一起線路高阻接地故障引起的主變?cè)郊?jí)跳閘事故分析

尹超勇，徐浩，許立強(qiáng)，李輝

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

0 引言

單相接地故障是電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的故障[1-8]，當(dāng)輸電線路發(fā)生單相高阻接地故障時(shí)，由于電壓降低，三相線間電壓依然幾乎對(duì)稱，同時(shí)故障電流一般較小，零序電流也較小[9-10]。若線路長(zhǎng)時(shí)間帶高阻接地故障運(yùn)行，可能導(dǎo)致相間絕緣擊穿，最終轉(zhuǎn)化為相間故障，故障范圍擴(kuò)大。由于高阻接地故障特征量不明顯，因而保護(hù)的啟動(dòng)和動(dòng)作困難，影響保護(hù)動(dòng)作的靈敏性，給保護(hù)二次分析與故障查找?guī)?lái)極大困難[11-13]。對(duì)此，分析了一起典型的110 kV電網(wǎng)高阻接地故障，其故障過(guò)程中的故障電流特征和保護(hù)動(dòng)作行為為高阻接地故障分析研究和保護(hù)裝置算法設(shè)計(jì)提供參考[14-15]。

1 事故簡(jiǎn)述

2018年某220 kV變電站某110 kVⅡ母一條出線發(fā)生高阻接地故障，該線路保護(hù)距離因不滿足條件未動(dòng)作，由于故障電流周期性間斷增大的原因零序保護(hù)也未動(dòng)作。隨后，該線路再次發(fā)生單相接地故障，故障電流逐漸增大，其主保護(hù)距離、零序保護(hù)不滿足動(dòng)作條件未動(dòng)作，而位于110 kVⅠ母3號(hào)主變壓器的中壓側(cè)零序方向過(guò)流保護(hù)(Ⅰ段)滿足條件動(dòng)作，跳開(kāi)母聯(lián)斷路器，但故障未切除。隨后該變電站對(duì)側(cè)110 kV線路零序保護(hù)(Ⅳ段)動(dòng)作，但故障仍未切除，最終110 kVⅡ母線上的4號(hào)主變壓器間隙零壓保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)其三側(cè)斷路器，切除故障。此次故障持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、保護(hù)動(dòng)作過(guò)程復(fù)雜、影響范圍大，暴露出在線路發(fā)生高阻接地故障時(shí)，距離保護(hù)和零序保護(hù)靈敏度低、零序定值整定難以適用系統(tǒng)復(fù)雜的運(yùn)行方式，以及其保護(hù)裝置中算法、定值的缺陷導(dǎo)致保護(hù)不能正確反映故障和越級(jí)跳閘等問(wèn)題。

2 保護(hù)動(dòng)作行為及原因分析

如圖1所示，該變電站擁有220 kV主變壓器兩臺(tái)，運(yùn)行方式為并列運(yùn)行，其中3號(hào)主變壓器兩側(cè)中性點(diǎn)接地，4號(hào)主變壓器兩側(cè)中性點(diǎn)不接地。3號(hào)主變壓器中壓側(cè)530斷路器運(yùn)行于110 kVⅠ母，4號(hào)主變壓器中壓側(cè)540斷路器運(yùn)行于110 kVⅡ母，110 kV母聯(lián)500斷路器處于運(yùn)行狀態(tài)，線路L1空載運(yùn)行，L2與該變電站對(duì)側(cè)110 kV 1號(hào)主變壓器連接，其中性點(diǎn)接地運(yùn)行。

圖1 故障前系統(tǒng)運(yùn)行方式

此次高阻接地故障持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，兩次故障過(guò)程中，故障電流特點(diǎn)和保護(hù)動(dòng)作都存在較大差異，下面分析在每次故障過(guò)程中保護(hù)的動(dòng)作行為和原因。

2.1 非穩(wěn)定性高阻接地中保護(hù)動(dòng)作行為分析

線路L1首次發(fā)生A相高阻接地故障時(shí)，線路L1錄波波形如圖2所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，A相電流周期性的振蕩增大，且變化周期逐漸增大。此次故障過(guò)程中線路保護(hù)裝置未動(dòng)作，且裝置發(fā)出TA斷線告警信息。

