220kV線路故障過程中零序電流保護動作分析

王沁洋

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司海安市供電分公司，江蘇南通，226000

0 引言

220kV線路零電流保護通常設(shè)置三段式，其中第I段按照躲過本線路末端接地短路時的最大零序電流整定，只能保護本線路的一部分；零序電流保護Ⅱ段與相鄰線路的零序Ⅰ段配合，并帶有動作延時。考慮到單相重合閘所造成的非全相運行時，對于零序電流保護需設(shè)置零序電流保護不靈敏Ⅰ段和不靈敏Ⅱ段。靈敏Ⅰ段、Ⅱ段在單相重合閘過程中退出運行，不靈敏Ⅰ段、Ⅱ段在故障及重合過程中不退出運行[1]。零序Ⅲ段電流保護動作時間一般長于重合閘周期，非全相運行時無需退出，主要保護線路的全長，按躲過相鄰線路出口處相間短路時的最大不平衡電流，在線路末端金屬性接地時有一定的靈敏系數(shù)。

1 故障經(jīng)過

某日15時30分，220kV HS4989線發(fā)生A相接地故障后斷線，S變側(cè)線路保護CSC103A、WXH-803縱聯(lián)差保護動作，三相跳閘，重合閘為三重方式，重合成功后，HS4989線CSC103A保護零序Ⅲ段動作，ABC相跳閘。WXH-803保護零序電流保護未動作。H變側(cè)線路保護CSC103A和WXH-803縱聯(lián)差保護均動作，開關(guān)三相未跳閘。

事故發(fā)生時，S站通過220kV HS4989線向H變供電，H變側(cè)220kV HS4989線為線路-變壓器組接線，S站與H站間接線如圖1所示，HS4989線開關(guān)兩側(cè)保護配置相同，分別配置WXH803A和CSC103A保護裝置，主保護為光纖縱聯(lián)差動保護，S側(cè)線路主保護和后備保護均投入[2]。

圖1 S 站與H 站聯(lián)絡(luò)接線圖

S側(cè)線路差動保護定值為500/0.2A，零序保護過流Ⅱ段、Ⅲ段投入，零序過流Ⅱ段定值2400/0.96A，時間1.1s，零序過流Ⅲ段定值250/0.1A，時間2.6s，經(jīng)方向元件控制。零序保護過流加速段定值與零序過流Ⅱ段相同。采用三相重合閘，時間為1s，三跳方式。

2 故障分析

2.1 保護動作情況

S站側(cè)故障錄波如圖2所示，可以看出，0-60ms時刻故障發(fā)生，第一次故障期間，S站側(cè)：A相電流有較大突變，B、C相電流突變量不大。3I0超前3U0約97°，正方向故障。Ua超前Ia約75°，無過渡電阻?？梢钥闯觯緜?cè)HS4989開關(guān)在故障發(fā)生后，60ms兩套主保護均動作，開關(guān)三相跳閘。故障類型為A相金屬性接地故障。60-1147ms：重合閘時間約為1s，線路采用三相重合閘。兩套保護裝置重合閘均動作。1147-3925ms：三相重合后，S站側(cè)三相電壓正常，A相無流，B、C相電流和第一次故障期間相當(dāng)。重合后，因斷線非全相運行，出現(xiàn)零序電流，經(jīng)過2.6s后，零序Ⅲ段動作，跳開三相開關(guān)，永跳同時閉鎖重合閘[3]。

圖2 S 站側(cè)錄波

S站側(cè)HS4989開關(guān)CSC103A保護動作信息如表1所示。

表1 S 站HS4989 開關(guān)合閘時CSC103A 保護動作信息

S站側(cè)HS4989開關(guān)WXH803保護動作信息如表2所示。S站側(cè)零序和A相電流電壓相量圖如圖3所示。

表2 S 站側(cè)HS4989 開關(guān)WXH803 保護動作報文

H站側(cè)故障錄波如圖4所示，可以看出，0-70ms時刻故障發(fā)生，第一次故障期間，H站側(cè)：A相電壓降低至接近零，B、C相電壓下降較小，出現(xiàn)零序電壓3U0，三相電流均有突變，突變幅值相當(dāng)。3I0超前3U0約97°，正方向故障。Ua跌落至接近零，如果以Ub作為電壓參考，Ia超前Ub約44°，即滯后Ua約76°（如圖5所示），為正向出口A相金屬性接地故障。

圖4 H 站側(cè)錄波

圖5 H 站側(cè)零序和A 相電流B 相電壓相量圖

綜上所述，SH4989線在H站側(cè)發(fā)生正向出口A相金屬性接地故障，線路縱聯(lián)電流差動保護動作跳開S側(cè)三相開關(guān)，重合閘動作，S側(cè)三相開關(guān)合閘，接著故障轉(zhuǎn)換為SH4989線A相斷線非全相運行，同時H站側(cè)A相金屬性接地故障，S站重合閘動作后S側(cè)103保護零序過流Ⅲ段動作跳開S側(cè)4989開關(guān)。H站側(cè)是受電側(cè)，主保護設(shè)弱電應(yīng)答方式，其他保護和重合閘均退出，開關(guān)無法跳閘，重合后A相故障電流0.13A，為非全相運行時的零序電流，未達到差動定值0.2A，所以第二次故障期間主保護未動作[4]。

