)警,而母差保護(hù)動(dòng)作判據(jù)中包括大差比率差動(dòng)元件、電流突變量啟動(dòng)元件以及復(fù)壓閉鎖母差保護(hù)元件等動(dòng)作條件,因而不會(huì)誤動(dòng)。

3.2母聯(lián)開關(guān)分位時(shí)現(xiàn)象分析

在廣東中調(diào)斷開GIS變電站的母聯(lián)2012開關(guān)后,引發(fā)了電廠甲線2988、變電站甲線4398、電廠乙線2989、變電站乙線4399共4條線路電流三相不平衡的情況,且由當(dāng)時(shí)記錄的電流幅值與相角數(shù)據(jù)來看,不平衡電流主要發(fā)生在C相,說明刀閘拐臂C相跨接對4條線路的潮流分布都產(chǎn)生了明顯影響。另外,GIS變電站內(nèi)#1主變、#2主變在母聯(lián)2012開關(guān)斷開前后三相電流仍能基本保持平衡,電廠甲線2988與電廠乙線2989的電流矢量和基本三相平衡,變電站甲線4398與變電站乙線4399的電流矢量和也基本三相平衡,說明了將電廠甲線2988與電廠乙線2989視為一個(gè)整體時(shí),刀閘故障引起的GIS母線內(nèi)部跨接并未對整體電網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,同理對變電站甲線4398與變電站乙線4399組成的整體也是如此。為更好地說明分析其中原因,現(xiàn)將以發(fā)電廠、該GIS變電站與另一相連接變電站組成的局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖重畫于圖7。

由于刀閘拐臂故障主要影響的是電網(wǎng)C相的潮流分布,圖中也僅以C相網(wǎng)絡(luò)為研究對象,另外A、B兩相的局部網(wǎng)絡(luò)圖與C相類似,區(qū)別僅在于GIS站內(nèi)分相母線間是否有跨接導(dǎo)體。局部網(wǎng)絡(luò)左側(cè)的電源端為某火力發(fā)電廠,該廠的發(fā)電機(jī)通過升壓變連接到廠內(nèi)220kV1M母線、220kV2M母線,正常運(yùn)行方式下母聯(lián)開關(guān)合位,兩段母線并列運(yùn)行。Z(2988)與Z(2989)分別為電廠甲線、電廠乙線的等效線路阻抗。Z(4398)與Z(4399)分別為變電站甲線、變電站乙線的等效線路阻抗。GIS變電站刀閘C相拐臂雙跨以一等效小阻抗Z表示,將GIS站內(nèi)220kV1M母線與2M母線相連,由于電氣距離較近,阻抗Z數(shù)值遠(yuǎn)小于線路阻抗數(shù)值。與GIS變電站相連的另一側(cè)變電站220kV1M母線、220kV2M并列運(yùn)行,對應(yīng)母聯(lián)開關(guān)在合位。

從圖7中可以看出,C相網(wǎng)絡(luò)在刀閘跨接后成為"H"型局部網(wǎng)絡(luò),與沒有跨接阻抗Z的A、B兩相網(wǎng)絡(luò)有明顯差別。在實(shí)際工程中,電廠甲線等效線路阻抗Z(2988)與電廠乙線等效線路阻抗Z(2989)多少有些差別,同樣變電站甲線線路阻抗Z(4398)與變電站乙線線路阻抗Z(4398)也不完全相等,GIS變電站內(nèi)#1主變與#2主變對母線處的等效負(fù)荷阻抗也不一致,因此站內(nèi)220kV1M母線C相與220kV2M母線C相在母聯(lián)2012開關(guān)斷開后形成了一定的電位差,這個(gè)電位差加在跨接阻抗Z上就形成了分流電流I跨,I跨電流的分流效應(yīng)使得I2988、I2989、I4398、I4399這4條線路電流分布發(fā)生了變化,因而也就使4條線路產(chǎn)生了三相電流不平衡的現(xiàn)象。對于兩段母線上的主變支路電流I#1、I#2而言,其電流幅值與相角主要取決于主變所帶負(fù)荷。變電站主變基本上都屬于降壓變壓器,從220kV輸電網(wǎng)吸取功率,向變中110kV電網(wǎng)以及變低10kV電網(wǎng)輸送功率,110kV電網(wǎng)與10kV電網(wǎng)作為負(fù)荷側(cè)開環(huán)運(yùn)行。因此,只要負(fù)荷側(cè)吸收功率不變,主變電流I#1、I#2就基本不變。C相跨接阻抗僅影響主變電流的供給來源,例如在沒有跨接故障時(shí),#1主變C相電流由電廠甲線2988與變電站甲線4398兩條線路C相電流提供,在出現(xiàn)跨接故障后,#1主變C相電流由電廠甲線2988、變電站甲線4398兩條線路C相以及母線C相跨接電流I跨提供,但跨接前后只要#1主變C相負(fù)荷基本不變,主變C相電流I#1就基本不變,在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中可視作由負(fù)荷決定的等效電流源。

