從一起雷暴事故看繼電保護的優(yōu)化

顧黎明

（臺州電業(yè)局，浙江 臺州 317000）

隨著電力線路的不斷增加，極端惡劣天氣的頻繁出現(xiàn)，雷擊造成變電站設備損壞甚至導致事故進一步擴大的可能性大大增加。據(jù)有關資料統(tǒng)計，因雷擊線路造成的跳閘事故占電網(wǎng)總事故數(shù)的60%左右，而隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，電網(wǎng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求越來越高，對保護快速切除故障的要求也越來越嚴格。因此，如何采取措施有效地降低雷擊對電力系統(tǒng)造成的沖擊和對變電設備的損害，是迫切需要解決的問題。

1 雷暴事故分析

某日因受強雷暴天氣影響，浙江某500kV變電站周邊出現(xiàn)該地區(qū)近年來最嚴重的強雷暴天氣，并伴有7～9級的大風和強降雨，據(jù)氣象部門提 供 的 數(shù) 據(jù) ，16∶37-17∶02 之 間 ，220kV 塘 劍4335線、塘山4336線雙回線路矩形區(qū)域落雷次數(shù)1731次，其中雷電流幅值超過200 kA的雷有328個，300 kA以上的雷有2個，400 kA的雷有1個，導致該500kV變電站發(fā)生220kV正、副母Ⅰ段母線停電故障。

1.1 事故前的運行方式

事故前，500kV變電站2號、3號、4號主變并列運行，220kV接線為雙母雙分段接線方式，1號、2號母聯(lián)和正、副母分段斷路器合環(huán)運行，塘灣4333線、塘劍4335線、塘升4339線正母Ⅰ段運行；塘溫4334線、塘山4336線、塘谷4340線、2號主變220kV斷路器副母Ⅰ段運行；220kV正、副母Ⅱ段的線路、主變開關均按正常運行方式運行（見圖1）。

1.2 雷暴事故引起斷路器跳閘情況

16∶59-17∶02，保護動作跳開 220kV 1 號母聯(lián)斷路器、220kV正母分段斷路器和正母Ⅰ段上運行的塘灣4333線、塘劍4335線、塘升4339線斷路器，及220kV副母分段斷路器、220kV副母Ⅰ段上運行的塘溫4334線、塘山4336線、塘谷4340線斷路器和2號主變220kV斷路器，2條220kV母線失壓，潮流為零。

1.3 繼電保護動作過程及其行為分析

對本側塘劍4335線故障錄波圖（如圖2所示）進行分析，推斷故障發(fā)生經(jīng)過及繼電保護動作過程如下：16∶59∶14，塘劍 4335線首先發(fā)生 C 相接地故障，30 ms后線路兩側RCS901A，CSL101A保護正確動作，C相斷路器跳閘。301 ms后該線路C相再次遭受雷擊，343 ms塘劍4335線距離保護動作，因重合閘被閉鎖，保護加速三跳，塘劍4335線三相斷路器跳開；與此同時雷電波沿線路入侵，到達塘劍4335線斷路器后，在C相斷路器斷口處發(fā)生全反射，形成的過電壓導致本側C相斷路器擊穿重燃，由于故障電流繼續(xù)存在，且線路保護動作后未返回，經(jīng)200 ms延時后失靈保護動作，第1時限跳開連接于220kV正母Ⅰ段上的1號母聯(lián)和正母分段斷路器，并重跳本斷路器 （實際上本斷路器三相斷口已斷開），第2時限（即400 ms后）跳220kV正母Ⅰ段所有出線斷路器，220kV正母Ⅰ段失電。與此同時，運行于該段母線的塘灣4333線、塘升4339線通過失靈強迫停信使對側保護動作跳閘。

對本側塘山4336線故障錄波圖（如圖2所示）進行分析，推斷故障發(fā)生的經(jīng)過及繼電保護動作過程如下：在塘劍4335線第1次被雷擊的同時，塘山4336線（同桿雙回線）也受到雷電波的侵入，兩側線路高頻零序保護雖動作，但由于侵入的雷電電流幅值相對較低（電流為1.5 kA），選相不成功，經(jīng)過480 ms后，才因高頻零序保護選相失敗三跳出口，跳開塘山4336線路兩側三相斷路器。17∶01∶23，塘山 4336線再次遭受雷擊，線路保護動作，與此同時雷電波沿導線入侵，在塘山4336線斷路器斷口處發(fā)生全反射，形成的過電壓導致本側斷路器A，C兩相外絕緣破壞（A相瓷瓶外殼有明顯燒灼痕跡，C相瓷瓶裙邊爆裂），A，C兩相同時接地。由于故障點處于220kV副母Ⅰ段母差保護范圍內(nèi)，142 ms后副母Ⅰ段母差保護正確動作，跳開220kV副母分段、2號主變220kV斷路器和連接于該母線的所有出線斷路器，220kV副母Ⅰ段失壓。與此同時，運行于該段母線的塘溫4334線、塘谷4340線通過母差強迫停信使對側保護動作跳閘。

