一起方向性零序過流保護誤動事故的分析及事故預(yù)防

何方明，陳 晶，馬成廉，李大鵬，康永生

（1.國網(wǎng)北京市電力公司檢修分公司，北京 100071；2.國網(wǎng)北京電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100086；3.東北電力大學(xué) 輸變電技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132012）

0 引 言

目前，零序保護是國內(nèi)使用最廣泛、有效的快速保護之一，在發(fā)展性故障、高阻接地等故障時具有重要作用。由于影響零序電流保護正確動作的因素很多，分析其保護動作行為時要綜合考慮各種條件。其中，中性點接地方式的配置，是影響零序保護的重要因素之一[1-3]。

電力系統(tǒng)中，中性點接地方式的配置非常重要，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定影響很大，主要有以下兩個方面。

（1）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障且一部分處于失地情況時，不接地變壓器中性點和變壓器線端均會產(chǎn)生較高幅值的工頻穩(wěn)態(tài)過電壓，威脅變壓器中性點和線端設(shè)備，須采取保護措施加以保護。

（2）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障而引起變壓器中性點間隙擊穿放電接地時，將改變110 kV零序序網(wǎng)結(jié)構(gòu)，而整定計算是按改變前的零序序網(wǎng)整定的，沒有考慮變壓器中性點間隙擊穿后的情況，使其零序電流超過了保護定值，從而造成相關(guān)保護不必要跳閘，降低了供電的可靠性。

因此，研究如何預(yù)防變壓器中性點間隙擊穿和如何在變壓器中性點擊穿后防止零序保護元件誤動作，具有重要意義。

近年來，變壓器中性點間隙擊穿對零序保護的影響呈上升趨勢，應(yīng)引起電網(wǎng)運行部門的重視[4]。曾經(jīng)某電網(wǎng)出現(xiàn)過一起因為110 kV線路出口不遠(yuǎn)處發(fā)生A相接地故障而造成變壓器中性點擊穿，繼而引起同桿架設(shè)的非故障線路方向性零序過流保護誤動跳閘的事故。本文將重點對此事故進行深入分析，詳細(xì)探究其發(fā)生的原因，并提出針對性的防范措施。

1 某電網(wǎng)方向性零序過流保護誤動事故分析

該110 kV系統(tǒng)運行方式為電廠Ⅰ、變電站Ⅱ、變電站Ⅲ合環(huán)運行，變電站Ⅱ雙回線帶變電站Ⅳ，變電站Ⅲ單回線帶變電站Ⅵ，變電站Ⅴ沒有接入該系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)運行方式接線分析圖

1.1 事故經(jīng)過簡介

110 kV Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)出口不遠(yuǎn)處發(fā)生A相接地故障，19 ms后該線路Ⅱ側(cè)方向性零序過流一段保護動作，70 ms后開關(guān)跳閘。隨之，流過Ⅰ-Ⅲ線路的零序電流出現(xiàn)反向。96 ms后Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)方向性零序過流保護一段誤動作，140 ms后開關(guān)跳閘；接著，Ⅰ-Ⅱ線路Ⅰ側(cè)方向性零序過流二段保護動作，開關(guān)跳閘，四站失壓。Ⅰ-Ⅲ、Ⅰ-Ⅱ線路開關(guān)分別重合后，由于故障點沒有消失，3 865 ms后Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)、Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)、Ⅰ-Ⅱ線路Ⅰ側(cè)保護再次動作，開關(guān)跳閘，造成區(qū)域系統(tǒng)解列的惡性事故。

1.2 零序保護動作分析

1.2.1 110 kV Ⅰ-Ⅱ線路保護動作分析

由現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)出口不遠(yuǎn)處發(fā)生A相金屬性接地故障。19 ms后，Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)，零序電流達(dá)到19.50 A（以下部分如無特殊說明均為二次值），超過零序一段保護定值（10 A）[5]，零序一段出口70 ms后開關(guān)跳閘。1 491 ms后，Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)開關(guān)重合，由于故障點尚未消失，Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)零序電流仍然達(dá)到17.13 A，超過零序一段保護定值，開關(guān)再次跳閘。

對于Ⅰ-Ⅱ線路Ⅰ側(cè)，故障后其零序電流達(dá)到8.063 A，超過零序過流二段保護定值（5.650 A），305 ms后零序二段出口開關(guān)跳閘。1 565 ms后開關(guān)重合，由于故障沒有消失，4 184 ms后Ⅰ-Ⅱ線路Ⅰ側(cè)保護再次動作，開關(guān)跳閘。

