500kV变电站站用交流电源系统典型自动切换装置分析

叶练方郭学才

摘要：500kV变电站380V站用交流电源系统都配有自动切换装置，当站用电一回电源出现故障或失压时，由切换装置自动切到另一回电源供电，从而保证站用电供电可靠性。文章从站用交流电源自动切换基本概念出发，通过比较ATS及备自投的工作原理，分析常见故障下两种自动切换装置的优缺点，为装置进一步改善提供有益的参考。

关键词：交流电源；自动切换装置；ATS；备自投

0引言

站用交流系统作为变电站重要的工作电源，其直接为断路器、刀闸操作机构、主变冷却装置、消防系统、照明系统、直流充电机、通信设备等提供工作电源[1-2]。因此，站用交流电源的可靠性直接影响变电站的安全稳定运行。目前，应用于500kV变电站站用交流系统的自动切换装置有很多，常用的主要有ATS和备自投，动作原理各有其自身特点，保护范围也不尽相同。近期发生了多起站用交流系统自动切换装置事故，如2016年6月18日，陕西330kV某变电站发生主变烧毁事故，主要原因是35kV侧线路发生故障，引起站用交流电源电压较大的波动，站用变低压侧开关欠压脱扣跳闸，直流系统失去交流电源，而此时直流系统的两组蓄电池都处于改造阶段，保护失去电源，造成故障越级；2016年8月4日，广东500kV某变电站交流低压380V1M母线故障，由于备自投设置错误，而且缺乏闭锁条件，再加上站用变保护定值与开关过流保护定值不匹配，最终导致全站380V交流系统失压。文章对这两种自动装置在发生常见故障时的优缺点进行比较。

1自动切换装置

1.1自动切换装置基本概念

为了提高站用电交流系统供电的可靠性，500kV变电站一般都配有三台站用变供交流系统，两台站用变由站内主变低压侧提供电源，另一台由外来电源供电[3]。当一台主变出现故障或停电时，通过ATS或备自投装置切换到外来电源，如果此时外来电源也处于停电状态，自动切换装置会自动的切换至另一台主变供电，从而保证站用交流系统供电的可靠性。

1.2自动切换装置工作原理

1.21ATS（automaticTransferSwitch）

ATS（automaticTransferSwitch）是一种位置切换开关，由于其不具备灭弧能力，因此广泛运用于站用低压交流系统。ATS可以手动，也可以切换至自动模式，自动模式又包括6种工作方式，本文以正常运行时广泛应用的“自动切换”方式为例，分析其动作原理。500kV站用交流系统一般都采用双ATS配置（ATS1和ATS3），如图1所以，站用变高压侧开关329、339在合位，低压侧开关410、420、400A、400B、441、442、451及452在合位，380#3M母线经ATS1、ATS3合于#1站用变低压侧，380#4M母线经ATS2、ATS4合于#2站用变低压侧，由于ATS3切换时间整定值大于ATS1，当ATS1电压采集点监测到无压时，ATS1会自动切换至#0站用变供电，如果此时#0站用变外接电源停电，则ATS3会自动切换至#2站用变供电。站用交流双ATS配置有很大的优势，首先380V低压侧的负荷可以由#1M和#3M供电，而低压室的重要负荷又可以通过手动方式取自#3M或#4M母线，可靠性非常高。380V#4M无压的动作逻辑与380V#3M类似。

1.22备自投（单母分段）

备用电源自动投入使用装置，是当工作电源因故障跳闸后，自动迅速地将备用电源投入的一种自动装置，简称备自投[4]。它可以提高供电可靠性，简化自动保护配置，限制短路电流并提高母线残压。备自投有多种运行方式，本文以正常运行时常采用的一种方式来说明其动作原理。如图2所示，在这种运行方式下，高压侧开关329、349在合位，低压侧开关400、401、402在合位，400甲、400乙在热备用状态。

#1备自投充电条件：380V1M、0M均有压，401、400在合位，400甲在分位。放电条件：400甲在分位，380V1M、2M均无压，有外部闭锁信号，手跳401或400开关，控制回路断线。动作过程：当充电完成后，监测到380V1M母线无压，#1站用变低压侧无压、无流，380V0M母线有压，则合上400甲开关。#2备自投的动作逻辑和#1备自投类似。