圖2 塘劍4335線、塘山4336線16∶59故障錄波波形

1.4 雷暴事故造成的危害

此次雷暴事故持續(xù)時間長、故障點多、涉及面廣、繼電保護動作過程復雜，尤其是故障發(fā)展為220kV母差及斷路器失靈保護動作后，不僅使系統(tǒng)電壓短時嚴重降低，對整個220kV系統(tǒng)電網(wǎng)造成很大沖擊，還導致另一個220kV變電所全所失壓，嚴重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。另外，雷暴事故對變電站設備損害較大，本側塘山4336線斷路器本體A相外瓷瓶有明顯燒灼痕跡，C相瓷瓶裙邊爆裂，碎片散落在四周；塘劍4335線斷路器C相斷口被擊穿；塘劍4335線B相、塘山4336線A相電流互感器損壞。同時還造成對側變電站塘山4336線斷路器本體損壞，塘劍4335線B相、C相以及塘山4336線C相電流互感器損壞。

圖1 事故前220kV系統(tǒng)運行方式

2 繼電保護優(yōu)化的探討

2.1 配置220kV斷路器斷口擊穿保護

在本次雷暴事故中，220kV正、副母Ⅰ段的失電原因均是由于線路在前一次雷擊后已跳開三相斷路器，但在線路再次遭到強雷電襲擊時，雷擊造成設備的損壞部位有差異，繼電保護動作行為也有所不同。220kV正母Ⅰ段失電原因在于，塘劍4335線斷路器斷口發(fā)生擊穿重燃，最終通過220kV斷路器失靈保護動作來切除故障，故障切除時間（400 ms）偏長，導致220kV電壓嚴重跌落，對系統(tǒng)造成很大沖擊。220kV副母Ⅰ段失電則因線路斷路器A，C兩相瓷套外絕緣被擊穿，造成A，C兩相接地，而故障點處于220kV副母Ⅰ段母差保護范圍內(nèi)，母差保護動作快速切除故障，相對而言，對系統(tǒng)造成的沖擊也較小。

鑒于上述情況，有必要考慮通過優(yōu)化繼電保護，使220kV正母Ⅰ段線路斷路器斷口被擊穿重燃后也能同220kV副母Ⅰ段一樣在盡可能短的時間內(nèi)快速切除故障。但是，在目前所配置的220kV系統(tǒng)繼電保護功能條件下，220kV線路斷路器斷口被擊穿重燃后只能依靠斷路器失靈保護動作切除，故障時間偏長。為快速切除斷路器斷口發(fā)生擊穿的特殊故障，可以借鑒發(fā)電機斷路器斷口閃絡保護的設計理念，在每個220kV線路斷路器保護中增設1套斷路器斷口擊穿保護，以縮短切除類型故障所需的時間。

220kV線路斷路器斷口擊穿保護原理為：當斷路器單相或多相斷路器斷開后，若仍有該線路保護動作信號，且斷開相故障電流判別元件啟動不返回，則斷路器斷口擊穿保護動作經(jīng)母線的隔離開關位置開入相應的母線保護，再經(jīng)該段母線的復合電壓閉鎖元件閉鎖，經(jīng)100 ms延時后，通過母差出口回路跳開該段母線上的母聯(lián)、母分、所有線路和主變的三相斷路器，并閉鎖上述線路斷路器的重合閘，以達到快速切除故障的目的。其動作邏輯可以通過圖3實現(xiàn)。

為了防止斷路器輔助接點誤開入導致斷路器擊穿保護不正確動作，需同時引入斷路器三相常開輔接點和常閉輔接點，兩者相互校驗以提高保護的可靠性，其中常開接點取“反邏輯”，當斷路器閉合后閉鎖斷路器斷口保護。

斷路器斷口擊穿保護功能可在220kV斷路器保護裝置中實現(xiàn)，因為它與斷路器失靈保護相比，兩者啟動判據(jù)的主要區(qū)別在于斷路器斷口保護增加了分相斷路器的分閘位置判別條件，其他判據(jù)與失靈保護判據(jù)相同，所以在保護硬件上可充分利用斷路器失靈保護的動作開入和故障相電流判別元件，只要在斷路器微機保護中增加1個斷口擊穿保護的邏輯功能模塊即可實現(xiàn)。

