一起縱聯(lián)距離保護(hù)拒動的事故分析

畢如玉，江 淵，李煜磊，李 霄，溫皓瀾

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢430000）

0 引言

在電網(wǎng)故障中，輸電線路故障占絕大多數(shù)，而其中98%以上線路故障跳閘為單相接地造成，引發(fā)的故障原因和形式復(fù)雜多樣［1，2］。當(dāng)架空線路與樹枝等物質(zhì)接觸時［3］，其接地電阻可能達(dá)到幾百甚至上千歐姆，稱為高阻接地故障［4-7］。該類故障占比約5%，其故障檢測相對其余類型故障相對較為困難［8-11］。

縱聯(lián)保護(hù)是一種可以綜合反應(yīng)兩端電氣量變化的保護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)是可以保護(hù)本線路全長范圍內(nèi)的短路，理論上可以達(dá)到有選擇、快速地切除全線路任意點(diǎn)短路故障。正因?yàn)樵摫Ｗo(hù)可以反應(yīng)兩端電氣量的變化，故兩側(cè)需要進(jìn)行通信，以便于每側(cè)都能綜合雙端信息進(jìn)行故障判別。按照保護(hù)動作原理，縱聯(lián)保護(hù)又能細(xì)分為兩類：方向比較式縱聯(lián)保護(hù)［12］和縱聯(lián)電流差動保護(hù)［13，14］。方向比較式縱聯(lián)保護(hù)的兩側(cè)保護(hù)裝置獨(dú)立判斷本側(cè)的測量阻抗、功率方向是否在規(guī)定的區(qū)段、方向內(nèi)，然后將判斷結(jié)果傳輸至對側(cè)，再由每側(cè)裝置結(jié)合雙側(cè)的判別結(jié)果區(qū)分故障，決定是否動作?？v聯(lián)距離保護(hù)采用的正是這種原理。

由于這類保護(hù)在通道中傳送的是邏輯信號而不是電氣量本身，故而如果有一側(cè)保護(hù)裝置判斷該故障為區(qū)外，則雙側(cè)保護(hù)都將無法動作。由于保護(hù)原理的限制，該類保護(hù)拒動或誤動的事故時有發(fā)生［15-22］，合理的動作定值與保護(hù)動作特性，是該類保護(hù)正確動作的重要保障［23］。

1 事故情況簡述

2020 年08 月20 日13：28，220 kV XW 線發(fā)生A 相永久性高阻接地故障。XW 線主二保護(hù)CSC-101A 縱聯(lián)保護(hù)停信，后備保護(hù)距離II 段［24］動作。XW 線主一保護(hù)RCS-902A兩側(cè)縱聯(lián)保護(hù)均未動作。具體地，X側(cè)CSC-101A 保護(hù)啟動后133 ms 縱聯(lián)零序停信，但一直收到對側(cè)信號，因此主保護(hù)未動作；1 600 ms 時，接地距離II 段保護(hù)動作，切除A 相；2 632 ms 阻抗II 段加速出口切除ABC 三相。W 側(cè)CSC-101A 保護(hù)啟動后，1 481 ms 縱聯(lián)零序停信，1 505 ms 縱聯(lián)保護(hù)出口切除A相，2 534 ms 時零序IV 段加速出口切除ABC 三相。X側(cè)RCS-902A 保護(hù)啟動后67 ms 縱聯(lián)零序達(dá)到動作定值開始發(fā)信，但未收到對側(cè)信號，因此主保護(hù)未動作；1 660 ms時由A相跳閘位置啟動發(fā)信，2 450 ms時重合閘動作，2 520 ms 零序加速動作；W 側(cè)RCS-902A 保護(hù)啟動后1 515 ms縱聯(lián)零序發(fā)信，2 420 ms重合閘動作，2 588 ms零序加速動作。線路兩側(cè)雙套保護(hù)裝置動作情況如表1和表2所示。

表1 X側(cè)兩套繼電保護(hù)裝置動作信息表Table 1 Action information of two sets of relay protection devices on X side

表2 W側(cè)兩套繼電保護(hù)裝置動作信息表Table 2 Action information of two sets of relay protection devices on W side

