备自投工作原理浅析

黄文辉，于庆瑞，王军

（甘肃长城氢能源工程研究院，甘肃 天水 741024）

备自投是重要的电气二次设备，保证了在具备双电源不同回路供电的情况下实现双电源的自动切换，确保其中一条回路发生故障时，另一条回路电源自动接入对负载可靠供电。在备自投的应用中，要注意备自投动作的条件判断，防止备自投拒动、误动作造成事故范围扩大。确保设备的可行性，实现电力系统更好、更快、更安全地运行。备自投是电力系统能够可靠、快速、安全运行强有力的保障，在电气系统中发挥着及其重要的作用。

1．1 备自投的作用

备自投是备用电源自动投入装置的简称，是电力系统中重要的电气二次设备[1]。在具备双电源的条件下，当其中一路工作电源发生故障断开后，备自投装置快速地将另一路电源投入运行[2]，最大限度地减小用电单位因线路故障而产生影响，以免造成财产损失及人身伤亡事故（尤其对于石化、冶金、钢铁等一、二级负荷），从而提高供电系统的可靠性。

备自投装置按照运行方式的不同分为分段备自投和进线备自投。其中分段备自投为两条母线均正常工作，当其中一段母线发生故障时，另一段母线通过备自投闭合母联开关给故障母线供电；
进线备自投为两路电源进线线路，其中一路线路正常工作，另一路备用，当正常工作的这条线路发生故障时，另一路备用电源通过备自投投入供电[3]。

1．2 备自投装置的工作原理分析

电力系统中简单、典型的备自投工作方式，对于更加复杂的备自投接线，都可以认为是简单工作方式的合成。

某供电线路35kV供电系统为单母线分段供电，分别来自不同的110kV变压器。35kV供电系统主接线图如图1所示。

图1 35kV供电系统主接线图

图1中，4QF、5QF分别为两段110kV的进线开关，1QF、2QF为两段35kV的进线开关，3QF为两段35kV母线的连接开关，CT1、PT1为I段母线的电流和电压，CT2、PT2为II段母线的电流和电压，1L0、2L0为110kV零序电流。

备自投装置动作的依据是取进线电流，两段母线电压互感器的电压和进线PT电压，取单相电流是判断进线回路是否有电流，因为有电压不一定有电流，而有电流一定有电压[4]；
取进线PT电压是为了判断进线电缆或进线桥侧是否有电压，作为自投准备及动作的辅助判据。备自投动作逻辑图如图2所示。

图2 备自投动作逻辑图

当35kV I段母线进线断路器1QF或者110kV进线断路器1QF事故跳闸，检测到I段母线CT1无电流、PT1无电压，则备自投装置开始动作，跳闸1QF，然后合3QF，通过II段母线对I段母线负载供电，保证了负载正常运行。Ⅱ段母线失电时其动作逻辑相似。

1．3 备自投的使用原则

（1）只有工作电源确认被跳开以后，备用电源才能正式投入使用，备自投采用延时动作，在确认进线断路器断开在跳位后，才能进行后续的逻辑动作，这样可以防止反送电的发生。

（2）当备用电源故障无压时，应闭锁备自投。

（3）备自投应有闭锁功能，可以防止工作电源因故障跳闸时，备自投误动作，从而造成事故范围的扩大[5]。

（4）人工断开工作电源时，备自投不允许动作。

（5）备自投只允许动作一次。

在工作电源发生故障时，备自投动作将备用电源投入使用，但工作中发生跳闸的情况很多，比如发生短路、接地、电器元件故障、手动断开工作电源等，需要备自投判断是哪种情况造成的，从而决定是否动作。

