特殊接线变电站10kV备自投设计原则及逻辑分析

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备自投装置是提高电力系统供电可靠性、保证供电连续性的有效手段，主要应用于110kV及以下电压等级的变电站。常规的桥型接线、单母双（多）分段接线、各台同等容量变压器运行的变电站备自投装置逻辑相对简单、功能较易设计，但是部分老旧变电站内变压器容量不统一，接线方式特殊，导致常规的备自投动作逻辑不能适用。因此，各台变压器容量不同、接线方式特殊的变电站备自投在设计上必须考虑更多的影响因素，逻辑更为复杂。

国网福州供电公司的研究人员杨朝赟、张国平、张丰、王翠霞，在2021年第7期《电气技术》上撰文，分析特殊接线变电站10kV备自投的设计原则，针对不同运行方式对10kV备自投进行逻辑分析，为10kV备自投逻辑设计提供参考。

近年来电网规模不断扩大，电力用户对电能质量的要求越来越高。110kV降压变电站主接线方式主要为桥型接线方式、单母双（多）分段接线方式等，站内有备用变压器或者互为备用的母线段，要求装设备自投装置，以保证在工作电源断开后投入备用电源，这是提高电力系统供电可靠性、保证供电连续性的一种有效手段，主要用于110kV及以下电压等级的系统。

110kV降压变电站一般安装同等容量的2～3台变压器，110kV电压等级设备采用内桥或扩大内桥接线方式，10kV（35kV）设备采用单母双（多）分段接线方式，此类接线方式的备自投动作逻辑简单、功能易设计，但是部分老旧变电站内变压器容量不统一，接线方式特殊，导致常规的备自投动作逻辑不能适用。特殊接线方式下的备自投与常规备自投在逻辑上有不同之处，需要考虑更多、更复杂的影响因素。本文分析特殊接线变电站10kV备自投的设计原则，并针对不同运行方式对10kV备自投进行逻辑分析。

1  特殊接线变电站的运行方式

变电站的主接线如图1所示，110kV为内桥接线，10kV为单母三分段接线，1号、2号主变压器高压侧同接在110kV Ⅰ段母线，容量均为31.5MV·A，3号主变压器高压侧接在110kV Ⅱ段母线，容量为50MV·A。变电站3台主变压器容量不一致，互备时需考虑主变压器容量与负荷容量关系，且1号、2号主变压器高压侧都接在110kV Ⅰ段母线上，仅在少数老旧技改站内才会出现，因此，对备自投的设计逻辑提出了特殊的要求。

图1  变电站主接线

正常情况下，调度统筹安排该特殊接线变电站有以下几种运行方式：

方式一：10kV Ⅰ、Ⅱ段母线并列运行，1DL、2DL、3DL、4DL开关合位，5DL开关分位的运行方式。

方式二：10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母线分列运行，1DL、2DL、3DL开关合位，4DL、5DL开关分位的运行方式。

方式三：1号主变压器检修，10kV Ⅱ、Ⅲ段母线分列运行，2DL、3DL开关合位，5DL开关分位的运行方式。

方式四：3号主变压器检修，10kV Ⅰ、Ⅱ段母线分列运行，1DL、2DL开关合位，4DL开关分位的运行方式。

方式五：2号主变压器检修，10kV Ⅱ、Ⅲ段母线分列运行，1DL、3DL、4DL开关合位，5DL开关分位的运行方式。

方式六：2号主变压器检修，10kV Ⅰ、Ⅱ段母线分列运行，1DL、3DL、5DL开关合位，4DL开关分位的运行方式。

2  10kV备自投设计原则

由图1可知，3台主变压器容量不一致，实际运行中应预防备自投动作后运行主变压器带负荷太重引起主变压器过负荷。且容量不同的变压器并列时，负荷分配不平衡，运行不经济，因此不同容量的变压器不宜并列运行。综合各方面因素，10kV备自投设计时应考虑运行方式，并兼顾以下原则：

1）31.5MV·A小容量主变压器不作为50MV·A大容量主变压器的备用电源；2）31.5MV·A小容量主变压器不宜带全站负荷；3）不同容量变压器不宜并列运行，调度不安排此类运行方式；4）考虑主变压器低后备保护动作时的闭锁问题，不得备投于故障设备；5）只考虑分段备自投，不考虑变压器备投；6）具备过负荷联切馈线功能。