2 主二保護(hù)CSC-101A動作行為分析

CSC-101A 縱聯(lián)距離保護(hù)裝置配置有縱聯(lián)方向距離元件、縱聯(lián)零序方向元件及負(fù)序方向元件?？v聯(lián)方向距離保護(hù)包括接地方向距離元件和相間方向距離元件。

查閱CSC-101A保護(hù)動作定值可知，X側(cè)縱聯(lián)零序動作定值為0.37 A，接地II 段電抗定值為18.12 Ω，接地II 段時間定值為1.4 s，零序II 段電流定值0.4 A，零序II 段時間定值4 s，W 側(cè)縱聯(lián)零序動作定值為1.95 A（兩側(cè)TA變比不同），兩側(cè)“專用收發(fā)訊機(jī)閉鎖式投入”控制字均投入。調(diào)取故障錄波文件進(jìn)行保護(hù)動作行為的詳細(xì)分析。

2.1 X側(cè)保護(hù)動作行為分析

1）主保護(hù)動作行為分析

查詢故障錄波文件，X 側(cè)保護(hù)133 ms 時3I0=0.789 1 A，達(dá)到縱聯(lián)零序動作定值，保護(hù)停信。但是由于對側(cè)零序電流一直未達(dá)到動作定值，所以本側(cè)保護(hù)停信后一直收到對側(cè)保護(hù)的閉鎖信號，本側(cè)縱聯(lián)保護(hù)不滿足動作條件，故主保護(hù)不動作。

2）后備保護(hù)動作行為分析

CSC-101A 保護(hù)的距離元件分為距離測量元件和距離方向元件，各段距離元件的動作特性均為多邊形特性，如圖1 所示。其中，XDZ、RDZ 為動作定值，XDZ按保護(hù)范圍整定，RDZ 按躲負(fù)荷阻抗整定，可滿足長、短線路的不同要求。

圖1 CSC-101A距離元件動作特性圖Fig.1 Action characteristic diagram of CSC-101A impedance relay

根據(jù)X 側(cè)XW 線電流和電壓繪制阻抗軌跡圖，接地距離I 段和接地距離II 段的阻抗軌跡圖分別如圖2和圖3 所示。圖中紫色為保護(hù)動作邊界，黃色、綠色、紅色分別為A相、B相、C相阻抗軌跡。

從軌跡圖可以看出，阻抗軌跡在距離I 段元件動作特性邊界附近變化，未滿足距離I段可靠動作條件，但是滿足了距離II段動作范圍，因此接地I段不動作，接地II段動作。由于零序保護(hù)動作時間為4 s，大于距離II段時間，距離II段動作切除故障后零序電流減小，故零序保護(hù)不再動作。

圖2 X側(cè)接地I段阻抗軌跡圖Fig.2 Impedance trace of grounding section I at X side

圖3 X側(cè)接地II段阻抗軌跡圖Fig.3 Impedance trace of grounding section II at X side

由于之后另一套保護(hù)啟動了重合閘，而故障仍未消失，故2 632 ms阻抗II段加速出口，三相跳閘。

2.2 W側(cè)保護(hù)動作行為分析

1）主保護(hù)動作行為分析

X 側(cè)保護(hù)啟動后133 ms 縱聯(lián)零序停信，但W 側(cè)零序電流未滿足定值，保護(hù)未停信，如圖4 中時間T1 所示。因此W 側(cè)一直發(fā)信，雙側(cè)縱聯(lián)保護(hù)均未動作。直到X 側(cè)A 相跳閘后，W 側(cè)A 相電流增大，T2 時刻滿足零序電流動作定值，本側(cè)縱聯(lián)零序停信，縱聯(lián)零序動作。

圖4 W側(cè)零序電流變化圖Fig.4 Change diagram of zero sequence current at W side

2）后備保護(hù)動作行為分析

根據(jù)W 側(cè)XW 線電流和電壓繪制阻抗軌跡圖，接地距離II 段的阻抗軌跡圖如圖5 所示。圖中紫色為保護(hù)動作邊界，黃色、綠色、紅色分別為A 相、B 相、C相阻抗軌跡。由圖5 可知，距離保護(hù)不滿足動作條件。

