基于線路故障的變電站跳閘事件分析

徐勝光，林英瑞，劉俊雨，萬壽雄，黃 偉

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司柳州供電局，廣西 柳州 545005）

0 引言

繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中扮演著重要角色，其動(dòng)作的正確與否直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-6]。故障出現(xiàn)時(shí)，繼電保護(hù)須快速、可靠、有選擇性地切除故障，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[7-13]。雖然目前微機(jī)保護(hù)技術(shù)已較為成熟，但保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)事件仍偶有發(fā)生[14-21]，找出事件原因并進(jìn)行及時(shí)整改，有利于提高系統(tǒng)的安全可靠性。本文針對一起由線路負(fù)荷側(cè)故障引起三座變電站線路開關(guān)越級(jí)跳閘事件進(jìn)行分析，結(jié)合保護(hù)裝置報(bào)文、故障錄波圖等對跳閘原因進(jìn)行查找，并提出整改建議。

1 事件經(jīng)過

圖1為甲、乙、丙三站一次系統(tǒng)聯(lián)系圖。故障發(fā)生前，110 kV甲站為負(fù)荷站，通過110 kV乙站供電。事件經(jīng)過如下。

（1）16：37：27.691，110 kV甲站35 kVⅡ母發(fā)出接地告警，同時(shí)主變壓器中、低后備保護(hù)裝置發(fā)出復(fù)合電壓啟動(dòng)信號(hào)；16：45：53.15，A線3115保護(hù)過流Ⅰ段動(dòng)作跳閘，1.635 s后重合閘動(dòng)作，開關(guān)合上。

（2）16：45：55.518，110 kV乙站110 kV B線112保護(hù)相間距離Ⅲ段動(dòng)作跳閘，經(jīng)2.07 s后重合閘動(dòng)作，開關(guān)重合成功后3.208 s，保護(hù)相間距離Ⅲ段再次動(dòng)作跳閘，開關(guān)分閘。

（3）16：45：56.251，220 kV丙站110 kV C線117保護(hù)距離Ⅲ段動(dòng)作跳閘，1.568 s后重合閘動(dòng)作，開關(guān)合上。

2 事件調(diào)查及動(dòng)作分析

動(dòng)作事件后，第一時(shí)間對動(dòng)作設(shè)備進(jìn)行檢查、調(diào)取錄波記錄及相關(guān)信息。

2.1 110 kV甲站相關(guān)保護(hù)檢查及動(dòng)作分析

2.1.1 保護(hù)檢查

（1）檢查監(jiān)控后臺(tái)記錄，僅有35 kVⅡ母接地報(bào)文，事件發(fā)生時(shí)，后臺(tái)掉電異常。

（2）檢查35 kV小電流接地選線裝置，在16：37：27.69，裝置記錄35 kVⅡ母接地告警，此時(shí)零序電壓高達(dá)34.2 V（定值30 V），告警時(shí)長不低于11.213 s。因裝置現(xiàn)場未設(shè)計(jì)相關(guān)跳閘出口回路，故僅記錄告警事件。

（3）檢查35 kV A線3115保護(hù)裝置及其開關(guān)，裝置型號(hào)ARL-851。16：45：53.15時(shí)，保護(hù)裝置過流Ⅰ段動(dòng)作（三相短路電流分別為39.37 A、55.33 A、55.95 A；定值：15 A、0.3 s、過流Ⅰ段方向退出），經(jīng)1.635 s后重合閘（定值1.5 s）出口動(dòng)作，開關(guān)合上。因裝置老舊、程序版本低，無錄波記錄。

通過故障電流可以看出，故障類型為相間故障，最高相故障電流經(jīng)開關(guān)TA變比300/5，折算至一次電流值為3357 A，故35 kV A線3115線路保護(hù)動(dòng)作正確。

（4）檢查主變壓器保護(hù)裝置及三側(cè)開關(guān)，裝置型號(hào)ART-811（差動(dòng)保護(hù)）、RT-812（后備保護(hù)），三側(cè)開關(guān)均在合位。經(jīng)校驗(yàn)主變壓器保護(hù)裝置功能及出口均正確，按時(shí)間先后順序整理主變壓器保護(hù)裝置運(yùn)行告警信號(hào)記錄，結(jié)果如表1所示。裝置無保護(hù)動(dòng)作事件報(bào)文。主變壓器高、低壓側(cè)電流互感器（TA）試驗(yàn)及繞組數(shù)據(jù)正常，中后備保護(hù)TA有燒傷痕跡、數(shù)據(jù)異常，差動(dòng)及后備保護(hù)間有死區(qū)，無錄波記錄。

2.1.2 動(dòng)作分析

對于主變壓器中壓側(cè)存在故障時(shí)中后備保護(hù)未動(dòng)作現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)保護(hù)功能及出口均正常，觀察中后備保護(hù)TA外觀，判斷是由外部高溫灼傷引起TA損壞，推測故障點(diǎn)位于主變壓器中壓側(cè)3117開關(guān)觸頭與中后備保護(hù)TA之間，而中后備保護(hù)TA無法感應(yīng)到故障電流，所以其中后備保護(hù)不動(dòng)作。

