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  • 頭條一起斷線引起主變間隙保護(hù)臨界動(dòng)作的案例分析
    2021-01-24 作者:羅皓文 嚴(yán)文潔 等  |  來(lái)源:《電氣技術(shù)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司荊門(mén)供電公司的研究人員羅皓文、嚴(yán)文潔、廖玄、嚴(yán)文帥,在2019年第12期《電氣技術(shù)》雜志上撰文,介紹了一起由斷線引起主變間隙保護(hù)臨界動(dòng)作的案例。通過(guò)分析此次案例的整個(gè)過(guò)程,對(duì)主變間隙過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)進(jìn)行了研究,說(shuō)明了出現(xiàn)主變間隙保護(hù)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作報(bào)文的原因,對(duì)實(shí)際間隙過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作的原因進(jìn)行了分析,重現(xiàn)了保護(hù)動(dòng)作全過(guò)程。最后,對(duì)此次臨界動(dòng)作原理進(jìn)行了深入分析與總結(jié),提出了相應(yīng)的防范措施。

    1 事故概況

    1.1 110kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

    事故前,該110kV站所在電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為:南橋變電站(簡(jiǎn)稱南橋站)通過(guò)110kV南象線向象山變電站(簡(jiǎn)稱象山站)供電,象山站通過(guò)110kV象喜線向110kV雙喜變電站(簡(jiǎn)稱雙喜站)供電,110kV象漳線作為象山站的備供線(熱備用)。象山站至南橋站的通信鏈路由象山至南橋。南橋站#2主變中壓側(cè)中性點(diǎn)通過(guò)接地刀閘接地,象山站和雙喜站的主變中性點(diǎn)通過(guò)間隙接地。110kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    一起斷線引起主變間隙保護(hù)臨界動(dòng)作的案例分析

    圖1 110kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖

    1.2 110kV變電站的運(yùn)行方式

    事故前,110kV象山站110kV部分運(yùn)行方式為:110kV南象線象04開(kāi)關(guān)、象50MVA#1主變110kV側(cè)象01開(kāi)關(guān)接110kV#1母線運(yùn)行;110kV象漳線象06開(kāi)關(guān)、110kV象喜線象07開(kāi)關(guān)、象50MVA#2主變110kV側(cè)象02開(kāi)關(guān)接110kV#2母線運(yùn)行;110kV分段象麻05開(kāi)關(guān)在合位,將110kV#1、#2母線并列。

    10kV部分運(yùn)行方式為:50MVA#1主變10kV側(cè)象25開(kāi)關(guān)接10kV#7母線運(yùn)行,供11回10kV饋線及#1接地站用變運(yùn)行;50MVA#2主變10kV側(cè)象45開(kāi)關(guān)接10kV#8母線運(yùn)行,供11回10kV饋線及#2接地站用變運(yùn)行;10kV分段象27開(kāi)關(guān)為熱備用,10kV#7、#8母線分列運(yùn)行。110kV變電站運(yùn)行方式如圖2所示。

    110kV南象線跳閘后,緊跟著象山站#2主變高、低壓兩側(cè)跳閘,進(jìn)線備自投動(dòng)作,象山站由110kV象漳線供電,象山站110kVⅠ、Ⅱ母線及10kV#7母線恢復(fù)供電,10kV#8母線停電1h45min,造成負(fù)荷損失33950kW?h。

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    圖2 110kV變電站運(yùn)行方式

    2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

    2.1 輸電線路巡視情況

    事故發(fā)生后對(duì)線路進(jìn)行故障巡視,進(jìn)而發(fā)現(xiàn):①故障位置有兩基塔之間的光纜斷線,斷線接頭處有電弧燒傷痕跡;②C相導(dǎo)線斷線,斷線處位于單擺防舞器附近,單擺防舞器表面、導(dǎo)線斷面有燒傷痕跡;③倒塌區(qū)段瓷瓶發(fā)生破損,其余未倒塌區(qū)段線路正常。

    2.2 保護(hù)動(dòng)作情況

    1)線路保護(hù)動(dòng)作情況

    通過(guò)檢查站內(nèi)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的運(yùn)行狀態(tài),發(fā)現(xiàn)110kV南象線南114開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置“跳閘”、“重合”燈亮,裝置指示開(kāi)關(guān)為“分位”,屏幕伴隨彈出故障報(bào)文,詳見(jiàn)表1。

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    表1 線路保護(hù)動(dòng)作報(bào)文

    2)主變保護(hù)動(dòng)作情況

    #2主變高后備保護(hù)裝置“跳閘”燈亮,屏幕伴隨彈出故障報(bào)文,詳見(jiàn)表2。

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    表2 主變保護(hù)動(dòng)作報(bào)文