圖5 W側(cè)接地II段阻抗軌跡圖Fig.5 Impedance trace of grounding section II at W side

2.3 保護(hù)動作行為小結(jié)

本次故障，初始階段W 側(cè)零序電流未達(dá)到“縱聯(lián)零序電流定值”，縱聯(lián)零序未停信，導(dǎo)致X 側(cè)一直收到閉鎖信號，縱聯(lián)保護(hù)無法動作；由于X側(cè)故障阻抗后期落在接地Ⅱ段范圍內(nèi)，延時滿足后距離Ⅱ段動作；X側(cè)距離Ⅱ段動作后，W側(cè)零序電流增大，零序電流滿足條件，縱聯(lián)零序停信，縱聯(lián)零序動作。保護(hù)動作行為符合邏輯設(shè)計。

3 主一保護(hù)RCS-902A動作行為分析

RCS-902A 包括以縱聯(lián)距離和零序方向元件為主體的快速主保護(hù)，由工頻變化量距離元件構(gòu)成的快速I段保護(hù)，和由三段式相間和接地距離及兩個延時段零序方向過流構(gòu)成全套后備保護(hù)。不同于CSC-101A采用的多邊形特性，其距離元件的動作特性均采用圓特性。調(diào)取故障錄波文件進(jìn)行保護(hù)動作行為的詳細(xì)分析。

3.1 X側(cè)保護(hù)動作行為分析

當(dāng)發(fā)生A 相高阻故障后，A 相測量阻抗一直在縱聯(lián)距離阻抗圓外，因此縱聯(lián)距離元件不動作，如圖6所示。

圖6 X側(cè)A相測量阻抗與縱聯(lián)距離阻抗圓Fig.6 Measured impedance of phase A and pilot distance impedance circle at X side

零序功率方向一直判為正方向，當(dāng)零序電流大于零序方向比較過流定值（0.37 A）后，縱聯(lián)零序元件判為正方向故障，持續(xù)發(fā)信，但未收到W側(cè)的允許信號，導(dǎo)致縱聯(lián)零序保護(hù)不動作。

當(dāng)本側(cè)故障被另一套保護(hù)切除后，在1 634 ms 發(fā)信由1 變?yōu)?，1 650 ms 收到TWJA 由0 變1 信號，由單相跳閘位置動作發(fā)信80 ms（1 660 ms～1 740 ms）。在1 646 ms時，收到W側(cè)的允許信號，但此時本側(cè)A相開關(guān)已跳開，縱聯(lián)零序元件返回，因此本側(cè)縱聯(lián)零序保護(hù)不動作。

由于保護(hù)并未動作，但是A相處于跳位，因此TWJ啟動重合閘，A相重合于故障，零序加速動作切除ABC三相。

3.2 W側(cè)保護(hù)動作行為分析

當(dāng)發(fā)生A 相高阻故障后，A 相測量阻抗一直在縱聯(lián)距離阻抗圓外，因此縱聯(lián)距離元件不動作，如圖7所示。

故障初期，雖然零序功率滿足正方向條件，但零序電流一直小于零序方向比較過流定值（1.95 A），因此縱聯(lián)零序保護(hù)不能發(fā)信。隨著故障的發(fā)展，零序電流大于零序方向比較過流定值（1.95 A），零序功率方向?yàn)檎较?，因此? 515 ms發(fā)信，當(dāng)故障被另一套保護(hù)切除后，在1 587 ms發(fā)信返回，本側(cè)發(fā)信持續(xù)62 ms。

圖7 W側(cè)A相測量阻抗與縱聯(lián)距離阻抗圓Fig.7 Measured impedance of phase A and pilot distance impedance circle at W side

RCS-902A 保護(hù)為了防止功率倒向時保護(hù)誤動，設(shè)置有一條動作邏輯：如果在啟動40 ms 內(nèi)不滿足縱聯(lián)保護(hù)動作的條件，其后縱聯(lián)保護(hù)動作需經(jīng)25 ms 延時。保護(hù)啟動前本側(cè)收信為1，當(dāng)對側(cè)故障切除后，本側(cè)收信在1 543 ms 由1 變?yōu)?。1 564 ms 時，收信再次由0變?yōu)?（對側(cè)單相跳閘位置動作發(fā)信）。因此，收發(fā)信同時滿足的最大時間為1 543-1 515=28 ms。由于經(jīng)縱聯(lián)零序方向元件動作，還需經(jīng)15 ms 的輔助選相延時，小于40 ms 延時（25 ms 功率倒向延時+15 ms 輔助選相延時），因此縱聯(lián)零序保護(hù)不動作。