2．1 备自投与自动重合闸的配合时限问题

某变电站35kV线路主接线图简化图如图3所示，其中两段母线互为暗备用，35kV I、II母线均正常投入使用，分段断路器3DL断开，35kV I、II母线互为备用[6]。正常情况下当其中一段母线失去电压时，备自投动作将故障段的断路器断开，闭合母联断路器3DL即可完成备自投的投切工作。可此时该电站1DL故障跳闸（发生永久性故障）后[7－8]，备自投动作闭合 3DL，2S 以后 1DL 重合闸动作再次合闸，引起I段110kV变压器、和2DL跳闸，导致35kV整条线路断电，停电范围扩大。经后续原因分析，备自投未闭锁1DL线路重合闸，导致停电范围扩大。备自投动作整定时限应长于重合闸动作时限。当1DL故障跳闸（发生瞬时故障）时，按照上述的动作时限，会导致110kV电网发生非预期的合环运行。因此重合闸动作时限应＞（线路保护最大动作时限＋重合闸动作时限＋后加速动作跳闸时限）。

图3 某变电站35kV主接线图简化图

2．2 备自投与继电保护的整定配合关系

如图4所示，为某变电站220kV主接线图，其中进线1为工作线路，进线2为备用线路，一般配置有线路保护、母差保护、断路器失灵保护等。

图4 某变电站220kV主接线图

正常工作时1QF在合闸位置，2QF在分闸位置，3QF在合闸位置。当进线1在A点发生短路故障时[9]，线路保护动作，跳掉开关 1QF。

（1）若故障点A为瞬时性故障，则重合闸动作，1QF重新合闸，此时线路恢复正常，备自投闭锁不再动作。

（2）若故障点A为永久性故障，线路保护动作使1QF跳开，此时重合闸动作，1QF重新合闸，但线路保护再次使1QF断开，然后备自投动作，闭合2QF。

（3）若故障点A发生永久性故障，线路保护动作发出指令，此时1QF拒动，则断路器失灵保护动作，1QF跳闸（此时闭锁重合闸），然后备自投动作，闭合2QF。

备自投能否起到关键性的切换作用，二次保护之间的时限整定配合关系尤为重要。线路、母差保护的范围为整个线路。断路器失灵保护作为线路保护、母差保护的后备保护，而备自投的动作时间应长于断路器的失灵保护。上一级的继电保护动作时限应高于下一级的动作时限，否则将跳掉上级开关，使事故范围扩大。因此，备自投的动作时限应高于其他保护的动作时限。

使备自投发生误动、拒动的原因很多，通常是在要求闭锁的状况下不闭锁，不闭锁的情况下闭锁，故能否按要求闭锁直接关系到备自投的动作是否正确[10]。

备自投是在工作线路出现故障或其他问题使工作电源断开后，将备用电源投入工作的二次设备。但在实际工作中工作电源的断开有多种方式，例如手跳、遥跳、保护跳闸、PT断线等，都需要闭锁备自投防止误动的发生[11]。

手跳、遥跳是工作人员发出的动作需要对线路进线检修、设备更换等，此时备自投应该闭锁防止备用电源投入使用，对人员造成伤害。其原理图如图5所示，只需在设备中接入手跳、遥跳信号，闭锁备自投即可。在备自投外部开入中加入手跳、遥跳不仅提高了工作效率，也防止了误操作的发生，提高了供电的可靠性。

图5 手跳、遥跳闭锁备自投原理图

保护跳闸是保护装置检测到工作电源出现故障，从而将电源断开。在此过程中若没有将保护动作信号接入备自投中，则备自投检测到电源跳闸，将会投入备用电源，造成上级线路跳闸，事故范围扩大。把保护动作信号接入备自投开入量，以设备内部自由逻辑分辨是否需要闭锁备自投，具有普遍适用性。

电源母线失压是备自投动作的重要条件之一，母线PT断线则会牵扯到备自投母线电压的采集，因进线电源空载、轻载运行，工作进线正常电流小于备自投设定的最小电流值，且隔离刀闸或母联断路器辅助接点损坏时，造成二次母线压，高压侧母线电压为0，引起备自投误动[12]。

