某220 kV變電站兩條110 kV線路同時(shí)跳閘的故障分析

摘要：針對(duì)兩條110 kV線路同時(shí)發(fā)生跳閘故障的情況進(jìn)行了分析。經(jīng)過對(duì)故障錄波數(shù)據(jù)審查以及保護(hù)動(dòng)作邏輯推理，確定故障起因：由于遭遇雷雨大風(fēng)等極端天氣，建筑工地的鋼絲繩意外被吹落，并纏繞在兩條110 kV線路上，形成了非接觸性的線路連接。鋼絲繩并未接地，處于懸空狀態(tài)，導(dǎo)致與之相連的3條導(dǎo)線在某一位置發(fā)生了小電流高阻接地現(xiàn)象。隨后，這一異常情況進(jìn)一步發(fā)展，引發(fā)了跨線短路故障，最終導(dǎo)致兩條線路跳閘。

關(guān)鍵詞：110 kV線路;階段性分析;故障錄波;跨線短路

中圖分類號(hào)：TM75" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）24-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.001

0" " 引言

110 kV線路在運(yùn)行過程中，可能會(huì)出現(xiàn)各種故障造成線路跳閘，但是兩條110 kV線路同時(shí)跳閘的故障在實(shí)際運(yùn)行中并不常見，一旦發(fā)生，會(huì)給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響[1]。這種故障可能導(dǎo)致大面積停電，給用戶帶來不便，同時(shí)也給電力系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)帶來一定的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[2-3]分析了110 kV線路常見故障，文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)多條線路故障問題進(jìn)行了研究，但目前對(duì)于兩條110 kV線路同時(shí)跳閘的故障分析研究還相對(duì)較少。為此，本文對(duì)一起兩條110 kV線路同時(shí)跳閘的故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，希望能為系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。本文通過對(duì)故障前線路狀態(tài)、故障時(shí)線路狀態(tài)以及故障后線路恢復(fù)情況的分析，找出了故障發(fā)生的原因，并提出了相應(yīng)的解決方案。

1" " 故障概述

2023年4月23日，某220 kV變電站內(nèi)兩條110 kV出線發(fā)生同時(shí)跳閘的情況，且重合閘均未成功，經(jīng)判定，此次故障屬于永久性短路故障跳閘。在故障發(fā)生時(shí)，110 kV Ⅰ線至110 kV C站高側(cè)開關(guān)維持熱備用狀態(tài)。經(jīng)過維護(hù)人員檢查，發(fā)現(xiàn)以下顯著異?，F(xiàn)象：首先，故障切除周期顯著延長，自故障起始至結(jié)束，歷時(shí)超過12 s;其次，兩條線路的重合閘動(dòng)作時(shí)間均超出正常范圍，超過9 s;再者，兩條線路所表現(xiàn)出的短路電流存在顯著差異，且各自觸發(fā)的保護(hù)類型也不盡相同。鑒于上述復(fù)雜情況，此次故障所涉及的兩條線路跳閘過程較為煩瑣，故障錄波圖蘊(yùn)含了豐富的信息，需進(jìn)一步分析。電網(wǎng)局部運(yùn)行接線圖如圖1所示。

1.1" " 事件簡述

2023-04-23T17：39左右，該電網(wǎng)的110 kV Ⅰ線發(fā)生差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的兩側(cè)負(fù)荷開關(guān)跳閘，且重合閘動(dòng)作未能成功。同時(shí)，110 kV Ⅱ線也出現(xiàn)了故障，其中一側(cè)縱聯(lián)零序方向保護(hù)動(dòng)作跳閘，而另一側(cè)則因零序電流Ⅳ段保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)跳閘，兩次的重合閘嘗試均未成功。隨后，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令，對(duì)110 kV Ⅰ線進(jìn)行了強(qiáng)送電操作，但同樣未能成功恢復(fù)電力供應(yīng)。

1.2" " 保護(hù)動(dòng)作及故障信息

經(jīng)過對(duì)故障錄波圖進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

1）針對(duì)110 kV Ⅰ線220 kV A站側(cè)，故障相為B相，測距結(jié)果顯示為6.2 km。故障相電流為45.4 A（CT變比600/5，對(duì)應(yīng)一次值為5 448 A），零序電流為47.19 A（一次值5 662.8 A），差動(dòng)電流為89.58 A（一次值10 749.6 A）。

2）在110 kV Ⅰ線110 kV A站側(cè)，故障相為B相，測距顯示4.7 km。故障相電流為45.94 A（CT變比600/5，一次值5 512.8 A），零序電流為43.67 A（一次值5 240.4 A），差動(dòng)電流為89.75 A（一次值10 770 A）。