    #1主變高后備保護(hù)裝置起動(dòng)后錄波160ms,裝置無(wú)報(bào)警或跳閘燈亮,屏幕僅伴隨保護(hù)起動(dòng)報(bào)文。

    3 原因分析

    3.1 線路保護(hù)動(dòng)作原因分析

    110kV南象線南114開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置型號(hào)為許繼WXH-811A/B1/R1型線路保護(hù)裝置,查看裝置定值及二次回路接線,均正確。被保護(hù)的故障測(cè)距數(shù)據(jù)為15.394km,在距離Ⅱ段的保護(hù)范圍內(nèi)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查,110kV南象線(南橋側(cè))距南橋站15.4km處出現(xiàn)了桿塔倒塌情況,與裝置故障測(cè)距相符。接地Ⅱ段定值為6.4◆,延時(shí)為1.2s,保護(hù)裝置顯示保護(hù)起動(dòng)1259ms后,故障被切除,裝置動(dòng)作正確。

    此外,該線路保護(hù)裝置事故前按定值單要求加用重合閘功能,重合閘時(shí)限為2s,保護(hù)裝置的重合閘動(dòng)作也正確。

    3.2 #2主變高后備動(dòng)作原因分析

    通過(guò)前述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析,110kV象山站屬于電源受端,當(dāng)線路發(fā)生接地故障時(shí),會(huì)在#2主變中性點(diǎn)產(chǎn)生較高的零序電壓,其大小與系統(tǒng)零序等值電抗和正序等值電抗有關(guān),故障期間110kV系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

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    圖3 110kV系統(tǒng)零序網(wǎng)絡(luò)圖

    南橋站的#2主變中壓側(cè)中性點(diǎn)被直接接地,象山站的#2主變中性點(diǎn)通過(guò)間隙接地,象山站作為電源受端,當(dāng)發(fā)生線路單相接地故障或單相斷線故障時(shí),象山站中性點(diǎn)電壓受非故障相電壓的影響,非故障相電壓由南橋站供電端決定,由于南橋站主變中性點(diǎn)被直接接地,所以當(dāng)南象線C相接地時(shí),非故障相電壓略微上升,線路故障產(chǎn)生零序電壓,如圖4所示。小電流接地系統(tǒng)單相金屬性短路系統(tǒng)電壓相量如圖5所示。

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    圖4 大電流接地系統(tǒng)單相金屬性短路系統(tǒng)電壓相量

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    圖5 小電流接地系統(tǒng)單相金屬性短路系統(tǒng)電壓相量

    考慮到PT開(kāi)口三角單相額定二次電壓為100V,理想情況下對(duì)于主變中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng),零序電壓為100V;對(duì)于主變中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),零序電壓為300V。因象山站主變中性點(diǎn)不接地,又為電源受端,故當(dāng)發(fā)生線路單相故障時(shí),根據(jù)故障性質(zhì)不同,象山站的間隙零序電壓應(yīng)在100~300V之間。

    對(duì)于110kV的變電站,在進(jìn)行主變間隙過(guò)壓保護(hù)定值整定時(shí),110kV的線路開(kāi)關(guān)一般為三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu),重合閘方式為三跳三重,不考慮線路非全相運(yùn)行(單相斷線),間隙過(guò)壓定值整定為150V;而對(duì)于220kV的變電站,線路重合閘方式為單跳單重,存在線路非全相運(yùn)行的情況,間隙過(guò)壓定值整定為180V,即單相斷線故障時(shí)產(chǎn)生的零序電壓比單相接地故障時(shí)產(chǎn)生的零序電壓大,這說(shuō)明當(dāng)110kV南象線發(fā)生斷線故障時(shí),象山站主變間隙過(guò)壓保護(hù)存在出口動(dòng)作的可能性。

    故障發(fā)生時(shí),根據(jù)定值單要求,#2主變投入了間隙過(guò)流1時(shí)限和間隙過(guò)壓1時(shí)限兩個(gè)保護(hù),兩者的延時(shí)均為0.5s。查看現(xiàn)場(chǎng)故障錄波圖,顯示是間隙零序電壓有效值在單相接地故障時(shí)近似為136V,未超過(guò)定值150V,而發(fā)生斷線故障時(shí),零序電壓有效值達(dá)到194V,超過(guò)間隙過(guò)壓定值,經(jīng)515ms延時(shí)后跳閘,在故障發(fā)生的整個(gè)過(guò)程中,#2主變高壓側(cè)零序電流3I0一直近乎為零。零序電壓和零序電流錄波圖如圖6所示。

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    圖6 零序電壓和零序電流錄波圖

    通過(guò)查看如圖7所示的#2主變高后備保護(hù)錄波圖可知,故障發(fā)生并持續(xù)16ms后,主變高后備保護(hù)起動(dòng),故障持續(xù)1245ms后至南橋側(cè)線路開(kāi)關(guān)跳閘,故障被切除。此后,象山站110kV母線和主變中性點(diǎn)仍存在一定殘壓,從故障被切除后至1260ms(相對(duì)于故障發(fā)生時(shí)刻),間隙過(guò)流1時(shí)限動(dòng)作出口,間隙過(guò)壓1時(shí)限未動(dòng)作。