3  10kV备自投动作逻辑分析

备自投的动作逻辑与运行方式是密不可分的。上述内容列举了调度安排的六种运行方式，本文逐一分析方式一～方式六的备自投动作逻辑。

3.1  方式一备自投动作逻辑分析

由方式一的运行方式可以分析得出备自投的充电条件为：①10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母线有电压；②1DL、2DL、3DL、4DL、6DL、7DL、8DL开关合位；③5DL开关分位；④无其他闭锁量。

放电条件，即闭锁条件，通常发生在备自投条件不满足或外部闭锁备自投等情况下，如充电条件不满足、备自投动作后跳电源失败、手动断开开关、主变压器保护动作闭锁等。对放电条件的考虑与常规接线类似，本文不再一一赘述。

图2为方式一备自投动作逻辑，从图中可以看出共有两个动作逻辑：

（1）考虑由于110kV Ⅰ段母线失电压而110kV备自投未动作成功，造成10kV Ⅰ、Ⅱ段母线同时失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅰ、Ⅱ母线失电压，Ⅲ母有电压，1号、2号主变压器低压侧无电流，跳1DL、2DL开关。确认1DL、2DL开关跳开后，合5DL母联开关，确认5DL开关合上后，动作逻辑结束。

图2  方式一动作逻辑

10kV Ⅰ母故障或馈线保护拒动时，1号主变压器低后备保护动作先断开4DL、后断开1DL，造成10kV Ⅰ母失电压，2号主变压器低后备保护动作仅断开4DL，10kV Ⅱ母有电压，因此不必考虑备自投问题及1号主变压器后备保护动作闭锁问题。10kV Ⅱ母故障或馈线保护拒动时情况类似，此处不再赘述。

（2）考虑由于110kV Ⅱ段母线失电压而110kV备自投未动作成功或者3号主变压器内部故障后跳闸，造成10kV Ⅲ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅲ段母线失电压，Ⅰ、Ⅱ母有电压，3号主变压器低压侧无电流，跳3DL开关。确认3DL开关跳开后，合5DL母联开关，确认5DL开关合上后，动作逻辑结束。

10kV Ⅲ母故障或馈线保护拒动时，3号主变压器低后备保护动作先断开5DL、后断开3DL，造成10kV Ⅲ母失电压，3号主变压器后备保护动作必须闭锁备自投，防止备自投动作再次合于故障，符合设计原则4）。

3.2  方式二备自投动作逻辑分析

由方式二的运行方式可以分析得出备自投的充电条件为：①10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母线有电压；②1DL、2DL、3DL、6DL、7DL、8DL开关合位；③4DL、5DL开关分位；④无其他闭锁量。

图3为方式二备自投动作逻辑，从图中可以看出共有4个动作逻辑：

（1）考虑由于110kV Ⅰ段母线失电压而110kV备自投未动作成功，造成10kV Ⅰ、Ⅱ段母线同时失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅰ、Ⅱ母线失电压，Ⅲ母有电压，1号、2号主变压器低压侧无电流，跳1DL、2DL开关。确认1DL、2DL开关跳开后，合4DL、5DL母联开关，确认4DL、5DL开关合上后，动作逻辑结束。

图3  方式二动作逻辑

（2）考虑由于2号主变压器内部故障后跳闸，造成10kV Ⅱ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅱ段母线失电压，Ⅰ、Ⅲ母有电压，2号主变压器低压侧无电流，跳2DL开关。确认2DL开关跳开后，合5DL母联开关，确认5DL开关合上后，动作逻辑结束。

备自投动作后选择合5DL开关，而不选择合4DL开关，50MV·A容量的主变压器作为31.5MV·A容量主变压器的备用电源，可有效预防1号主变压器过负荷，符合设计原则1）。

10kV Ⅱ母故障或馈线保护拒动时，2号主变压器低后备保护动作先断开4DL和5DL、后断开2DL，造成10kV Ⅱ母失电压，2号主变压器后备保护动作必须闭锁备自投，防止备自投动作再次合于故障，符合设计原则4）。

（3）考虑由于110kV Ⅱ段母线失电压而110kV备自投未动作成功或者3号主变压器内部故障后跳闸，造成10kV Ⅲ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅲ段母线失电压，Ⅰ、Ⅱ母有电压，3号主变压器低压侧无电流，跳3DL开关。确认3DL开关跳开后，合4DL、5DL母联开关，确认4DL、5DL开关合上后，动作逻辑结束。

备自投动作后同时合上4DL、5DL开关，10kV Ⅰ、Ⅱ段母线并列运行，相同容量的1号、2号主变压器并列运行，累计63MV·A总容量的主变压器作为50MV·A容量主变压器的备用电源，符合设计原则1）。