1.2.2 110 kV Ⅰ-Ⅲ線路保護動作分析

由現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，故障開始的70 ms內(nèi)，Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)零序電流雖然滿足定值動作條件，但方向為反方向，保護不動作。故障后70 ms，Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)保護動作，開關(guān)跳閘，隨之Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)的零序電流相位反向（見圖2變電站Ⅲ現(xiàn)場錄波波形），零序電流8.05 A，96 ms后Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)保護誤動，140 ms時開關(guān)跳閘，1 361 ms開關(guān)重合，由于此時穿越電流沒有消失，導(dǎo)致Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)保護再次誤動作，開關(guān)跳閘。

圖2 變電站Ⅲ錄波波形

1.2.3 變電站Ⅳ保護動作分析

由變電站Ⅳ故障錄波數(shù)據(jù)可知，110 kV Ⅱ-Ⅳ線雙回線路A、B、C三相均有故障電流，且相位為同相位。同時，1、2號主變保護高壓側(cè)也存在零序電流，如圖3、圖4所示。

實地勘察變電站Ⅳ1、2號主變的中性點間隙，均發(fā)現(xiàn)明顯的放電痕跡，即零序電流流向該中性點。圖5為變電站Ⅳ1、2號主變的中性點間隙球放電痕跡照片。

圖3 Ⅱ-Ⅳ線各相電流波形

圖4 變電站Ⅳ1、2號主變錄波

圖5 變電站Ⅳ1、2號主變的中性點間隙球放電痕跡照片

綜上所述，可以得到該保護誤動是由三個條件綜合影響形成的，即：

（1）110 kV Ⅰ-Ⅱ線Ⅱ側(cè)出口不遠(yuǎn)處發(fā)生A相接地故障；

（2）變電站Ⅳ1、2號主變中性點間隙擊穿；

（3）110 kV Ⅰ-Ⅱ線兩側(cè)開關(guān)不同時跳閘。

2 ATP仿真深入分析

采用實際線路參數(shù)，用ATP仿真軟件搭建模型，對該事故進行深入分析。具體地，本次事故仿真分為兩個階段。

（1）Ⅰ-Ⅱ線路離Ⅰ側(cè)19.35 km處，50 ms發(fā)生A相金屬性接地故障。故障發(fā)生瞬間，變電站Ⅳ1、2號主變中性點間隙擊穿，電阻為j5 Ω。

（2）故障發(fā)生60 ms后，Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)斷路器跳閘。

本次事故中，Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)方向性零序過流一段出現(xiàn)誤動。誤動的保護裝置中，零序電流保護原理邏輯如圖6所示，其中零序一段判據(jù)為I0＞IZ（I=0.96kA），零序方向元件的動作判據(jù)為18°≤arg(3I0/3U0)≤ 180°。

圖6 零序電流保護原理邏輯

采用全波傅氏算法實現(xiàn)以上判據(jù)，Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)的仿真結(jié)果如圖7所示。圖7（a）中，水平直線表示零序電流一段的門坎值。圖7（b）中，水平直線上方表示零序方向正方向，下方表示零序方向反方向。

圖7 Ⅰ-Ⅲ線Ⅲ側(cè)零序電流保護

由圖7可知，50 ms發(fā)生故障后，Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)的零序電流很快超過零序過流I段保護的門坎值，滿足動作條件。但是，此時零序方向元件判斷為反方向，因此保護不動作。110 msⅠ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)斷路器跳閘后，零序方向元件判為正反向，又由于零序電流I段條件滿足，于是保護出現(xiàn)誤動。由此可知，Ⅰ-Ⅱ線Ⅱ側(cè)斷路器跳閘后，零序電流反向是本次事故的重要特征。因此，下面將結(jié)合故障后的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖對其進行詳細(xì)分析。

與該系統(tǒng)其他阻抗相比，變電站Ⅳ中性點擊穿后對應(yīng)的接地阻抗相對較大。因此，變電站Ⅳ中性點擊穿相當(dāng)于變電站Ⅱ經(jīng)一較高阻抗接地，由此可得斷路器跳閘前后零序電流的流向，如圖8所示。

圖8 Ⅰ—Ⅱ線Ⅱ側(cè)斷路器跳閘前后零序網(wǎng)絡(luò)

由圖8可知，變電站Ⅳ中性點擊穿后，Ⅰ-Ⅱ線Ⅱ側(cè)斷路器跳閘是導(dǎo)致Ⅰ-Ⅲ線Ⅲ側(cè)零序電流出現(xiàn)反向的重要原因。又由于Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ線路為同桿雙回線路，考慮雙回線零序互感[6-9]，則Ⅰ-Ⅱ線Ⅱ側(cè)跳閘后的零序網(wǎng)絡(luò)如圖9所示。

不考慮相間零序互感時，Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)的零序保護結(jié)果如圖10所示。與圖7（a）比較可知，零序互感在跳閘前后所起的作用不同。具體地，跳閘前使零序電流幅值降低，跳閘后使零序電流幅值增大。