甲站主變壓器中后備保護(hù)及差動(dòng)TA分布示意圖如圖2所示，可見，故障點(diǎn)在主變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作區(qū)域外，因此主變壓器差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作。

由于事件中甲站無錄波記錄，為分析甲站主變壓器高壓側(cè)154開關(guān)保護(hù)不動(dòng)作，需借助受甲站故障電流影響引起的乙站B線112保護(hù)動(dòng)作的錄波記錄，圖3為乙站B線112保護(hù)動(dòng)作錄波圖。

由圖3可知，在16：45：52.353至16：45：55.517，乙站B線112保護(hù)二次故障電流為13.1 A，其TA變比為600/5，折算后一次電流為1572 A；甲站主變壓器高壓側(cè)154開關(guān)TA變比為300/5，經(jīng)計(jì)算該側(cè)二次故障電流為26.2 A，超過主變壓器高壓側(cè)復(fù)壓過流Ⅰ段定值4.42 A。由于甲站主變壓器高壓側(cè)電壓波動(dòng)很小，高壓側(cè)復(fù)合電壓閉鎖僅開放26 ms（見表1），未達(dá)到復(fù)壓過流Ⅰ段時(shí)間定值1.5 s，且故障發(fā)生時(shí)高后備保護(hù)未投入高壓側(cè)經(jīng)中、低壓側(cè)復(fù)壓閉鎖控制，因此甲站主變壓器高壓側(cè)復(fù)壓過流不動(dòng)作。同時(shí)可知，因乙站B線112故障電流持續(xù)存在，故甲站主變壓器中壓側(cè)相間故障持續(xù)存在（故障區(qū)域見圖2），而甲站主變壓器高壓側(cè)無零序電流，因此零序過流保護(hù)（定值：2.5 A、0.3 s）不動(dòng)作。

2.2 110 kV乙站相關(guān)保護(hù)檢查及動(dòng)作分析

（1）檢查乙站B線112保護(hù)裝置及其開關(guān)，裝置型號(hào)PSL621C。裝置發(fā)出保護(hù)跳閘后，開關(guān)重合成功，保護(hù)再次跳閘，開關(guān)在分位，調(diào)取的保護(hù)動(dòng)作錄波圖見圖3。由圖3可知，16：45：52.413時(shí)乙站B線112保護(hù)啟動(dòng)，經(jīng)延時(shí)3.104 s相間距離Ⅲ段（定值：11Ω、3.1 s）動(dòng)作跳閘，16：45：57.588時(shí)成功啟動(dòng)重合閘，后于16：46：00.796相間距離Ⅲ段再次動(dòng)作跳閘。由于保護(hù)裝置采用四邊形阻抗繼電器原理的相間距離保護(hù)Ⅲ段作為線路保護(hù)，故按照說明書要求及定值整定參數(shù)，借助CAAP2008X軟件，可得到如圖4所示的乙站B線112線路相間阻抗圖。

圖3 乙站B線112保護(hù)動(dòng)作錄波圖Fig.3 The oscillogram of the protection action of Line 112 of line B at Station B

由圖4可知，在此時(shí)段內(nèi)乙站B線112線路相間距離Ⅲ段短路阻抗在整定的四邊形阻抗動(dòng)作區(qū)域內(nèi)，保護(hù)動(dòng)作正確，但由于后加速Ⅲ段控制退出且測量阻抗未達(dá)到后加速Ⅱ段條件，導(dǎo)致后加速保護(hù)未動(dòng)作。

圖4 乙站B線112線路相間阻抗圖Fig.4 Phase?to?phase impedance diagram of line 112 of line B at station B

（2）檢查乙站C線113保護(hù)裝置及其開關(guān)，裝置型號(hào)PSL621C。裝置僅有保護(hù)啟動(dòng)，調(diào)取錄波分析圖如圖5所示。由圖5可知，故障時(shí)刻三相電壓均滯后電流110°左右，為反方向故障特征，因此距離保護(hù)不動(dòng)作。此外，在故障發(fā)生后296 ms，母線電壓首次低于90 V（低電壓啟動(dòng)定值）。

圖5 乙站C線113保護(hù)啟動(dòng)錄波分析圖Fig.5 Recording analysis diagram of 113 protection activation of Line C at Station B

總之，乙站B線112距離保護(hù)CPU采用電鐵程序（4.53/ACC5），乙站C線113距離保護(hù)CPU采用常規(guī)程序（4.53/FCF9）。PSL621C系列保護(hù)裝置主要啟動(dòng)元件為相電流突變量啟動(dòng)元件（乙站C線113啟動(dòng)方式）。為了防止沖擊性負(fù)荷時(shí)線路保護(hù)頻繁啟動(dòng)，電鐵程序采用相電流突變量啟動(dòng)元件和低電壓啟動(dòng)元件（任意相間電壓低于“低電壓啟動(dòng)定值”）“與”邏輯，即同時(shí)滿足相電流突變量以及低電壓啟動(dòng)條件保護(hù)才能啟動(dòng)（乙站B線112啟動(dòng)方式）。因此，乙站B線112保護(hù)裝置在故障發(fā)生296 ms后滿足電壓啟動(dòng)條件，并在340 ms后相電流突變量再次滿足條件，乙站B線112保護(hù)裝置啟動(dòng)，同時(shí)可知乙站B線112保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間應(yīng)滯后乙站C線113保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間340 ms。