3）110 kV Ⅱ線220 kV A站側(cè)的故障相為B相，測距顯示為0 km。故障相電流為3.02 A（CT變比600/5，一次值362.4 A），零序電流為3.04 A（一次值364.8 A）。

4）對(duì)于110 kV Ⅱ線110 kV B站側(cè)，故障相為B相，測距為168.3 km。故障相電流為1.95 A（CT變比600/5，一次值234 A），零序電流為1.39 A（一次值166.8 A）。

此外，在故障啟動(dòng)階段，兩條線路的短路電流波形表現(xiàn)一致，且消失時(shí)間也相同，這明確表明兩條線路的四套保護(hù)裝置是由同一個(gè)故障觸發(fā)并同時(shí)啟動(dòng)。保護(hù)動(dòng)作情況如表1所示。

1.3" " 故障階段性分析

分析兩條線路的4套保護(hù)裝置故障報(bào)告及錄波圖，確定其為跨線發(fā)展性故障。因兩線路在220 kV A站后7.77 km內(nèi)為同塔雙回路，易發(fā)生跨線故障，為此，下文分初始、中間、過程三階段分析故障。

1.3.1" " 初始階段（110 kV Ⅰ線B相發(fā)生接地短路）

1）一般性分析：圖2和圖3分別為110 kV Ⅰ線在220 kV A站側(cè)和110 kV A站側(cè)初始階段的錄波數(shù)據(jù)。根據(jù)這兩張圖的分析，可以明確看到在初始階段，110 kV Ⅰ線的兩側(cè)均發(fā)生了顯著的B相短路電流，其一次短路電流值高達(dá)約5 500 A，并伴隨有相同大小和形狀的零序電流。與此同時(shí)，母線B相電壓明顯降低，零序電壓也相應(yīng)出現(xiàn)，這些現(xiàn)象均符合單相接地短路的特征。

故障應(yīng)對(duì)上，220 kV A站側(cè)故障切除用時(shí)60 ms，110 kV A站側(cè)為50 ms。線路兩側(cè)開關(guān)跳閘后，110 kV母線電壓迅速穩(wěn)定，表明故障消除，故障點(diǎn)位于本線路段。同時(shí)，差動(dòng)保護(hù)在故障處理中發(fā)揮了有效作用。

2）故障電流、電壓相位角分析：單相短路時(shí)，故障相電流相位角滯后母線電壓約70°。圖2、圖3顯示兩側(cè)B相短路電流相位均滯后B相電壓52°～60°，表明兩側(cè)均為正方向短路故障，故障點(diǎn)位于本線內(nèi)。

3）零序電流與零序功率方向分析：由于3I0=IA+IB+IC=Ib（當(dāng)IA與IB為零時(shí)），單相接地時(shí)零序電流與故障相電流大小相等、方向一致。但圖2、圖3顯示兩側(cè)3I0方向與IB相反，表明二次電流回路接線錯(cuò)誤，3I0極性接反。現(xiàn)代微機(jī)型保護(hù)裝置使用自產(chǎn)零序電流判別方向，故3I0極性接線錯(cuò)誤不影響保護(hù)正確動(dòng)作。

接地短路時(shí)，線路零序電流超前母線零序電壓110°。分析圖2、圖3，110 kV Ⅰ線兩側(cè)零序電流相位角均超前零序電壓107°～120°，顯示兩側(cè)零序功率方向?yàn)檎收宵c(diǎn)位于本線。

查閱110 kV Ⅱ線兩側(cè)錄波數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)220 kV A站側(cè)零序電流相位滯后零序電壓62°，表明零序功率方向?yàn)榉捶较?而110 kV B站側(cè)零序電流相位超前零序電壓98°，屬正方向范圍。因此，故障點(diǎn)位于反方向220 kV A站側(cè)的區(qū)外，而非110 kV Ⅱ線。

1.3.2" " 中間階段（故障點(diǎn)發(fā)生跨線連接、故障轉(zhuǎn)移到110 kV Ⅱ線）

仔細(xì)觀察110 kV Ⅰ線跳閘后的線路電壓UL，從故障切除后消失到出現(xiàn)，又消失，可以發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)在兩條線路上來回轉(zhuǎn)換。其中110 kV Ⅰ線跳閘后故障錄波圖如圖4所示。