圖10 不考慮零序互感時Ⅰ—Ⅲ線Ⅲ側(cè)零序電流保護

綜上所述，故障瞬間變電站Ⅳ中性點電壓擊穿和Ⅰ-Ⅱ線Ⅱ側(cè)斷路器跳閘，是造成Ⅰ-Ⅲ線Ⅲ側(cè)零序方向元件動作的主要原因。Ⅱ側(cè)斷路器跳閘前，Ⅰ-Ⅲ線Ⅲ側(cè)零序方向元件判為反向，此時即使零序電流I段條件滿足，保護也不會動作。Ⅱ側(cè)斷路器跳閘后，零序網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，造成Ⅰ-Ⅲ線Ⅲ側(cè)零序方向元件判為正向。此時，由于跳閘后零序互感使非故障線路零序電流幅值增大，最終超過其零序電流一段的保護定值，從而造成了保護的誤動作。

3 預(yù)防措施

基于對本次事故的深入分析，提出以下預(yù)防措施。

第一，針對零序過流保護不能全線速動、故障后線路兩側(cè)出現(xiàn)不同時跳閘的情況，可在故障后本側(cè)方向性零序過流保護判斷區(qū)外故障時就將其閉鎖，待其躲過線路零序過流二段的動作時間后再將其投入。采用該方案后，Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)保護在Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)跳閘前就被閉鎖，不會出現(xiàn)誤動情況。保護邏輯原理，如圖11所示。

圖11 原理框圖

第二，利用零序阻抗的變化特征。故障后零序網(wǎng)絡(luò)變化時，保護安裝處對應(yīng)的正向零序阻抗會發(fā)生變化，可利用此變化特征閉鎖零序過流保護。

第三，配置光纖電流差動保護。本次誤動為Ⅰ-Ⅱ線Ⅱ側(cè)出口不遠(yuǎn)處發(fā)生A相接地故障。Ⅰ-Ⅲ線屬于區(qū)外故障，因此兩端電流和一直為0。故障70 ms后，Ⅰ-Ⅱ線Ⅱ側(cè)跳閘。由于是區(qū)外斷路器跳閘，此時Ⅰ-Ⅲ線路兩側(cè)電流也一直為0。由此可知，若采用電流差動保護，在本次事故中，Ⅰ-Ⅲ線路兩側(cè)保護也都會可靠不動作。因此，大力推廣光纖差動保護，使其代替零序方向保護，即可解決此類問題。

第四，距離保護利用了短路時電壓、電流的變化特征，所以可通過測量故障阻抗來確定故障所處的范圍，使保護區(qū)穩(wěn)定，且方式的靈敏度高，動作情況受電網(wǎng)運行方式變化影響也較小。因此，可以用接地距離替代零序保護。

4 結(jié) 論

本文主要介紹和分析了某110 kV電網(wǎng)由于故障后零序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化造成非故障線路方向性零序過流保護誤動跳閘的事故，得到以下結(jié)論：

（1）故障瞬間變電站Ⅳ中性點電壓擊穿和Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)斷路器先跳閘，是造成Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)零序方向元件動作的主要原因。Ⅱ側(cè)斷路器跳閘前，Ⅰ-Ⅲ線路Ⅲ側(cè)零序方向元件判為反向，此時即使零序電流I段條件滿足，保護也不會動作。Ⅱ側(cè)斷路器跳閘后，零序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成Ⅰ-Ⅲ線Ⅲ側(cè)零序方向元件判為正向，滿足零序方向元件的動作條件。

（2）同桿雙回線零序互感將對零序電流元件造成影響。本事故中，Ⅰ-Ⅱ線路Ⅱ側(cè)斷路器跳閘后，零序互感對Ⅰ-Ⅲ線路的零序電流起助增作用，使其超過零序電流I段的保護定值，滿足零序電流元件的動作條件。

（3）本次保護誤動涉及零序方向元件和零序電流I段的配合問題。跳閘后，Ⅰ-Ⅲ線保護Ⅲ側(cè)零序電流方向元件判為正向，零序電流幅值超過零序電流I段保護定值。由于零序方向元件和零序I段的動作條件都滿足，因此保護出現(xiàn)誤動?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)和ATP仿真對比，驗證了以上分析的正確性。

（4）針對故障分析的結(jié)果，提出了預(yù)防措施：故障后方向性零序過流保護判斷為區(qū)外故障時，可短時將閉鎖，待躲開線路零序過流二段的動作時間后再將其投入；故障后零序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化時，利用保護安裝處對應(yīng)的正向零序阻抗發(fā)生變化的特征，閉鎖零序過流保護；配置光纖差動保護；采用接地距離保護替代零序保護。

以上措施均經(jīng)過仿真驗證，能夠有效防止此次事故的發(fā)生。

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