第二個(gè)問題,在220kVGIS站母聯(lián)2012開關(guān)斷開后,電廠甲線2988與電廠乙線2989的電流矢量和基本三相平衡,變電站甲線4398與變電站乙線4399的電流矢量和也基本三相平衡,從圖7可以看出電廠甲線2988與電廠乙線2989的電流和即為I總,在將GIS站主變視作電流源的條件下,I總的變化取決于整個(gè)外部局部網(wǎng)絡(luò)等效阻抗的變化,I總在刀閘跨接后仍能保持三相平衡,說明刀閘跨接對整個(gè)局部網(wǎng)絡(luò)等效阻抗的影響不大。實(shí)際上,由于Z(2988)、Z(2989)、Z(4398)、Z(4399)比跨接阻抗Z要大得多,且由于是同塔架設(shè)的雙回線路,其阻抗比基本相等,即Z(2988):Z(4398)≈Z(2989):Z(4399)。在站內(nèi)母聯(lián)開關(guān)斷開后且沒有故障刀閘跨接時(shí),根據(jù)電橋理論,220kVGIS站內(nèi)兩段母線近似于等電位點(diǎn)(其微小電位差僅在分析跨接刀閘對內(nèi)部的分流作用時(shí)考慮),雖然刀閘故障跨接使220kVC相母線電位進(jìn)一步趨同,但對于整個(gè)局部網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的等效阻抗來說,這種作用是不明顯的,因此A、B兩相局部網(wǎng)絡(luò)與有刀閘故障的C相局部網(wǎng)絡(luò)對外等效阻抗基本一致,發(fā)電廠甲、乙線電流之和I總?cè)嚯娏饕簿突酒胶狻?

4運(yùn)維策略

本起由GIS刀閘拐臂夾件松脫而造成不同母線跨接的故障,引發(fā)了保護(hù)告警、三相電流不平衡等現(xiàn)象,會(huì)對調(diào)度監(jiān)盤造成干擾,也可能影響到保護(hù)動(dòng)作的邏輯與正確性。再者,當(dāng)一段母線需要停電檢修時(shí),故障跨接會(huì)使該段母線在所有母線刀閘拉開后仍然帶電,存在母線帶電合地刀的風(fēng)險(xiǎn),并由此造成設(shè)備損失,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行中的母線對應(yīng)母差保護(hù)動(dòng)作,造成220kV變電站失壓以及負(fù)荷損失的嚴(yán)重后果。因此,針對該類型故障特點(diǎn),有必要提出新的運(yùn)維策略,以降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(1)加強(qiáng)新設(shè)備投運(yùn)前的監(jiān)造驗(yàn)收管理。在GIS設(shè)備出廠監(jiān)造時(shí),應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對刀閘拐臂絕緣連桿與夾件的檢查,確保絕緣連桿六方頭試驗(yàn)合格,與夾件配合良好,緊固螺絲力矩合格,外露螺紋在要求范圍內(nèi),拐臂傳動(dòng)試驗(yàn)合格并現(xiàn)場拍照留作記錄。

(2)修編運(yùn)行規(guī)程與典型操作票庫。凡是涉及GIS母線倒閘的操作,在操作前應(yīng)檢查母聯(lián)三相電流相對平衡且大小正常,并且在母差保護(hù)屏上檢查無差流越限及CT斷線信號(hào),將小差電流值記錄下來。操作后應(yīng)檢查母聯(lián)三相電流的變化情況以及三相電流平衡情況,同時(shí)在母差屏上檢查是否有差流越限及CT斷線信號(hào),確認(rèn)小差電流值正常。在母線停電操作中,斷開母聯(lián)開關(guān)將母線轉(zhuǎn)冷備用后,應(yīng)合上母線PT一次刀閘,并在PT二次空開處測量母線電壓是否為0,在確保母線實(shí)際無壓后才可將母線接地轉(zhuǎn)檢修。

(3)修編巡視作業(yè)指導(dǎo)書。在GIS變電站巡視作業(yè)指導(dǎo)書中加入檢查母聯(lián)三相電流以及檢查母差保護(hù)屏有無異常告警信號(hào)的步驟,確保運(yùn)維人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患,降低電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

5    結(jié)語

本文研究了一起由GIs設(shè)備刀閘拐臂故障造成的 母線雙跨事件 ,分析了在故障排查過程中出現(xiàn)保護(hù)告 警與電流不平衡現(xiàn)象的原因 ,最后根據(jù)此類故障的特 點(diǎn) ,提出了運(yùn)維策略的相應(yīng)改進(jìn)方案 ,通過加強(qiáng)設(shè)備出 廠監(jiān)造管控 ,檢查母聯(lián)電流與母差保護(hù)裝置信號(hào)能夠 有效規(guī)避此類設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn) ,提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。