2.2 零序電流保護動作分析

2.2.1 S站側(cè)兩套保護動作行為不一致分析

SH4989線S站側(cè)CSC103A保護零序過流Ⅲ段動作，WXH-803保護零序過流Ⅲ段未動作。《線路保護及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計規(guī)范》（QGDW 1161—2014）中第5.2.4條對零序過流保護有以下要求，即在線路保護判別非全相運行時將零序過流Ⅲ段動作時間縮短0.5s，并取消方向元件，取消線路非全相投入運行的零序電流保護的其他段[5]。保護動作行為不一致是否與之相關(guān)，整理各型號線路保護非全相判別邏輯如表3。

表3 不同廠家非全相運行識別邏輯

SH4989線S站側(cè)兩套保護重合閘動作合上SH4989開關(guān)時，接地故障點處A相已發(fā)生斷線，S站側(cè)A相無電流，同時此時無保護動作也無TWJ動作，意味著S站側(cè)四方CSC-103和許繼電氣WXH-803保護均不會進入非全相判別邏輯。零序過流Ⅲ段保護動作時間不會縮短0.5s。

對于單相重合閘而言，重合加速時，為了躲過重合期間非全相運行時負荷電流造成的零序電流，會帶有60ms的延時。三重方式下，為了躲過開關(guān)三相合閘不同期造成的零序電流，保護帶有100ms的延時[6]。

開關(guān)重合后出現(xiàn)故障電流，零序電流為0.215A＞0.1A，零序電流超前零序電壓約103°，為正方向，滿足零序Ⅲ段動作條件。因為是三相重合閘方式，所以為了躲過三相開關(guān)合閘不同期，延時100ms。開關(guān)重合后從故障電流出現(xiàn)至保護發(fā)出永跳令，用時2729ms=2600+100+29（29ms為保護固有動作時間），CSC-103保護動作正確。根據(jù)許繼廠家說明，WXH-803保護在重合閘動作之后，以200ms延時來躲開關(guān)三相不同期，其動作時間比CSC-103保護慢100ms，即2820ms左右WXH-803保護零序過流Ⅲ段能動作出口，但圖7錄波顯示，由于CSC-103保護零序Ⅲ段動作，2776ms時故障電流已消失，WXH-803保護返回[7]。S站側(cè)SH4989線CSC-103保護錄波如圖6所示。

圖6 S 站側(cè)SH4989 線CSC-103 保護錄波

圖7 SH4989 線S 側(cè)重合后電流波形

2.2.2 兩側(cè)電流分析

SH4989線重合后S站側(cè)B、C相電流如圖7所示，大小相同，相位接近同相。此故障為復(fù)雜故障，將其分解為A相斷線后的負荷狀態(tài)和斷口H站側(cè)接地的附加狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 復(fù)雜故障的分解

先分析A相斷線后的電流相量，假設(shè)故障前后負荷電流不變。斷線后A相電流為零，所以。因為斷口兩側(cè)均有接地點，所以零序網(wǎng)絡(luò)通，序網(wǎng)圖如圖9所示。

圖9 A 相斷線后的序網(wǎng)圖

S站SH4989線路A相正、負、零序電流如下：

圖10 SH4989 線A 相斷線后電流相量圖

負荷狀態(tài)下一相斷線后的電流相量已經(jīng)解出，還需要解出附加狀態(tài)下的電流相量。附加狀態(tài)等效電路圖如圖11所示。

圖11 附加狀態(tài)等效電路圖

如圖12，圖中忽略了變壓器的中、低壓側(cè)，只畫出高壓側(cè)和內(nèi)三角繞組。當(dāng)高壓側(cè)A相斷線后，由于高壓側(cè)中性點直接接地，B、C相能在三角繞組的b、c相感應(yīng)正常電壓和，因為是角接，頭尾相連，所以A相繞組上的電壓，即B、C相繞組電壓在A相繞組上疊加出電壓，A相繞組再往同鐵心上的高壓側(cè)A相繞組上感應(yīng)出正常電壓。

圖12 主變高壓側(cè)A 相非全相

圖13 重合后S 側(cè)電流相量圖分析結(jié)果

H站側(cè)第一次故障期間和重合后三相電流波形都比較接近，第一次故障時，由圖14可知，第一次故障期間H站側(cè)三相電流由對稱負荷電流變?yōu)槿嘞辔唤咏牧阈蛐再|(zhì)的電流。

圖14 H 站故障前后電流波形圖

第一次故障時，SH4989線H站側(cè)出口A相接地。由于H站是自耦變壓器中性點接地，所以流過的故障分量電流是零序電流，如圖15所示。

因為故障期間A相電壓跌為零，以B相電壓作為參考。故障點零序電壓與A相電壓反相，正方向故障，所以超前約105°，即超前大約45°。正常負荷電流疊加故障分量電流，如圖16所示，與實際情況相符。

圖16 第一次故障時電流相量圖

S站SH4989線重合后，H站側(cè)故障分量如下式：

A相斷線后的負荷狀態(tài)再疊加故障附加狀態(tài)，因為A相斷線后負荷電流為零，所以A相只有故障附加狀態(tài)，繪制相量如圖17所示，與實際情況相符。

3 結(jié)語

針對高壓輸電線路零序過流保護，在有可能發(fā)生非全相運行時，為了保證各保護裝置動作邏輯一致，相關(guān)保護裝置的判據(jù)應(yīng)當(dāng)一致，以便正確分析保護動作行為。針對斷路器本體三相不一致保護的情況下，零序電流保護進入非全相運行邏輯和動作時限，均需與斷路器本體三相不一致保護配合。