圖3 斷路器斷口擊穿保護及失靈保護智能化跳閘方式邏輯功能圖

雖然斷路器斷口擊穿保護與失靈保護啟動后都將保護開出信號送至母線保護內(nèi)，但由于失靈保護出口后需延時200 ms跳開母聯(lián)和母分斷路器，并重跳1次本斷路器，若故障點仍無法切除，則再延時200 ms跳開連接于該母線上的所有線路斷路器和主變斷路器；而斷路器斷口擊穿保護因為已有各分相斷路器的分閘位置判別條件，故無需重跳1次本斷路器，經(jīng)100 ms延時后出口直接跳開連接于該母線上的母聯(lián)和母分斷路器、所有線路斷路器和主變斷路器。由于出口跳閘的延時時間和跳閘的方式的不同，因此兩者的出口回路必須分開。

2.2 220kV失靈保護智能化跳閘方式

按照目前失靈保護的功能配置，只要滿足有電氣量保護動作和故障相電流判別元件啟動這2個條件，220kV失靈保護無論由于什么原因啟動，均經(jīng)母線隔離開關位置判別和復合電壓閉鎖開放后出口，第1時限跳開母聯(lián)和母分斷路器，并重跳1次本斷路器，第2時限跳開連接于該母線上的所有線路斷路器和主變斷路器。當線路斷路器被油壓或氣壓閉鎖在先，系統(tǒng)發(fā)生故障在后，若斷路器失靈保護仍經(jīng)上述跳閘邏輯第1時限先跳母聯(lián)、母分斷路器和重跳本斷路器后，第2時限再跳相鄰斷路器切除故障，則會造成切除故障時間偏長的結果，這顯然不利于220kV系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，可以考慮將失靈保護動作邏輯按照斷路器拒動的原因不同，智能化地采用不同的跳閘出口邏輯。

若線路斷路器被閉鎖在先，系統(tǒng)發(fā)生故障在后，斷路器失靈保護不經(jīng)過常規(guī)的失靈保護動作時間（400 ms）延時，直接經(jīng)斷口擊穿保護出口回路，經(jīng)100 ms延時后跳開相鄰斷路器。因為在線路斷路器已被閉鎖的情況下，系統(tǒng)再發(fā)生故障，繼電保護動作出口，肯定無法將已閉鎖的斷路器跳開，再重跳1次本斷路器和先切除母聯(lián)和母分斷路器已無任何意義。而對于系統(tǒng)發(fā)生故障保護動作在先，但斷路器無法跳閘（如保護跳閘出口回路斷線、壓板漏放，因跳閘瞬間振動引起的油壓、氣壓瞬間降低等原因）在后，則仍按常規(guī)的失靈保護動作邏輯延時出口跳閘。上述動作邏輯可以通過圖4實現(xiàn)。

其原理為：當本斷路器先被（油壓或氣壓）閉鎖時，它送1個輸入給與門3，與門3有輸出，作為與門1的一個輸入，同時送1個否邏輯閉鎖與門2，與門2被閉鎖后無輸出，經(jīng)否邏輯后送1個輸入給與門3作為自保持。這種情況下系統(tǒng)又發(fā)生故障，失靈保護啟動，作為與門1的1個輸入，與門1收到它和與門3的輸入后，直接通過斷路器斷口擊穿保護跳閘出口邏輯經(jīng)100 ms延時后快速跳開連接于該母線上的母聯(lián)和母分斷路器、所有線路斷路器和主變斷路器。而不經(jīng)失靈跳相鄰斷路器時間400 ms延時后跳開相鄰斷路器切除故障。

圖4 220kV失靈保護智能化跳閘方式邏輯功能圖

若系統(tǒng)有故障，失靈保護動作在先時，作為與門1的1個輸入，同時送1個輸入給與門2，由于此時斷路器未被閉鎖，即無輸出，經(jīng)否邏輯后送1個輸入給與門2，這樣與門2就有1個輸出，經(jīng)否邏輯閉鎖與門3，與門3保持無輸出且自保持，那么與門1一直無輸出，則失靈保護動作不能經(jīng)斷路器斷口擊穿保護出口，只能經(jīng)常規(guī)的失靈跳閘回路第1時限（200 ms）重跳1次本斷路器，并跳開母聯(lián)和母分斷路器，第2時限（400 ms）跳開連接于該母線上的所有線路斷路器和主變斷路器。

3 結語

增設220kV斷路器斷口擊穿保護、220kV失靈保護智能化跳閘方式等繼電保護改進方案，可以彌補在極端故障條件下傳統(tǒng)的斷路器失靈保護切除故障時間偏長的不足，降低故障對系統(tǒng)的沖擊和設備的損害程度，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

[1]王梅義，吳競中，蒙定中.大電網(wǎng)系統(tǒng)技術[M].北京∶中國電力出版社，1995.

[2]王慶功.對輸電線路雷擊故障及防雷措施的探討[J].廣東科技，2009（18）∶156-158.

[3]姚仲煥，陳水耀，屠黎明.斷口閃絡保護的設計與工程應用[J].繼電器，2008，36（7）∶99-103.

[4]丁文俊，林建欽，王正國.二起斷路器遭受雷擊損壞的事故分析[J].浙江電力，2009，28（3）∶69-71.