一起PT二次失壓導(dǎo)致距離保護(hù)動(dòng)作事件分析

高秋芬

（廣西桂東電力股份有限公司，廣西 賀州 542800）

電壓是反映電網(wǎng)設(shè)備是否運(yùn)行良好的關(guān)鍵參數(shù)之一，由于操作不當(dāng)?shù)纫蛩乜赡軙?huì)導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備失壓，造成與電壓相關(guān)的保護(hù)可能誤動(dòng)作[1]。這樣的直接結(jié)果會(huì)造成非必要停電，嚴(yán)重影響著企業(yè)生產(chǎn)和居民生活用電質(zhì)量，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也構(gòu)成一定威脅。

本文對(duì)110kV信都Ⅱ線進(jìn)行等電位操作時(shí)，由于操作不當(dāng)使母線PT二次電壓短時(shí)失壓從而導(dǎo)致距離保護(hù)動(dòng)作跳閘[2-3]，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)了引發(fā)事故的原因，并試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。針對(duì)此次事件的特殊性，提出了有效的防范措施，避免事故再次發(fā)生。

1 事故概況

2021年3 月19日，用戶通過(guò)35kV信達(dá)Ⅰ、Ⅱ線、2臺(tái)主變、110kVⅠ母、110kV信都Ⅱ線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)S（見圖1）。35kV信達(dá)Ⅰ、Ⅱ線所供用戶是鋼廠，電弧爐是鋼廠主要的生產(chǎn)設(shè)備，其本身的特殊工作性質(zhì)導(dǎo)致有功、無(wú)功容易波動(dòng)和閃變，由于負(fù)荷擾動(dòng)較大，導(dǎo)致110kV信都Ⅱ線線路保護(hù)因電流突變量超過(guò)門檻值頻繁起動(dòng)[4]。

圖1 當(dāng)日運(yùn)行方式簡(jiǎn)圖

電弧爐是利用電極電弧產(chǎn)生的高溫熔煉礦石和金屬的電爐。氣體放電形成電弧時(shí)能量很集中，弧區(qū)溫度極高。對(duì)于熔煉金屬，電弧爐比其他煉鋼爐工藝靈活性大，能有效地除去硫、磷等雜質(zhì)，爐溫容易控制，設(shè)備占地面積小，適合優(yōu)質(zhì)合金鋼的熔煉。隨著電弧爐設(shè)備的改進(jìn)以及冶煉技術(shù)的提高，電力工業(yè)的發(fā)展，電弧爐煉鋼的成本不斷下降，目前大多數(shù)鋼廠都采用電弧爐煉鋼。但是由于電弧爐本身的特殊工作特性使用戶有功和無(wú)功閃變，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)，電能質(zhì)量差。用戶當(dāng)日的用電負(fù)荷曲線見圖2。

從圖2可以明顯看出，鋼廠用戶有功曲線一直在15～65MW之間上下波動(dòng)，特別是110kV信都Ⅱ線跳閘時(shí)，用戶有功從40MW瞬間下降到0MW。如果用戶所在變電站短路容量小，電弧爐的負(fù)荷閃變特性會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓下降嚴(yán)重，電壓合格率下降，變電站主變和線路電流突變量啟動(dòng)，保護(hù)啟動(dòng)，為電網(wǎng)事故埋下隱患。

圖2 用戶負(fù)荷有功曲線圖

當(dāng)日，110kV變電站A進(jìn)行倒母線操作，操作任務(wù)是“在孤網(wǎng)帶動(dòng)下，將110kV變電站A 110kV信都Ⅱ線由110kVⅠ母等電位倒至110kVⅡ母運(yùn)行”。由于轉(zhuǎn)換變電站A 110kVⅠ母和110kVⅡ母PT二次電壓的開關(guān)是雙頭開關(guān)，在110kV信都Ⅱ線PT二次倒閘操作時(shí)導(dǎo)致110kV信都Ⅱ線PT二次電壓短時(shí)失壓，造成110kV信都Ⅱ線距離保護(hù)動(dòng)作跳閘，保護(hù)信息如下：2021年3月19日09:42:10:759，110kV信都Ⅱ線108開關(guān)保護(hù)啟動(dòng)，1504ms距離Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作，故障相電流為2.35A，測(cè)距為0.1km，故障相為ABC相；9:42:12:392，110kV信都Ⅱ線108開關(guān)分。