为防止装置误动，备自投装置设有PT断线判断功能，在发生上述状况时闭锁备自投。母线PT断线逻辑判断图[13]如图6所示。母线PT断线采集的是线电压降低和负序电压升高相或的判断依据[14]，10s 后发出告警信号。

图6 母线PT断线逻辑判断图

当主变低压侧有并网小水电时，一次接线示意图如图7所示。

图7 一次接线示意图

当主变1负荷侧带有并网的小水电电源，在备自投没有同期检测的功能时，备自投动作会造成小水电电源与进线电源非同期并列，故需先切除掉并网小水电电源然后使备用电源投入，当备自投装置不具有修改功能时，对原有电路图进行设计改造，达到可以切掉小水电电源的要求[15]。

该电站现配置CSD－215A备自投装置一台，采用双进线，进线1和进线2互为备用的方式，动作条件如下：

（1）110kVI段母线无压。

（2）110kVI段母线没有电流。

（3）110kVII段母线有压。

（4）进线断路器DL1处于合闸位置，延时跳开DL1开关。

（5）母联断路器DL3处于分闸位置，延时合闸DL3开关。

水电站改造后使用上述方案，备自投在切换电源时存在与小水电非同期并列的风险，导致系统间功率振荡，扰乱整个系统运行，甚至小水电系统发生小牛拉大车的现象造成系统崩溃。原有备自投回路图如图8所示，只能进行DL1和DL2之间的跳合，无法对小水电DL7进行联切功能，故需进行改造。

图8 原有备自投回路图

为了使备自投装置在切换进线II之前可以切掉小水电DL7，需设计在跳DL1或者DL2开关时联切DL7的逻辑。设计后的备自投回路图如图9所示，在原有的出口回路增加中间继电器ZJ1、ZJ2，用来扩展跳闸节点。其辅助节点ZJ1－1、ZJ2－1经过压板10KXB、12KXB控制跳进线断路器DL1、DL2。辅助节点 ZJ1－2、ZJ2－2经过压板 14KXB 联跳小水电DL7，达到在备自投动作时联切小电源的目的。小水电DL7断路器跳闸接点应接入备自投装置，备自投装置必须在收到小水电联络线断路器跳闸信息后，方可动作。

图9 设计后的备自投回路图

无论互备运行方式还是主备运行方式，都可能存在备自投装置误动、拒动的风险。在电气原理的基础上进行如下分析：

（1）工作电源与备用电源母线电压在备自投装置上接反，备自投不动作[16]。其中工作电源母线故障失压、备用电源母线正常工作，装置此时不能正确判断工作电源母线失压，故备自投不动作。这种情况很少出现。

（2）工作电源与备用电源母线进线柜进线PT电压信号接反引起装置拒动。工作电源进线及其母线失去电压后，由于工作电源进线电压信号错搭接在了备自投备用电源进线电压信号的开入位置，备自投错误的判断为备用电源进线及母线没有电压，故拒动。

（3）工作电源与备用电源母线进线电压回路在原理图设计回路编号上没有多大的区别，所以很容易造成接线的错误。在装置回路试验、检修时通过断开母线电压信号用来切除故障很难找到有问题的接线。

（4）备自投装置的电流、电压整定值都是根据变电站、企业用户的负荷情况而定，但电力负荷时常变化，如果有电流、电压整定值满足不了闭锁所需要的条件，同时由于二次回路短路造成空气开关动作，则会导致备自投认为母线失去电压而误动作。

本文分析了备自投的工作原理，以及备自投与线路保护、重合闸装置的时限配合问题，备自投的动作时限是高于其他保护的动作时限之和。分析了闭锁备自投的几种情况，以防止发生误动造成更大的损失。通过探讨备自投误动、拒动可能存在的几种状况，分析误动、拒动的原因，对备自投如何联切小水电的方式进行了设计改造。该研究提高了供电的可靠性，保证了电力系统安全可靠地运行。