圖2 非穩(wěn)定性高阻故障時(shí)線路L1錄波波形

2.1.1 線路L1距離保護(hù)分析

如圖2所示，故障時(shí)A相接地阻抗(Zφ=Uφ/(Iφ+k×3I0))最小阻抗值為13.92Ω左右(如圖3所示)，沒(méi)有達(dá)到距離保護(hù)動(dòng)作定值(接地距離Ⅲ段阻抗定值13Ω)，因此距離保護(hù)不動(dòng)作。

圖3 故障時(shí)三相接地阻抗值

2.1.2 線路L1零序保護(hù)分析

在故障初始階段，線路L1故障電流周期性的不連續(xù)，使得故障零序電流未能持續(xù)滿足零序保護(hù)Ⅳ段定值(1.25 A，3.3 s)，當(dāng)故障零序電流低于返回電流0.4Iset，且時(shí)間超過(guò)一個(gè)工頻周期20 ms時(shí)，保護(hù)重新計(jì)時(shí)，因而線路零序保護(hù)未動(dòng)作。

由于故障電流周期振蕩，造成線路保護(hù)裝置發(fā)出TA斷線告警信號(hào)，閉鎖了相關(guān)零序電流保護(hù)。線路保護(hù)TA斷線判據(jù)為零序電流3I0大于裝置的TA斷線判據(jù)零序電流門(mén)檻值，并持續(xù)12 s后報(bào)“TA斷線異?！备婢⑶议]鎖有關(guān)零序各段保護(hù)，TA斷線計(jì)時(shí)采用正負(fù)累積方式(零序電流升高至超過(guò)零序電流門(mén)檻值時(shí)累計(jì)時(shí)間為正，降低至低于返回電流時(shí)累計(jì)時(shí)間為負(fù))。根據(jù)錄波分析，故障發(fā)生后18 s左右TA斷線累計(jì)時(shí)間達(dá)到12 s，裝置發(fā)出TA斷線告警并閉鎖了保護(hù)。

2.2 穩(wěn)定性高阻接地故障中保護(hù)動(dòng)作行為分析

線路L1再次出現(xiàn)A相高阻接地時(shí)，此時(shí)故障電流緩慢增大，此次故障過(guò)程線路L1保護(hù)未動(dòng)作，但導(dǎo)致線路L1相關(guān)后備保護(hù)動(dòng)作。整個(gè)過(guò)程的錄波圖如圖4所示，故障過(guò)程中3號(hào)主變壓器中壓側(cè)零序過(guò)流Ⅰ段、對(duì)側(cè)線路L2零序保護(hù)和4號(hào)主變壓器間隙保護(hù)先后分別動(dòng)作，但線路L1保護(hù)仍然未動(dòng)作，下面分別分析各個(gè)保護(hù)動(dòng)作行為和原因。

2.2.1 本側(cè)線路L1保護(hù)動(dòng)作行為分析

如圖4所示，故障開(kāi)始階段，A、B、C三相接地阻抗(Zφ=Uφ/(Iφ+k×3I0))最小值分別為24.31Ω、53.17Ω、56.27Ω(如圖5所示)，未達(dá)到距離保護(hù)動(dòng)作定值，因此距離保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

圖4 穩(wěn)定性高阻故障時(shí)線路L1錄波波形

圖5 故障時(shí)三相接地阻抗值

線路L1的A相再次出現(xiàn)故障電流并緩慢增大，線路保護(hù)裝置內(nèi)部錄波如圖6所示。可以看出，至3號(hào)主變壓器跳閘前，盡管線路保護(hù)零序電流已經(jīng)滿足其定值，但線路保護(hù)裝置自產(chǎn)3U0最大不超過(guò)1 V，不滿足線路保護(hù)裝置零序功率方向元件開(kāi)放條件(當(dāng)零序電壓3U0門(mén)檻值低于2 V，零序相關(guān)保護(hù)閉鎖)。因此，線路零序保護(hù)仍沒(méi)有動(dòng)作。

圖6 線路L1保護(hù)裝置內(nèi)部錄波形

2.2.2 本側(cè)3號(hào)主變壓器保護(hù)動(dòng)作行為分析

由系統(tǒng)故障前運(yùn)行方式可知線路L1發(fā)生A相高阻接地時(shí)，零序電流的路徑如圖7所示。

由于110 kV線路L2對(duì)側(cè)的系統(tǒng)中性接地點(diǎn)與L1線路故障點(diǎn)之間的電氣距離遠(yuǎn)小于3號(hào)主變壓器中性接地點(diǎn)與L1故障點(diǎn)之間的電氣距離，因此在此階段L2線路的故障零序電流均很小，線路L2零序保護(hù)在此階段未動(dòng)作，而3號(hào)主變壓器中壓零序過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。