1）2 090 ms時(shí)，發(fā)生雙回路跨線導(dǎo)線連接。從圖4可以看出，故障前-40 ms，線路電壓UL與母線電壓UC相位一致，說明線路電壓取自C相導(dǎo)線。故障切除后，UL降為0，但2 090 ms時(shí)突然出現(xiàn)，持續(xù)到9 530 ms。在此期間，110 kV Ⅰ線已跳閘，而Ⅱ線仍在運(yùn)行。推斷110 kV Ⅰ線C相電壓來自Ⅱ線，可能是異物連接了兩線。

2）110 kV Ⅰ線重合閘在3.0 s未動(dòng)作，原因在于整定值設(shè)定為“檢無壓，3.0 s”，預(yù)期在“3 060 ms”時(shí)動(dòng)作。但線路跳閘后，電壓短暫恢復(fù)于2 090 ms，使“線路檢無壓”條件失效，導(dǎo)致重合閘計(jì)時(shí)中斷，最終未能在3.0 s時(shí)動(dòng)作。

3）9 389 ms前，110 kV Ⅱ線跳閘后，Ⅰ線負(fù)荷正常。數(shù)秒后，A站側(cè)B相電流微增，B站側(cè)B相電流微減，兩側(cè)零序電流微現(xiàn)，表明B相高阻接地。隨后零序電流增大，9 389 ms時(shí)，B站側(cè)零序電流Ⅳ段動(dòng)作跳閘。A站側(cè)保護(hù)裝置在9 398 ms收到對(duì)側(cè)允許信號(hào)，該信號(hào)基于B站側(cè)零序電流Ⅳ段動(dòng)作后發(fā)出，至16 475 ms返回。9 478 ms，A站側(cè)縱聯(lián)零序方向保護(hù)動(dòng)作，基于B站側(cè)零序電流Ⅳ段動(dòng)作后約89 ms。因此，高阻接地導(dǎo)致零序電流小，B站側(cè)跳閘后，A站側(cè)零序電流增大，提高了縱聯(lián)零序方向保護(hù)靈敏度，加上對(duì)側(cè)允許信號(hào)，保護(hù)動(dòng)作跳閘。因波形小，無法定量分析。

綜合上述分析得出結(jié)論：故障中間階段，110 kV Ⅰ線故障的障礙物在2 090 ms時(shí)從B相轉(zhuǎn)移至C相和110 kV Ⅱ線B相，與大地分離，導(dǎo)致110 kV Ⅱ線B相高阻接地。Ⅱ線金盤側(cè)零序電流Ⅳ段和一側(cè)縱聯(lián)零序方向保護(hù)均正確動(dòng)作跳閘。同時(shí)，Ⅱ線電壓引入Ⅰ線C相，使Ⅰ線重合閘因不滿足檢無壓條件而無法重合。

1.3.3" " 重合閘與后加速階段

110 kV Ⅱ線跳閘后，兩條線路的電壓同時(shí)降為零，兩線的220 kV B站側(cè)重合閘同時(shí)開始計(jì)時(shí)（整定時(shí)間3 s），經(jīng)過約3 s，12 529 ms時(shí)110 kV Ⅰ線220 kV B站側(cè)重合閘動(dòng)作，12 542 ms時(shí)110 kV Ⅱ線重合閘動(dòng)作。查看110 kV Ⅰ線側(cè)重合閘故障錄波圖（圖5），發(fā)現(xiàn)線路電壓UL變化規(guī)律與三相母線電壓不同，出現(xiàn)異常波動(dòng)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)110 kV Ⅰ線電壓UL在開關(guān)重合后相位發(fā)生3次轉(zhuǎn)變，分別為與B相電壓同相、與C相電壓同相、與B相電壓同相。

1）重合后10 ms內(nèi)，110 kV Ⅰ線UL與UB同相，12 630 ms時(shí)線路電壓UL出現(xiàn)峰值，與UB相位一致，表明此時(shí)線路C相電為B相電壓，源于鄰線110 kV Ⅱ線B相電壓的跨線連接。此時(shí)，110 kV Ⅱ線先帶電并合上開關(guān)，其B相電壓傳至110 kV Ⅰ線C相。其間無短路電流，說明兩線路無短路故障。

2）重合10 ms后，12 640—12 700 ms期間，110 kV Ⅰ線UL與Uc同相，12 640 ms時(shí)出現(xiàn)B、C兩相短路電流和零序電流3I0，表明開關(guān)重合成功，C相電壓為本線電壓。短路電流表明110 kV Ⅰ線存在B、C兩相短路。隨后，縱聯(lián)和距離后加速保護(hù)動(dòng)作，60 ms后跳閘，12 700 ms時(shí)短路電流被切除。

