一起主变保护装置无故障跳闸事故原因分析
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国网湖北省电力公司荆门供电公司、国网湖北省电力公司技术培训中心、国网泸州供电公司、国网湖北省电力公司检修公司鄂西北运维分部的研究人员罗皓文、严文洁、齐磊、柏小丽、罗溪，在2017年第10期《电气技术》杂志上撰文，介绍了一起主变保护装置无故障跳闸事故。
通过分析现场事件报文记录的时序关系，比对故障发生前后保护装置的运行差异情况，抽离出影响保护动作逻辑的关键因素。同时，借助故障模拟试验，重现了保护装置的误动作行为，发现装置内部的硬件回路缺陷。最后，对故障原因进行了深入分析与总结，并提出了相应的防范措施。
继电保护及自动装置是保证电力系统安全、稳定运行的第一道防线，其承担着故障隔离、设备防护、供电恢复等重要作用。一直以来，输变电工程中始终将继电保护及自动装置的“可靠性”作为最优先指标进行考虑并贯穿于规划、设计、施工、运行各个阶段[1]。然而，实际情况中继电保护及自动装置误动作事故仍时有发生。
有文献表明，定值整定出错、绝缘不良、回路故障、电磁干扰等因素会引发保护误动作事故[2-4]。以往的事故分析多集中在继电保护及自动装置外部回路上，对装置本身元件及回路故障少有涉及。本文以一起主变保护装置无故障跳闸事故为例，深入研究保护装置内部回路，通过重现了保护装置的误动作行为，对其误动作原因进行了分析，并提出了相应的整改措施。
1 事故概况
某110kV变电站为常规综自变电站，站内有主变压器两台（总容量70MVA），其110kV、35kV及10kV侧一次主接线形式均为单母分段方式。事故发生前变电站运行方式是，110kV母线分列运行，110kV杨观线挂#1母线供#1主变，110kV丽杨线挂#2母线供#2主变；#2主变带全站35kV负荷运行，35kV分段开关在合位；#1主变带全站10kV负荷运行，10kV分段开关在合位。该变电站一次接线如图1所示。
图1 变电站一次接线图
2016年10月21日9时许，该站正进行35kV#4母线停电操作。当运行人员遥控分开35kV分段38开关不久后（约9秒），同一系统的10kV分段21开关突然跳闸，造成10kV#8母线失压。事故造成站内10kV#8母线上四条馈线损失负荷共计1.72MW。
2 现场检查与试验
2.1设备检查情况
事故发生后，通过检查监控后台报文记录，未发现任何保护动作信息。仅有的内容显示（如表1所示），当35kV分段38开关遥控分闸后，35kV#4母线随即失压，并同时造成#1主变保护“PT断线”告警；随后，10kV分段21开关无征兆跳闸，引起10kV#8母线失压，并造成#2主变保护“PT断线”告警。
除此之外，通过检查站内继电保护及自动装置的运行状态，发现几处异常告警。其中，#1主变保护装置面板显示“三相TV断线”（为35kV#4母线停电操作后母线失压所致）；#2主变保护装置面板显示“三相TV断线”（为10kV分段跳闸后10kV#8母线失压所致）。
表1监控后台报文记录
2.2设备试验情况
为验证分段开关控制回路的完整性，在恢复供电阶段加用分段开关充电保护前，还需对开关进行整组分合试验。试验结果显示，无论是手动合闸或是遥控合闸，开关均动作失败。其现象是：合闸命令下发后，开关机构合闸线圈能够励磁，但在开关合上后瞬间脱扣跳闸。
再次检查10kV分段开关控制回路，发现该间隔保护装置背板“保护跳闸开入”端子对地电位为正（约+110V），说明此时有跳闸节点开入。通过解开外部二次回路进行测试，检测到#1主变跳分段R33电缆芯带正电，也同时定位到#1主变后备保护跳分段节点闭合并保持。
3 原因分析
综合上述检查情况来看，在本次10kV分段开关跳闸事故发生前后，监控后台并未记录到站内二次设备的异常告警或保护动作报文（“PT断线”告警除外）。因此，没有直接证据表明分段开关跳闸前系统曾发生过一次故障。除此之外，通过综合分析“#1主变后备保护跳10kV分段节点闭合并保持”这一异常现象，不难推断出10kV分段开关为无故障跳闸，且与#1主变后备保护节点误动作密切相关。
3.1 保护节点误动作原因分析
保护装置节点误动作可能性有三种：（1）插件内部积灰导致回路绝缘降低并击穿；（2）出口继电器节点烧毁或粘连；（3）保护装置内部误驱动。