3.3 保護(hù)動作行為小結(jié)

發(fā)生高阻抗故障時，兩側(cè)縱聯(lián)距離元件不動作，X側(cè)RCS-902A 先啟動，縱聯(lián)零序元件判為正方向故障后發(fā)信，而W 側(cè)零序電流小于零序方向比較過流定值，未能發(fā)信。當(dāng)故障發(fā)展后，W側(cè)RCS-902A縱聯(lián)零序元件滿足動作條件時，由于X 側(cè)開關(guān)被另一套保護(hù)切除，兩側(cè)縱聯(lián)保護(hù)未能動作。保護(hù)動作行為符合邏輯設(shè)計。

4 事件引發(fā)的思考

4.1 距離元件動作特性

距離元件動作特性可以劃分為圓形、蘋果形和橄欖形、直線特性、多邊形特性、復(fù)合特性等多種形式，其中比較常用的是圓特性和多邊形特性［25］。

此次高阻接地故障中，X 側(cè)的阻抗軌跡落在了CSC-101A保護(hù)距離元件動作區(qū)間內(nèi)（如圖3所示），而離RCS-902A 保護(hù)距離元件動作區(qū)域較遠(yuǎn)（如圖6 所示）。由于兩套保護(hù)的定值相同，而采取的阻抗元件動作特性不同，因此出現(xiàn)這種現(xiàn)象說明了多邊形特性對高阻接地故障的靈敏性更高。

4.2 保護(hù)裝置改造

本次故障中，四套保護(hù)裝置均按照定值和動作邏輯正確動作，但是因?yàn)槭芟抻诒Ｗo(hù)裝置的原理，耗時約2 600 ms才完全切除故障。

回顧本次故障，如果是采取縱聯(lián)電流差動保護(hù)原理的光纖差動保護(hù)，初始時X 側(cè)與W 側(cè)的A 相電流之差即足夠達(dá)到差動保護(hù)動作電流定值，則故障初始時就可迅速切除故障。如果采用差動保護(hù)［26，27］，則各端的電流和信號都能直接傳送到對側(cè)，在每側(cè)，保護(hù)都能夠通過比較兩端的電氣量判斷是否需要動作。雖然差動保護(hù)也不能從根本上杜絕誤動或拒動［28-30］，但其整定定值時只需考慮兩端電流差值即可，受運(yùn)行方式的影響較小。而對于縱聯(lián)距離保護(hù)，由于在通道中并未傳輸本側(cè)電氣量，而只是傳“YES”or“NO”的信號，無法像縱聯(lián)電流差動保護(hù)那樣直接在每側(cè)比較雙端電氣量，故而其動作可靠性相較差動保護(hù)容易受運(yùn)行方式影響，也更加依賴于定值整定。若整定過于保守則有拒動風(fēng)險，反之亦反。因此，加快對老舊型號保護(hù)改造，將其更換為差動保護(hù)可以降低此類事件發(fā)生的風(fēng)險。

5 結(jié)語

電力系統(tǒng)故障中，輸電線路故障占比最高，而其又以單相接地故障為主。隨著以電網(wǎng)為主的能源互聯(lián)網(wǎng)的逐步推進(jìn)，對保護(hù)裝置也提出了更高要求，故障發(fā)生后要能夠快速、準(zhǔn)確切除故障，以保障電網(wǎng)運(yùn)行安全可靠。本文針對一起高阻接地故障，縱聯(lián)距離保護(hù)拒動、接地距離II 段保護(hù)切除故障的事故進(jìn)行原因分析，并對保護(hù)裝置的動作特性和動作原理進(jìn)行了探討。建議加快對老舊型號、原理保護(hù)裝置的更換，以最大限度地保障電網(wǎng)安全。

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