2.3 220 kV丙站相關(guān)保護(hù)檢查及動(dòng)作分析

檢查丙站C線117保護(hù)裝置及其開關(guān)，裝置型號(hào)RCS-941A。裝置發(fā)出保護(hù)跳閘后開關(guān)重合成功，開關(guān)在合位，調(diào)取的保護(hù)動(dòng)作錄波圖見圖6。

由圖6知，16：45：52.831時(shí)，丙站C線117保護(hù)啟動(dòng)，經(jīng)延時(shí)3.42 s后相間距離Ⅲ段（定值：60 Ω、3.4 s）動(dòng)作跳閘，16：45：57.819時(shí)，重合閘啟動(dòng)，再經(jīng)延時(shí)1.568 s后重合閘（定值1.5 s）出口動(dòng)作，開關(guān)合上。由于裝置采用多邊形阻抗繼電器原理的相間距離保護(hù)Ⅲ段作為線路保護(hù)，故按照說明書要求及定值整定參數(shù)，借助CAAP2008X軟件，可得到如圖7所示的丙站C線117線路相間阻抗圖。

圖6 丙站C線117保護(hù)動(dòng)作錄波圖Fig.6 The oscillogram of 117 protection action of Line C at Station C

由圖7可知，在此時(shí)段內(nèi)丙站C線117線路相間距離Ⅲ段短路阻抗在整定的多邊形阻抗動(dòng)作區(qū)域內(nèi)，保護(hù)動(dòng)作正確。

圖7 丙站C線117線路相間阻抗圖Fig.7 Phase?to?phase impedance diagram of line 117 of at line C station C

2.4 甲、乙、丙三座變電站相關(guān)保護(hù)動(dòng)作時(shí)序分析

現(xiàn)場乙站C線113啟動(dòng)時(shí)間為16：45：52.73，丙站C線117啟動(dòng)時(shí)間為16：45：52.831，兩側(cè)相差約758 ms，由于故障電流大，C線兩側(cè)保護(hù)應(yīng)同時(shí)啟動(dòng)，所以變電站同步時(shí)鐘系統(tǒng)對時(shí)時(shí)間丙站滯后乙站約758 ms。綜上所述，三座變電站真實(shí)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)序圖應(yīng)如圖8所示。

圖8 甲乙丙站相關(guān)保護(hù)動(dòng)作時(shí)序Fig.8 Action sequence of related protection of A,B and C stations

2.5 結(jié)論

根據(jù)分析，由于110 kV甲站35 kV A線3115線路負(fù)荷側(cè)故障導(dǎo)致該線路保護(hù)動(dòng)作，且保護(hù)動(dòng)作正確，但過大的故障電流對110 kV甲站一次設(shè)備造成了兩次沖擊，使得絕緣降低發(fā)生短路故障，引起設(shè)備損壞。推測故障點(diǎn)在110 kV甲站主變壓器中后備保護(hù)TA與中壓側(cè)3117開關(guān)觸頭之間，位于差動(dòng)及中后備保護(hù)動(dòng)作區(qū)域外，且高后備保護(hù)復(fù)壓開放時(shí)間過短，所以110 kV甲站主變壓器保護(hù)未動(dòng)作屬于正常現(xiàn)象。110 kV乙站B線112線路保護(hù)作為110 kV甲站主變壓器遠(yuǎn)后備保護(hù)，動(dòng)作跳B線112開關(guān)隔離故障，保護(hù)動(dòng)作正確，因故障為永久故障，保護(hù)再次動(dòng)作將故障切除。220 kV丙站C線因保護(hù)啟動(dòng)超前110 kV乙站B線340 ms，保護(hù)動(dòng)作正確。

3 存在的問題及整改措施

（1）110 kV甲站主變壓器中壓側(cè)TA繞組使用不規(guī)范，未實(shí)現(xiàn)保護(hù)范圍最大化。需根據(jù)文獻(xiàn)[22-23]等相關(guān)規(guī)程文件進(jìn)行TA繞組配置及使用，避免保護(hù)范圍死區(qū)問題，實(shí)現(xiàn)保護(hù)范圍最大化。

（2）110 kV甲站后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)電源接線不規(guī)范。監(jiān)控后臺(tái)主機(jī)電源未接入不間斷電源（UPS）裝置，造成站用變壓器失壓時(shí)監(jiān)控后臺(tái)主機(jī)失電，未能記錄保護(hù)動(dòng)作信息。建議根據(jù)要求，完善監(jiān)控后臺(tái)主機(jī)電源配置UPS裝置，以確保設(shè)備可靠運(yùn)行。

4 結(jié)語

本文介紹了一起由線路故障引起的三座變電站線路開關(guān)越級(jí)跳閘事件，通過分析找出了跳閘原因，并針對存在的問題提出相應(yīng)的整改建議，以提高系統(tǒng)的安全可靠性。