圖7 故障后系統(tǒng)中零序電流路徑

本側(cè)3號(hào)主變壓器中壓側(cè)錄波波形如圖8所示，隨著故障的發(fā)展，主變壓器中壓側(cè)零序電流緩慢增大，直至大于3號(hào)主變壓器中壓側(cè)零序方向過(guò)流Ⅰ段動(dòng)作定值(1.38 A，3.6 s)，保護(hù)裝置自產(chǎn)零序電壓為3.1 V左右，滿足正方向條件(3號(hào)主變壓器中壓側(cè)零序方向過(guò)流的零序電壓門(mén)檻值3U0=0.8 V)，3.6 s后保護(hù)正確動(dòng)作出口，跳開(kāi)500斷路器。

圖8 本側(cè)3號(hào)主變中壓側(cè)錄波波形

2.2.3 對(duì)側(cè)線路L2保護(hù)動(dòng)作行為分析

當(dāng)母聯(lián)500斷開(kāi)后，系統(tǒng)中的零序電流路徑如圖9所示，此時(shí)零序電流全部轉(zhuǎn)移到線路L2上。

圖9 母聯(lián)500斷開(kāi)后系統(tǒng)中零序電流路徑

從圖10中錄波可以看出，此時(shí)110 kV對(duì)側(cè)L2線路故障零序電流值3I0=2.29 A，滿足線路零序過(guò)流Ⅳ段定值(1.0 A，1.8 s)，跳開(kāi)516斷路器。

圖10 對(duì)側(cè)L2線路錄波波形

2.2.4 本側(cè)4號(hào)主變壓器保護(hù)動(dòng)作行為分析

當(dāng)對(duì)側(cè)線路L2保護(hù)跳開(kāi)516斷路器后，220 kV本側(cè)4號(hào)主變壓器110 kVⅡ母零序網(wǎng)絡(luò)失去所有中性點(diǎn)接地，4號(hào)主變壓器中壓側(cè)零序電壓錄波如圖11所示。

圖11 本側(cè)4號(hào)主變壓器錄波波形

由錄波圖可以發(fā)現(xiàn)，線路L2斷開(kāi)后，4號(hào)主變壓器零序電壓3U0電壓增至214 V左右。因此，線路L2斷開(kāi)約4 s后，4號(hào)主變壓器間隙零壓保護(hù)(定值:180 V，4 s)動(dòng)作出口，跳開(kāi)主變壓器三側(cè)斷路器。

3 結(jié)論

1)無(wú)論在穩(wěn)定性高阻接地過(guò)程中，還是非穩(wěn)定性高阻接地過(guò)程中，接地距離保護(hù)都可能拒動(dòng)，其選擇性、靈敏性都難以實(shí)際滿足要求。

2)線路L1在發(fā)生非穩(wěn)定性高阻接地故障過(guò)程中，由于線路距離保護(hù)達(dá)不到定值未動(dòng)作、線路零序保護(hù)故障電流出現(xiàn)間斷非穩(wěn)定周期性增大，導(dǎo)致在一個(gè)周期內(nèi)無(wú)法滿足零序保護(hù)整定計(jì)時(shí)，造成保護(hù)在故障初始階段未動(dòng)作。而且故障電流的周期性間斷的特點(diǎn)造成零序保護(hù)閉鎖，使得零序保護(hù)在故障中后期也未動(dòng)作。

3)線路L1在發(fā)生穩(wěn)定性高阻接地故障過(guò)程中，零序電流不僅滿足線路L2零序保護(hù)Ⅳ段定值，還滿足3號(hào)主變壓器中壓側(cè)零序過(guò)流保護(hù)Ⅰ段定值，但零序電壓(裝置固定，無(wú)法整定)只滿足3號(hào)主變壓器中壓側(cè)零序電壓定值，未達(dá)到線路L2零序電壓定值，閉鎖了線路零序Ⅳ段保護(hù)，所以導(dǎo)致3號(hào)主變壓器越級(jí)跳閘。