2常见故障分析

2.1ATS故障分析

2.1.1内部故障（1M或3M母线故障）

ATS正常运行方式如图3所示，ATS1、ATS3均为自动切换方式。当#1M母线出现故障时，410开关保护动作跳开410，ATS1采集的电压不为O，因此ATS1不会动作，ATS3中的电压互感器监测到无压，则延时自动切换至#2站用变供电，保证了#3M母线所带负荷能够快速的恢复供电，而#1M母线失去电源，#1M母线所带的重要负荷（如开关电机储能电源），如果这时线路发生瞬时性故障，导致开关跳闸，有可能因电机储能未满足要求无法合闸，扩大了停电范围，因此需要及时处理故障；当#3M出现故障时，451开关保护动作跳开451，ATS3采集电压不为O，因此ATS3不满足动作条件，此时#3M母线会出现短暂停电，运行人员应根据现场开关动作情况及后台保护信息确认故障处，然后断开#3M母线上所有的负荷开关，同时将停电的负荷通过手动方式切换至#4M母线供电，从而提高了供电的可靠性，保证电网安全稳定运行。

2.1.2外部故障（ATS1至329开关处故障）

如图3所示，当#1站用变高压侧至329开关处发生故障时，开关过流保护动作跳开329开关，ATS1对应的电压互感器采集电压为零，满足动作条件，ATS1自动切换至#0站用变供电，由于ATS3动作时间整定值大于ATS1切换时间，因此ATS3不会动作，这种类型的外部故障，双ATS配置的自动切换装置有很大的优势，保证交流系统供电的快速性和可靠性。

2.2备自投故障分析

2.2.1内部故障（1M母线故障）

#1备自投正常运行方式如图4所示，备自投为双向运行方式（即#0站用变电源为#1站用电源备用，#1站用变电源也为#0站用电源备用），当发生380V1M母线故障时，401开关保护动作跳开401，#1备自投监测到380V1M无压，380V0M母线有压，但#1站用变低压侧有压，不满足备自投装置动作条件，因此不会扩大停电范围。但在处理#1M母线故障期间，380V1M母线上所带的全部负荷将失去电源，如果这时线路发生瞬时性故障，跳开对应的开关后，由于开关储能电机失去电源，导致开关无法合上，对电网安全稳定运行造成不良影响。

2.2.2外部故障（#1站用变至329开关处故障）

如图4所示，当#1站用变至329开关处发生故障时，329开关保护动作跳开329，#1备自投监测到380V1M母线无压，#1站用变低压侧无压、无流，380V0M母线有压，则满足备自投装置动作条件，合上400甲开关，由于故障依然存在，产生巨大的短路电流，流过站用变内部时，绕组中将产生巨大的电磁力，其值可达额定电磁力的400--900倍，使绕组的机械强度受到破坏；其次就是巨大的短路电流会使绕组发热，产生高温，可能使绕组烧毁。因此出现这类故障时400甲开关应可靠动作，如果400甲开关拒动，会导致故障越级跳闸，跳开外来电源400开关，延长了故障切除的时间，缩短主变寿命甚至有可能引起主变烧毁事故的发生。越级跳开400开关后，380V2M母线只有#2站用变供电，缺少了备用电源，降低了其供电可靠性。对于这类外部故障，应该在401开关处装设延时欠压脱扣装置，且#1备自投动作时间应大于欠压脱扣装置的延时时间。电力系统中大部分为瞬时性故障，通过延时可以躲过短时的电压波动，开关不会跳闸，当外部发生永久性故障时，延时欠压脱扣装置动作跳开401开关，这样就避免了备自投动作时对站用变造成再一次冲击。

3总结

为提高站用电交流系统供电可靠性，500kV变电站380V站用电交流系统常采用两种自动切换装置（ATS、备自投）。故障区域不同，它们的可靠性也略有差异。如表1所示:如发生内部故障时，交流系统采用双ATS配置的会造成部分负荷停电，因此停电范围相对较小，而备自投需要停故障母线，所有的负荷都会失去电源，停电范围较大；对于发生外部故障时，采用双ATS配置的几乎不会停电（短暂停电时间为ATS切换时间），而采用备自投会对主变再一次冲击，交流系统停电范围大。当采用备自投时，在站用变低压侧开关处加装延时欠压脱扣装置能够避免对主变再次冲击，但无法改变交流系统停电范围，因此500kV变电站站用交流系统采用双ATS配置装置优势非常明显。

参考文献：

[1]喻汝桥.380V站用交流电源系统自动切换试验探讨[J].技术与市场，2013,20（3）：38-39.

[2]樊红克.某500kV站用交流电源系统存在的问题分析及整改建议[J].电气工程与自动化，2013，21（19）：18-19.

[3]赵曙伟，高峰.双电源切换开关（ATS）在大型电站的应用分析[J].电气传动自动化，2015（2）：41-43.

[4]罗建军、罗朝阳、王军.220kV及以上变电站站用400V交流系统备自投电源开关延时整定的安全问题[J].电气工程应用，2010（2）：26-27.