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    圖7 #2主變高后備保護(hù)錄波圖

    從故障錄波裝置上的波形可判斷間隙過(guò)壓超過(guò)定值,持續(xù)時(shí)間為515ms,超過(guò)裝置整定時(shí)間0.5s,但該時(shí)間處于保護(hù)動(dòng)作臨界值,間隙過(guò)壓保護(hù)有可能動(dòng)作。同時(shí)通過(guò)裝置波形圖可以看出,在線路故障發(fā)生期間,#2主變中性點(diǎn)間隙電流一直為零,即間隙未被擊穿,結(jié)合前面所述的間隙過(guò)流動(dòng)作邏輯,初步判定“間隙過(guò)壓超過(guò)整定值但間隙未發(fā)生間歇性擊穿,間隙過(guò)流保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作”。

    #2主變高后備間隙過(guò)壓時(shí)間定值為0.5s,現(xiàn)場(chǎng)間隙過(guò)壓持續(xù)0.515s后間隙過(guò)壓出口,查閱相關(guān)規(guī)程:繼電保護(hù)裝置專用功能測(cè)試中規(guī)定,后備保護(hù)延時(shí)誤差時(shí)間低于40ms,動(dòng)作值在規(guī)程要求范圍內(nèi),本次#2主變跳閘屬間隙保護(hù)臨界值動(dòng)作。

    在南象線C相斷線后,#2主變高后備保護(hù)感受到的零序電壓幅值明顯上升,最高達(dá)到194V,超過(guò)零序過(guò)壓定值150V,保護(hù)元件在515ms動(dòng)作時(shí)限內(nèi)返回,處于間隙保護(hù)動(dòng)作臨界值,#2主變高后備間隙過(guò)壓保護(hù)有可能動(dòng)作。

    3.3 #1主變保護(hù)動(dòng)作情況分析

    事故發(fā)生時(shí),#1主變高壓側(cè)與#2主變高壓側(cè)并列運(yùn)行,從理論上分析,#1主變高壓側(cè)中性點(diǎn)也將承受較大的零序電壓,其動(dòng)作行為應(yīng)與#2主變一致。而實(shí)際上,#1主變高后備保護(hù)僅整組起動(dòng),并未出口跳閘。

    從#2主變高后備保護(hù)錄波數(shù)據(jù)來(lái)看,其感受的零序電壓波形與#1主變保護(hù)錄波波形相似,因#1主變保護(hù)僅起動(dòng)而未跳閘,保護(hù)裝置未保留完整波形,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障錄波裝置的錄波進(jìn)行分析,過(guò)定值時(shí)間為482ms,保護(hù)裝置整定值為500ms,不滿足時(shí)間條件,故裝置保護(hù)不動(dòng)作。

    結(jié)論

    對(duì)于110kV及以下主變間隙保護(hù)而言,當(dāng)變壓器中、低壓側(cè)有小電源且主變間隙保護(hù)定值整定不合理時(shí),很可能會(huì)發(fā)生誤動(dòng)。針對(duì)主變間隙保護(hù)的這種特殊情況,已有文獻(xiàn)分析了110kV主變間隙保護(hù)的整定和110kV線路保護(hù)的配合問(wèn)題,對(duì)保護(hù)配置與整定提出了建議,對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)的變壓器中性點(diǎn)間隙距離選擇、間隙電流保護(hù)整定配合和對(duì)有關(guān)保護(hù)整定配合進(jìn)行了改進(jìn),提出了切實(shí)可行的措施。

    本文以一起斷線引起主變間隙保護(hù)臨界動(dòng)作案例,深入研究了主變間隙過(guò)壓與過(guò)流保護(hù),對(duì)主變間隙保護(hù)臨界動(dòng)作的原因進(jìn)行了分析。為防止類似斷線引起主變跳閘情況的發(fā)生,本文特提出以下幾點(diǎn)防范措施:

    • 1)針對(duì)類似本文情況的電源受端站,建議將線路保護(hù)裝置改造為光纖差動(dòng)保護(hù)。一旦線路發(fā)生故障,兩側(cè)斷路器就同時(shí)跳閘,隔離故障點(diǎn),防止110kV系統(tǒng)中性點(diǎn)失地后經(jīng)線路故障點(diǎn)接地運(yùn)行。
    • 2)重新復(fù)核主變零序過(guò)壓保護(hù)定值,對(duì)于供電線路采用距離保護(hù)的變電站和電源受端站,應(yīng)考慮適當(dāng)延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)限。

    本文結(jié)合斷線引起主變間隙保護(hù)臨界動(dòng)作案例對(duì)主變間隙零序保護(hù)動(dòng)作原理進(jìn)行了深入分析,針對(duì)110kV受端站斷線可能會(huì)引起主變間隙保護(hù)動(dòng)作的情況提出了幾點(diǎn)建議,具有工程現(xiàn)場(chǎng)借鑒意義。

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