2 理論分析與計(jì)算

變電站A 110kV母線為單母分段接線方式， 正常情況下變電站A 110kV兩段母線是分別聯(lián)接兩個(gè)不同電網(wǎng)運(yùn)行的。為了防止電網(wǎng)之間形成電磁環(huán)網(wǎng)，母線上的出線都有嚴(yán)格的分網(wǎng)點(diǎn)措施。110kV信都Ⅱ線控制PT二次電壓開關(guān)整改為雙頭開關(guān)就是作為防止電磁環(huán)網(wǎng)的技術(shù)措施之一，然而使用雙頭開關(guān)的缺陷就是在倒閘時(shí)會(huì)造成短時(shí)失壓。正常情況，在沒(méi)有負(fù)荷大波動(dòng)干擾下線路保護(hù)裝置不會(huì)啟動(dòng)，110kV信都Ⅱ線倒母線時(shí)，即使線路PT二次電壓短時(shí)失壓也不會(huì)造成線路保護(hù)裝置保護(hù)出口。倒閘操作時(shí)，雖然線路PT一次電壓一直帶電，但是二次電壓短時(shí)失壓始終是一個(gè)安全隱患，對(duì)于這樣的操作過(guò)程要進(jìn)行相應(yīng)整改，避免再發(fā)生類似事件。

2.1 一般情況下，線路PT二次電壓失壓會(huì)延時(shí)發(fā)PT斷線信號(hào)，PT斷線會(huì)閉鎖距離保護(hù)，此次事件中距離保護(hù)動(dòng)作的原因?yàn)椋?/p>

平時(shí)PT二次發(fā)生保險(xiǎn)燒壞等故障，PT二次電壓瞬間為零，保護(hù)不起動(dòng)，延時(shí)發(fā)PT斷線異常信號(hào)。PT斷線信號(hào)動(dòng)作的同時(shí)，退出距離保護(hù)，自動(dòng)投入兩段PT斷線相過(guò)流保護(hù)。三相電壓正常后，經(jīng)10秒延時(shí)PT斷線信號(hào)復(fù)歸。

變電站A鋼廠用戶當(dāng)日的用電負(fù)荷曲線如圖2，從圖2可以明顯看出，在110kV信都Ⅱ線跳閘前，用戶的負(fù)荷經(jīng)歷30MW→65.27MW→14MW→40MW→0MW的過(guò)程，期間用戶有功波動(dòng)最小為26MW。按當(dāng)時(shí)變電站母線電壓U=113kV計(jì)算，根據(jù)

由表1可知，信都Ⅱ線電流變化量起動(dòng)定值為120安，當(dāng)時(shí)用戶負(fù)荷有功連續(xù)突變，流過(guò)信都Ⅱ線開關(guān)的電流突變量最小I=132.85A＞120A，多次達(dá)到線路開關(guān)的電流突變量啟動(dòng)值，在開關(guān)跳閘用戶有功為0之前開關(guān)保護(hù)已經(jīng)起動(dòng)（如圖3所示）。由于線路開關(guān)保護(hù)起動(dòng)，即使開關(guān)PT二次電壓為0，開關(guān)也會(huì)閉鎖PT斷線信號(hào)，由于開關(guān)一直沒(méi)有發(fā)PT斷線信號(hào)，所以不會(huì)閉鎖距離保護(hù)[5]。在信都Ⅱ線開關(guān)保護(hù)啟動(dòng)的狀態(tài)下，值班員倒閘操作使開關(guān)PT二次電壓短時(shí)失壓，只要達(dá)到距離各段的起動(dòng)值，距離保護(hù)達(dá)到各段時(shí)限延時(shí)跳閘。