10kV Ⅲ母故障或馈线保护拒动时，3号主变压器低后备保护动作先断开5DL、后断开3DL，造成10kV Ⅲ母失电压，3号主变压器后备保护动作必须闭锁备自投，防止备自投动作再次合于故障，符合设计原则4）。

（4）考虑由于1号主变压器内部故障后跳闸，造成10kV Ⅰ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅰ段母线失电压，Ⅱ母有电压，1号主变压器低压侧无电流，跳1DL开关。确认1DL开关跳开后，合4DL母联开关，确认4DL开关合上后，动作逻辑结束。

10kV Ⅰ母故障或馈线保护拒动时，1号主变压器低后备保护动作先断开4DL、后断开1DL，造成10kVⅠ母失电压，1号主变压器后备保护动作必须闭锁备自投，防止备自投动作再次合于故障，符合设计原则4）。

3.3  方式三备自投动作逻辑分析

由方式三的运行方式可以分析得出备自投的充电条件为：①10kV Ⅱ、Ⅲ段母线有电压；②2DL、3DL、7DL、8DL开关合位；③1DL、6DL、5DL开关分位；④无其他闭锁量。

图4为方式三备自投动作逻辑，从图中可以看出共有1个动作逻辑：考虑由于110kV Ⅰ段母线失电压而110kV备自投未动作成功或者2号主变压器内部故障后跳闸，造成10kV Ⅱ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅱ段母线失电压，Ⅲ母有电压，2号主变压器低压侧无电流，跳2DL开关。确认2DL开关跳开后，合5DL母联开关，确认5DL开关合上后，动作逻辑结束。

图4  方式三动作逻辑

10kV Ⅱ母故障或馈线保护拒动时，2号主变压器低后备保护动作先断开4DL和5DL、后断开2DL，造成10kV Ⅱ母失电压，2号主变压器后备保护动作必须闭锁备自投，防止备自投动作再次合于故障，符合设计原则4）。

由于110kV Ⅱ段母线失电压而110kV备自投未动作成功或者3号主变压器内部故障后跳闸，造成10kV Ⅲ段母线失电压时，若备自投动作成功，必然造成31.5MV·A小容量主变压器作为50MV·A大容量主变压器的备用电源，不符合设计原则1）；若4DL开关在合位时会造成31.5MV·A小容量主变压器带全站负荷，不符合设计原则2），因此不考虑这种情况下备自投动作逻辑。

3.4  方式四备自投动作逻辑分析

由方式四的运行方式可以分析得出备自投的充电条件为：①10kV Ⅰ、Ⅱ母线有电压；②1DL、2DL、6DL、7DL开关合位；③3DL、8DL、4DL、5DL开关分位；④无其他闭锁量。若5DL开关在合位时，备自投动作造成31.5MV·A小容量主变压器带全站负荷，不符合设计原则2），因此方式四充电条件要求5DL开关分位。

图5为方式四备自投动作逻辑，从图中可以看出共有2个动作逻辑：

图5  方式四动作逻辑

（1）考虑由于1号主变压器内部故障后跳闸，造成10kV Ⅰ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅰ段母线失电压，Ⅱ母有电压，1号主变压器低压侧无电流，跳1DL开关。确认1DL开关跳开后，合4DL母联开关，确认4DL开关合上后，动作逻辑结束。

10kV Ⅰ母故障或馈线保护拒动时，1号主变压器低后备保护动作先断开4DL、后断开1DL，造成10kV Ⅰ母失电压，1号主变压器后备保护动作必须闭锁备自投，防止备自投动作再次合于故障，符合设计原则4）。

（2）考虑由于2号主变压器内部故障后跳闸，造成10kV Ⅱ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅱ段母线失电压，Ⅰ母有电压，2号主变压器低压侧无电流，跳2DL开关。确认2DL开关跳开后，合4DL母联开关，确认4DL开关合上后，动作逻辑结束。

10kV Ⅱ母故障或馈线保护拒动时，2号主变压器低后备保护动作先断开4DL、后断开2DL，造成10kV Ⅱ母失电压，2号主变压器后备保护动作必须闭锁备自投，防止备自投动作再次合于故障，符合设计原则4）。

3.5  方式五备自投动作逻辑分析

由方式五的运行方式可以分析得出备自投的充电条件为：①10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母线有电压；②1DL、3DL、4DL、6DL、8DL开关合位；③2DL、7DL、5DL开关分位；④无其他闭锁量。