分析一：在仔细检查#1主变后备保护装置跳闸插件后，证实其本身积灰情况并不严重，且触发跳闸的出口继电器焊接良好。因此，原因（1）将不是造成本次故障的原因。再者，通过对该出口继电器进行电气检测，发现继电器线圈电阻符合要求，且相关动作特性良好，这也间接排除了继电器烧毁或节点粘连导致跳闸的可能性。
分析二：在将#1主变后备保护装置重启后（此时35kV系统已送电，保护装置“PT断线”告警复归），发现该跳闸出口节点自动复归并不再保持。将保护装置节点异常动作与自动复归这两起事件中的差异因素联系起来，并借助相关报文在时间轴上的触发顺序来分析，可以猜测本次跳闸时间事件与保护装置“PT断线”异常告警有关。
例如，根据表1报文显示，当#1主变保护触发“PT断线”告警信号278ms后，10kV分段开关位置由分到合。除去跳闸线圈动作时间及开关变位信号上送时间，可以认为保护装置告警与分段出口节点闭合触发顺序在时间轴上极为接近。
分析三：为证实保护装置异常告警导致节点误动作的可能性，现对#1主变后备保护装置开展故障模拟试验。其试验步骤如下：1）将保护装置重启；2）将断开中压侧电压空开，模拟35kV母线失压情况；3）用万用表实时监测该出口节点的通断情况。
试验结果显示，当电压空开断开约9秒后，保护装置触发“PT断线”告警，同时跳闸出口节点立即动作并保持，该现象与事故发生时刻监控后台记录报文情况相符。
基于上述分析结果可以判断，本次10kV分段开关跳闸是由#1主变后备保护低分段出口节点误动作导致，并且装置“PT断线”告警现象会触发节点误动作。
3.2保护硬件回路缺陷分析
通过查阅保护装置说明书及定值清单，证实#1主变后备保护装置并不存在“PT断线”后触发跳闸的逻辑通道，考虑到该型号保护装置的技术成熟程度，可以判断保护装置硬件回路存在缺陷的可能性较大。
为证实上述假设，在对其硬件回路进行细致检查后，发现装置PCB母板上有几处不寻常的焊接痕迹，具体如图2所示。
图2 母板布置图
图3控制板原理图
为便于分析保护装置硬件回路连接情况，特将保护装置控制板原理图绘制如图3所示。图3中SIGNAL:b16节点为信号板驱动节点，TRIP:b20节点为跳闸板驱动节点，分别对应CK13继电器（备用节点）及CK8继电器（低分段跳闸出口）；CPU2:z22节点以及CPU:b18节点均为保护开出节点，分别对应“装置呼唤”及“低分段出口”两个功能。
其中SIGNAL:b16节点与CPU2:z22节点在PCB母板布线连接；TRIP:b20节点与CPU:b18在PCB母板布线连接；而SIGNAL:b16与TRIP:b20却为人工焊接。
对照图3分析，若将上述四个节点同时短接，相当于保护装置CK8、CK13两个出口继电器受CPU跳分段出口节点与CPU2装置呼唤节点双重控制。在这种情况下，一旦保护装置CPU2装置呼唤节点动作，将同时动作CK8及CK13继电器，有误跳10kV分段开关的风险。在仔细查阅装置说明书及询问厂家技术人员后，证实“装置呼唤”的含义是装置本身出现运行异常，保护装置“PT断线”逻辑上会触发“装置呼唤”节点动作。
通过比对相关设计图纸，发现CK13继电器的备用节点在出厂设计上被定义为“闭锁低备投”，但站内实际无10kV备自投。厂家设计人员希望通过人为短接线同时驱动CK8及CK13两个继电器来分别实现跳低分段及闭锁低备投的功能，但却忽视了已在PCB上布置的“装置呼唤”回路连接线，导致硬件上出现寄生回路。
基于上述分析情况可以判断，保护装置出口节点误动作的原因在于其硬件回路存在缺陷，厂家错误地将跳闸出口继电器与备用出口继电器驱动入口短接，造成继电器被误驱动。
4 结论
本文围绕一起主变保护装置无故障跳闸事故，通过重现保护装置的误动作行为，对保护装置节点误动作的起因开展了深入的分析,为防止保护装置内部误驱动造成的无故障跳闸事故的再次发生，本文特提出以下几点防范措施：
（1）保护装置投运前应做好设备验收工作，除了保护逻辑外还应对装置本体（例如元器件外观、焊接情况等）进行检查。对于硬件装置上的人工焊线的痕迹，应要求供应商给予书面说明。
（2）保护装置的设计图纸应与现场实际情况一致，与图纸设计不符的备用节点及相关回路应隔离清楚。