圖3 信都Ⅱ線起動(dòng)、跳閘、合閘圖

表1 信都Ⅱ線線路部分定值

2.2 測(cè)距為0.1km，距離Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作，而距離Ⅰ、Ⅱ段不動(dòng)作的原因?yàn)椋?/p>

根據(jù)歐姆定律公式 :

式中：U-供電線路二次電壓；

I-供電線路的二次電流；

Z-供電線路的二次阻抗。

當(dāng)供電線路PT二次電壓為0時(shí)，Zd=U/I=0/I=0，根據(jù)表1所示，Zd=0均小于接地距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段和相間距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段阻抗定值，只要滿足各段時(shí)間定值，距離Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段均會(huì)出口動(dòng)作（見圖4）。

圖4 部分距離保護(hù)邏輯圖

信都Ⅱ線采用南京南瑞繼保電氣有限公司RCS-943A型高壓輸電線路成套保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置距離Ⅰ段和距離Ⅱ段作為距離保護(hù)的主保護(hù)段，均使用方向圓特性的阻抗元件[6]，方向圓特性的動(dòng)作阻抗圓經(jīng)過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)于不同的測(cè)量阻抗角，動(dòng)作阻抗也不同。在整定阻抗的方向上，動(dòng)作阻抗最大，正好等于整定阻抗；在整定阻抗的反方向，動(dòng)作阻抗降為0。反向故障時(shí)不會(huì)動(dòng)作，阻抗元件本身具有方向性，方向一般是母線指向線路。

距離Ⅲ段作為距離保護(hù)的后備段，采用偏移特性的阻抗元件。信都Ⅱ線全長(zhǎng)2.63千米，由于線路較短，接地距離偏移角為30度（如表1所示）。在短距離線路應(yīng)用時(shí)，將方向阻抗特性向第Ⅰ象限偏移30度，以擴(kuò)大允許故障過(guò)渡電阻的能力。所以偏移特性的阻抗繼電器包含原點(diǎn)，不存在電壓死區(qū)，在反向故障時(shí)有一定的動(dòng)作區(qū)。

信都Ⅱ線現(xiàn)場(chǎng)倒閘操作時(shí)，母線PT二次電壓失壓，相當(dāng)于是母線三相短路，故障點(diǎn)在母線上，對(duì)于信都Ⅱ線線路來(lái)說(shuō)是區(qū)外故障。由于距離Ⅰ段和距離Ⅱ段具有方向性，只反映區(qū)內(nèi)故障[7]，故保護(hù)不應(yīng)該出口動(dòng)作。距離Ⅲ段在反向故障時(shí)有一定的動(dòng)作區(qū)，母線上的故障落在距離Ⅲ段的動(dòng)作范圍內(nèi)，距離Ⅲ段應(yīng)動(dòng)作跳閘，切除故障。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)校核。表2中電壓表示110kV信都Ⅱ線保護(hù)裝置所取二次電壓，電流表示110kV信都Ⅱ線線路二次電流，時(shí)間表示各個(gè)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間值。

試驗(yàn)前，退出信都Ⅱ線距離保護(hù)功能壓板。表2是為了校驗(yàn)在線路開關(guān)保護(hù)啟動(dòng)的狀態(tài)下，是否還會(huì)發(fā)PT斷線信號(hào)。狀態(tài)1模擬正常情況下，線路PT斷線信號(hào)復(fù)歸狀態(tài)；狀態(tài)2模擬外界給與一個(gè)電流擾動(dòng)，使線路開關(guān)保護(hù)因電流突變量超過(guò)門檻值處于起動(dòng)狀態(tài)；狀態(tài)3模擬線路開關(guān)二次電壓突然降為0，查看開關(guān)是否會(huì)發(fā)PT斷線信號(hào)。