图6为方式五备自投动作逻辑，从图中可以看出共有2个动作逻辑：

图6  方式五动作逻辑

（1）考虑由于110kV Ⅰ段母线失电压而110kV备自投未动作成功或者1号主变压器内部故障后跳闸，造成10kV Ⅰ、Ⅱ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅰ、Ⅱ段母线失电压，Ⅲ母有电压，1号主变压器低压侧无电流，跳1DL开关。确认1DL开关跳开后，合5DL母联开关，确认5DL开关合上后，动作逻辑结束。

考虑由于10kV Ⅰ母故障或馈线保护拒动时，1号主变压器低后备保护动作先断开4DL、后断开1DL，造成10kV Ⅰ、Ⅱ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅰ、Ⅱ段母线失电压，Ⅲ母有电压，1号主变压器保护动作开入量变位，跳4DL开关。确认4DL开关跳开后，合5DL母联开关，确认5DL开关合上后，动作逻辑结束。

（2）考虑4DL开关偷跳时，10kV Ⅱ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅱ段母线失电压，Ⅰ、Ⅲ母有电压，无其他闭锁开入量变位，跳4DL开关。确认4DL开关跳开后，合5DL母联开关，确认5DL开关合上后，动作逻辑结束。

由于10kV Ⅱ母故障或馈线保护拒动时，1号主变压器低后备保护动作断开4DL造成10kV Ⅱ段母线失电压时，会备投于故障设备，因此应闭锁备自投，符合设计原则4）。10kV Ⅲ母失电压时，若备投动作会造成31.5MV·A小容量主变压器带全站负荷，因此不考虑该备投逻辑，符合设计原则2）。

3.6  方式六备自投动作逻辑分析

由方式六的运行方式可以分析得出备自投的充电条件为：①10kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段母线有电压；②1DL、3DL、5DL、6DL、8DL开关合位；③2DL、7DL、4DL开关分位；④无其他闭锁量。

图7为方式六备自投动作逻辑，从图中可以看出共有3个动作逻辑：

图7  方式六动作逻辑

（1）考虑由于110kV Ⅰ段母线失电压而110kV备自投未动作成功或者1号主变压器内部故障后跳闸，造成10kV Ⅰ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅰ段母线失电压，Ⅱ、Ⅲ母有电压，1号主变压器低压侧无电流，跳1DL开关。确认1DL开关跳开后，合4DL母联开关，确认4DL开关合上后，动作逻辑结束。

（2）考虑5DL开关偷跳时，10kV Ⅱ段母线失电压时的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅱ段母线失电压，Ⅰ、Ⅲ母有电压，无其他闭锁开入量变位，跳5DL开关。确认5DL开关跳开后，合4DL母联开关，确认4DL开关合上后，动作逻辑结束。

由于10kV Ⅱ母故障或馈线保护拒动时，3号主变压器低后备保护动作断开5DL造成10kV Ⅱ段母线失电压时，会备投于故障设备，因此应闭锁备自投，符合设计原则4）。

（3）考虑10kV Ⅲ母故障或馈线保护拒动时，3号主变压器低后备保护动作先断开5DL、后断开3DL造成10kV Ⅱ、Ⅲ段母线失电压的动作情况。备自投充电正常，10kV Ⅱ、Ⅲ段母线失电压，Ⅰ母有电压，3号主变压器保护动作开入量变位，跳5DL开关。确认5DL开关跳开后，合4DL母联开关，确认4DL开关合上后，动作逻辑结束。

110kV Ⅱ段母线失电压而110kV备自投未动作成功或者3号主变压器内部故障后跳闸时造成10kV Ⅱ、Ⅲ母同时失电压，若备投动作会造成31.5MV·A小容量主变压器带全站负荷，因此不考虑该备投逻辑，符合设计原则2）。

4  结论

备自投装置是提高电力系统供电可靠性、保证供电连续性的有效手段。110kV变电站桥型接线方式、单母双（多）分段接线的常规变电站备自投装置逻辑相对简单、功能较易设计。

老旧变电站主变压器尚未进行增容技改，主变压器容量不一致，并列运行不经济，或接线方式特殊，暂不具备改变接线方式的条件，种种原因导致常规的备自投动作逻辑不能适用。特殊接线方式的备自投既要保证可靠供电，又要考虑主变压器过负荷及容量等问题，在逻辑上有不同之处，需要考虑更多、更复杂的因素。本文分析了特殊接线变电站10kV备自投的设计原则，针对特殊运行方式下10kV备自投进行逻辑分析，为10kV备自投逻辑设计提供参考。

本文编自2021年第7期《电气技术》，论文标题为“特殊接线变电站10kV备自投设计原则及逻辑分析”，作者为杨朝赟、张国平等。