3）短路電流消失后即12 700 ms后，110 kV Ⅰ線UL與UB同相，短路電流消失后，由12 710 ms處的3個(gè)波峰可以看出，UL轉(zhuǎn)成與UB同相，說明此時(shí)110 kV Ⅰ線開關(guān)已經(jīng)跳閘，110 kV Ⅱ線開關(guān)還未跳閘。UL至12 730 ms時(shí)才消失，110 kV Ⅱ線開關(guān)才跳閘。

短路電流消失后約12 700 ms，110 kV Ⅰ線UL與UB同相。隨后，在12 710 ms處觀察到3個(gè)波峰，顯示UL轉(zhuǎn)為與UB同相。此時(shí)，110 kV Ⅰ線開關(guān)已跳閘，但110 kV Ⅱ線開關(guān)尚未動(dòng)作。直到約12 730 ms時(shí)，UL消失，表明110 kV Ⅱ線開關(guān)跳閘。

4）重合閘后故障類型分析：

開關(guān)重合后，110 kV Ⅰ線出現(xiàn)B、C兩相電流和零序電流，110 kV Ⅱ線出現(xiàn)B相電流和零序電流。初步判斷為Ⅰ線B、C兩相接地短路，Ⅱ線B相接地短路。深入研究發(fā)現(xiàn)，兩條線路3I0較大，但母線零序電壓3U0為零。理論上，中性點(diǎn)接地電網(wǎng)接地短路會(huì)產(chǎn)生零序電流和電壓，此情況需進(jìn)一步調(diào)查。

根據(jù)指定點(diǎn)的各個(gè)電流通道的電流瞬時(shí)值分別為：110 kV Ⅰ線B相-91.5 A，C相157.7 A，3I0=-64.8 A。110 kV Ⅱ線B相-67.2 A，3I0=66.7 A。從110 kV母線總的零序電流分析，兩條線路的零序電流之和即為流入母線的零序電流，計(jì)算母線3I0如下：

3I0=110 kV Ⅰ線3I0+110 kV Ⅱ線3I0

=110 kV Ⅰ線（IA+IB+IC）+110 kV Ⅱ線（IA+IB+IC）

=157.7-91.5-67.2=-1≈0

從計(jì)算結(jié)果可以看出，流入母線零序電流等于零，與母線零序電壓為零相一致。這表明電網(wǎng)沒有接地的短路故障。

再分析各相短路電流值：110 kV Ⅰ線IC=-（110 kV Ⅰ線IB+110 kV Ⅱ線IB）;流入110 kV母線的短路電流IC=-母線IB。符合線路發(fā)生B、C兩相短路的特征，為此得出結(jié)論：110 kV Ⅰ線C相與本線的B相和110 kV Ⅱ線B相發(fā)生“本線+跨線”的B、C相間短路故障。

2" " 故障點(diǎn)現(xiàn)場勘查情況

110 kV Ⅰ線和110 kV Ⅱ線雙回線路同塔段為N1—N38之間，長度7.77 km。故障線路現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)，在N33—N34處，雷雨大風(fēng)導(dǎo)致建筑工地的鋼絲繩脫落掛在雙回線的導(dǎo)線上造成線路短路（圖6），故障點(diǎn)定位如下：110 kV Ⅰ線220 kV A站故障測距6.2 km，110 kV A站測距4.7 km。

3" " 結(jié)論

綜合上述分析，該變電站兩條110 kV線路同時(shí)跳閘的故障原因?yàn)楫?dāng)天雷雨大風(fēng)刮落建筑工地的鋼絲繩，使其一頭掉落在110 kV Ⅰ線B相導(dǎo)線上，一頭掛在建筑物上，造成110 kV Ⅰ線B相接地短路。保護(hù)動(dòng)作跳閘后，鋼絲繩掛在建筑物上的那頭接著掉落，掛在110 kV Ⅰ線C相導(dǎo)線和110 kV Ⅱ線B相導(dǎo)線上，造成110 kV Ⅰ線B、C相導(dǎo)線與110 kV Ⅱ線B相導(dǎo)線連接，鋼絲繩整體懸空不接地。隨后相連接的這3條導(dǎo)線的某個(gè)地方發(fā)生很小電流的高阻接地，110 kV Ⅱ線兩側(cè)保護(hù)相繼動(dòng)作跳閘。經(jīng)3 s延時(shí)后，兩條線路220 kV A站側(cè)重合閘動(dòng)作相繼合上開關(guān)，由于鋼絲繩仍然掛在3條導(dǎo)線上，隨即發(fā)生110 kV Ⅰ線B、C兩相與110 kV Ⅱ線C相跨線的兩相短路故障跳閘。

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