試驗(yàn)過(guò)程經(jīng)歷開始→PT斷線→PT斷線復(fù)歸→保護(hù)起動(dòng)→開關(guān)PT二次電壓為0→結(jié)束。整個(gè)試驗(yàn)下來(lái)，保護(hù)裝置在保護(hù)啟動(dòng)后直到最終結(jié)束，均沒(méi)有再發(fā)PT斷線告警信號(hào)。

試驗(yàn)前，投入信都Ⅱ線距離保護(hù)功能壓板。按表2步驟重新做一次試驗(yàn)，在保護(hù)裝置上可查到保護(hù)信息：59ms距離Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳閘；302ms距離Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作跳閘；1543ms 距離Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作跳閘。

繼續(xù)保持信都Ⅱ線距離保護(hù)功能壓板投入，按表3步驟進(jìn)行試驗(yàn)，在保護(hù)裝置上只查到：1595ms 距離Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作跳閘。

表3與表2的區(qū)別在于狀態(tài)3，表2的狀態(tài)3電壓和電流同相，模擬區(qū)內(nèi)故障。在區(qū)內(nèi)故障時(shí)，距離Ⅰ段、距離Ⅱ段和距離Ⅲ段在各段的時(shí)間內(nèi)均保護(hù)出口跳閘。表3的狀態(tài)3電壓和電流反向，模擬區(qū)外故障。區(qū)外故障時(shí)，由于距離Ⅰ段和距離Ⅱ段具有方向性，只反映區(qū)內(nèi)故障，不會(huì)保護(hù)出口，距離Ⅲ段有一定的反映區(qū)外故障的能力，故只有距離Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作出口。

表2 開關(guān)不發(fā) PT斷線信號(hào)試驗(yàn)

表3 開關(guān)距離Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作試驗(yàn)

4 建議

通過(guò)對(duì)110kV信都Ⅱ線開關(guān)PT二次電壓短時(shí)失壓造成保護(hù)跳閘事件的分析，在進(jìn)行線路開關(guān)帶電倒母線時(shí)，為了防止再次發(fā)生類似事件，建議采取以下防范措施。

4.1 線路開關(guān)保護(hù)裝置升級(jí)。對(duì)于重要的聯(lián)絡(luò)線，開關(guān)保護(hù)裝置可升級(jí)為適合鋼廠負(fù)荷波動(dòng)的版本。升級(jí)后的保護(hù)裝置可有效避免由于鋼廠負(fù)荷波動(dòng)造成保護(hù)誤動(dòng)。

4.2 線路PT二次電壓進(jìn)行帶電倒閘操作時(shí)，可在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)二次電壓先并列，后解列。此種操作可實(shí)現(xiàn)開關(guān)二次電壓不間斷，避免因PT二次電壓為0造成保護(hù)誤動(dòng)。

4.3 110kV信都Ⅱ線線路主要保護(hù)配置有差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)、PT斷線過(guò)流保護(hù)。當(dāng)線路PT有故障時(shí)，距離保護(hù)可能會(huì)誤動(dòng)，零序過(guò)流保護(hù)的方向元件也會(huì)受到影響，退出距離保護(hù)，線路的差動(dòng)保護(hù)和PT斷線過(guò)流保護(hù)仍能正常運(yùn)作。線路PT二次電壓進(jìn)行倒閘操作時(shí)，可將相應(yīng)線路的距離功能壓板退出，待PT二次電壓倒閘結(jié)束后再投入距離功能壓板。這樣即使人工操作導(dǎo)致開關(guān)PT二次失壓，在距離保護(hù)沒(méi)有被閉鎖的前提下，距離保護(hù)各段均達(dá)到動(dòng)作門檻值，但由于線路開關(guān)距離功能壓板在退出狀態(tài)，距離保護(hù)也不能相應(yīng)出口。