一起雷擊跳閘事故中電動(dòng)機(jī)返送電對(duì)電網(wǎng)的影響分析

藍(lán)彬桓，黃宇涵，陳 鵬

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司遂寧供電公司，四川 遂寧 629000)

0 引 言

繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)第一道防線，承載著切除故障、恢復(fù)供電的重要作用，其動(dòng)作可靠性直接決定電網(wǎng)能否安全運(yùn)行。然而，電力系統(tǒng)由集中式向分布式的演變過(guò)程對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)控制提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]，尤其是在終端110 kV系統(tǒng)中，在唯一電源側(cè)發(fā)生故障后，電動(dòng)機(jī)返送電可能讓站內(nèi)多個(gè)設(shè)備感受到暫態(tài)故障電流[2]，進(jìn)而導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。下面針對(duì)一起雷擊跳閘引起的電動(dòng)機(jī)返送電事故進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 事故簡(jiǎn)述

1.1 系統(tǒng)運(yùn)行方式

220 kV A站：110 kV兩段母線并列運(yùn)行，110 kV L1線167斷路器運(yùn)行于Ⅰ母；110 kV L2線168斷路器運(yùn)行于Ⅱ母，對(duì)側(cè)110 kV D站155斷路器熱備用；110 kV L4線164斷路器運(yùn)行于Ⅰ母；變壓器110 kV側(cè)中性點(diǎn)直接接地。

110 kV B站：110 kV兩段母線并列運(yùn)行，110 kV L1線152斷路器運(yùn)行于Ⅰ母，L1線為110 kV B站唯一進(jìn)線電源點(diǎn)；110 kV L4線151斷路器運(yùn)行于Ⅰ母；變壓器110 kV側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地。

110 kV C站：110 kV L3線為用戶C站的主供電源，162斷路器運(yùn)行于Ⅱ母；110 kV L4線為用戶C站的備用電源，但站內(nèi)并未啟用備自投，161斷路器處于分位。

L1、L2線路部分輸電區(qū)間為同塔架設(shè)，具體電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行方式

1.2 事故狀況及保護(hù)動(dòng)作報(bào)告

2020年7月24日06：29：18左右，A站側(cè)L1線167斷路器、L2線168斷路器保護(hù)跳閘，B站側(cè)L1線152斷路器保護(hù)跳閘，同時(shí)1號(hào)主變壓器間隙被擊穿。L2線D側(cè)155斷路器本身處于分位，保護(hù)未動(dòng)作。各站動(dòng)作報(bào)文詳見(jiàn)表1。

經(jīng)巡視后發(fā)現(xiàn)在L1線9號(hào)塔上相、L2線10號(hào)塔上相(同塔)絕緣鋼帽均存在明顯雷擊痕跡，判斷為雷擊引起的跳閘事故，由表1可知，L1線167斷路器動(dòng)作后重合成功，但由于終端B站152斷路器動(dòng)作后未重合，導(dǎo)致B站全站停電。

表1 各站動(dòng)作報(bào)文

2 事件原因分析

2.1 保護(hù)動(dòng)作分析

1)調(diào)取L2線A站側(cè)線路保護(hù)故障波形如圖2所示，由圖可知，A站側(cè)母線A、B相電壓下降，電流增加，并產(chǎn)生零序電壓、零序電流，A、B相測(cè)量阻抗明顯低于C相，推斷為A、B兩相接地故障。D站側(cè)斷路器處于分位，因此差動(dòng)電流等于制動(dòng)電流，達(dá)到式(1)動(dòng)作條件，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確[3]。

圖2 220 kV A站L2線故障錄波

(1)

式中：IdΦ為相差動(dòng)電流；IrΦ為相制動(dòng)電流；Idset為差動(dòng)電流整定定值。

2)調(diào)取L1線兩側(cè)線路保護(hù)故障波形對(duì)比如圖3所示，圖中標(biāo)識(shí)1代表A站側(cè)電氣量，標(biāo)識(shí)2代表B站側(cè)電氣量。由圖可知，故障時(shí)兩側(cè)B相電壓同時(shí)下降，兩側(cè)B相電流增加且同相位，A、C相位相反，由此推斷L1線發(fā)生區(qū)內(nèi)B相故障。隨后，B站側(cè)152斷路器先一步切除故障，電壓恢復(fù)，故障電流消失，約一個(gè)周波后A站側(cè)167斷路器動(dòng)作，母線電壓隨即恢復(fù)。

圖3 L1線兩側(cè)故障波形對(duì)比

A站側(cè)B相測(cè)量阻抗最低達(dá)到0.2 Ω，小于保護(hù)定值，L1線距離Ⅰ段動(dòng)作。由于雷擊為瞬時(shí)性故障，且152斷路器先跳開(kāi)，A站側(cè)167斷路器滿足檢母線有壓線路無(wú)壓條件重合成功，綜合判斷A站側(cè)保護(hù)裝置正確動(dòng)作。

3)L1線作為110 kV B站的唯一進(jìn)線電源，在電源側(cè)發(fā)生故障后，B站應(yīng)無(wú)法向L1線提供故障電流。但根據(jù)動(dòng)作報(bào)文和錄波分析，B站側(cè)L1線B相存在明顯故障電流，B站側(cè)故障測(cè)距阻抗為0.13 Ω落于定值動(dòng)作區(qū)間，從而導(dǎo)致距離Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作，L1線152斷路器未投重合閘，從而導(dǎo)致L1線在瞬時(shí)故障后重合失敗，將具體分析故障電流來(lái)源。

將L1線、L3線故障電流波形進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示，其中標(biāo)識(shí)1代表L3線電氣量，標(biāo)識(shí)2代表L1線電氣量。由圖可知，兩條線路電流幅值、相位接近一致，具體存在差異是因?yàn)榻拥攸c(diǎn)的零序電源向L1線提供零序電流。

圖4 L1、L3線故障電流波形

由圖5可知，故障發(fā)生前頻率為49.972 Hz，電壓二次值約為60 V，故障切除后，母線電壓、母線頻率持續(xù)下降。考慮為故障切除后，C站的大電動(dòng)機(jī)負(fù)荷可以視為暫態(tài)小電源向母線反送電，但受到負(fù)荷制動(dòng)作用，其轉(zhuǎn)速越來(lái)越低，輸出電壓下降，符合大電動(dòng)機(jī)反送電的特征[4]。由此，可以推斷出C站電動(dòng)機(jī)反送電是導(dǎo)致B站152斷路器動(dòng)作的根本原因。

圖5 B站母線電壓及頻率波形

4)本次故障由雷電直擊桿塔引起，事故過(guò)程中線路避雷器未能防止雷電波侵入變電站B，之后B站1號(hào)主變壓器間隙率先被擊穿。B站內(nèi)兩臺(tái)主變壓器電流波形如圖6所示。由圖可知，在故障時(shí)1號(hào)主變壓器間隙流過(guò)穩(wěn)定電流，代表此時(shí)間隙已被擊穿，雷電過(guò)電壓波通過(guò)1號(hào)主變壓器間隙被導(dǎo)入地，因此2號(hào)主變壓器間隙未被擊穿。此時(shí)局部電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)A站主變壓器中壓側(cè)接地、B站1號(hào)主變壓器接地兩個(gè)接地點(diǎn)，故障點(diǎn)零序電源以這兩個(gè)接地點(diǎn)構(gòu)成回路，三相中流過(guò)同相電流。因此在B站1號(hào)主變壓器中三相電流基本同相，呈現(xiàn)典型零序特征。綜上所述，1號(hào)主變壓器間隙被擊穿后形成接地點(diǎn)，防止了雷電波對(duì)變壓器的損壞，主變壓器間隙動(dòng)作行為正確[5]。

圖6 兩臺(tái)主變壓器電流波形

3 結(jié) 論

該事故因雷電直擊桿塔導(dǎo)致L2線發(fā)生A、B相接地短路故障，該線路兩側(cè)差流滿足差動(dòng)保護(hù)條件，保護(hù)正確動(dòng)作跳開(kāi)168斷路器；同時(shí)，同塔L1線發(fā)生B相接地短路故障，A站側(cè)距離保護(hù)I段動(dòng)作，1.5 s后重合閘正確動(dòng)作，而由于大電動(dòng)機(jī)返送電讓B站L1線距離保護(hù)感受到故障電流，跳開(kāi)152斷路器，因此L1線重合失敗。此外，雷電波沿L1線侵入B站導(dǎo)致1號(hào)主變壓器間隙被擊穿，主變壓器電流呈典型零序特征。針對(duì)本事故中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和隱患，特提出以下幾點(diǎn)建議：

1)終端110 kV變電站在來(lái)電側(cè)故障時(shí)，大電動(dòng)機(jī)返送電可能會(huì)為故障點(diǎn)提供故障電流，影響瞬時(shí)性故障線路成功重合。建議電網(wǎng)單位加強(qiáng)對(duì)用戶站負(fù)荷的分析管控，并針對(duì)性進(jìn)行合理保護(hù)配置，避免因用戶負(fù)荷特性影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。

2)若線路避雷器不能發(fā)揮作用，雷電波侵入變電站后若未擊穿間隙且電壓較高，則存在主變壓器間隙保護(hù)動(dòng)作跳三側(cè)的可能，延誤后續(xù)恢復(fù)送電進(jìn)度。建議定期檢查線路避雷器可靠性，降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

3)L1線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，若A站側(cè)斷路器先跳閘，則會(huì)導(dǎo)致B站失去接地點(diǎn)運(yùn)行，單相接地故障時(shí)零序電壓理論值可能達(dá)300 V[2]，導(dǎo)致零序過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作，跳主變壓器各側(cè)斷路器，延誤后續(xù)恢復(fù)送電進(jìn)度。建議在終端110 kV系統(tǒng)中將光纖差動(dòng)保護(hù)設(shè)為主保護(hù)，區(qū)內(nèi)故障時(shí)同時(shí)跳開(kāi)兩側(cè)斷路器，防止110 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)失地后經(jīng)線路側(cè)接地點(diǎn)運(yùn)行。

下一步，將詳細(xì)量化分析電動(dòng)機(jī)返送電的暫態(tài)特性，求解大電動(dòng)機(jī)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。