陳 龍，葉 影，楊曉林

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司金山供電公司, 上海 200540)

隨著國(guó)家鼓勵(lì)新能源發(fā)電政策的實(shí)施以及資源的綜合利用，風(fēng)電、天然氣三聯(lián)供及光伏發(fā)電等小電源發(fā)電項(xiàng)目逐步接入配電網(wǎng)。與此同時(shí)也不可避免地對(duì)電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行、保護(hù)配置等諸多方面產(chǎn)生不利影響。傳統(tǒng)的35 kV配電網(wǎng)線路配置了電流速斷、過(guò)電流保護(hù)[1]。隨著分布式電源的大量接入，目前配電網(wǎng)已從單側(cè)電源轉(zhuǎn)變成為了雙側(cè)電源，這勢(shì)必增加了繼電保護(hù)配置的難度和復(fù)雜程度[2-4]。為了適應(yīng)分布式電源的接入，在相應(yīng)線路的兩側(cè)均需裝設(shè)保護(hù)裝置，為了防止保護(hù)的誤動(dòng)作必須在可能誤動(dòng)作的保護(hù)上增設(shè)功率方向閉鎖元件。該元件在短路功率方向由母線流向線路時(shí)可靠動(dòng)作，而當(dāng)短路功率方向由線路流向母線時(shí)可靠不動(dòng)作，從而使繼電保護(hù)的動(dòng)作具有一定的方向性[5-6]。

1 事故簡(jiǎn)介

1.1 電網(wǎng)接線方式

某電網(wǎng)系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

甲站為系統(tǒng)側(cè)35 kV開(kāi)關(guān)站，其一次主接線采用單母線分段接線方式；乙廠為35 kV分布式光伏發(fā)電站，分別通過(guò)102、202線路經(jīng)與甲開(kāi)關(guān)站相聯(lián)接并網(wǎng)；丙廠為一家35 kV雙電源用戶站，分別通過(guò)103、203線路與甲站相聯(lián)接；丁站為為甲站的上級(jí)電源變電站，分別通過(guò)101、201線路與甲站相聯(lián)接。其中，甲站內(nèi)101和201開(kāi)關(guān)使用配置了縱聯(lián)差動(dòng)和方向過(guò)流保護(hù)作為線路保護(hù)的主保護(hù)以及小電源供電的時(shí)的后備保護(hù)，采用南瑞繼保的PCS-9613D型微機(jī)裝置；35 kV分段100開(kāi)關(guān)裝設(shè)配置了備自投裝置，采用南瑞繼保的PCS-9651D型微機(jī)保護(hù)裝置；此外甲站35 kV一、二段母線還裝設(shè)有故障解列裝置，為南瑞繼保的PCS-9658D型微機(jī)裝置。

圖1 某電網(wǎng)系統(tǒng)接線圖

1.2 事故前電網(wǎng)的運(yùn)行方式

(1)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)站甲站101、102、103、201、202、203開(kāi)關(guān)閉合，100開(kāi)關(guān)熱備用，35 kV分段備自投投入，其中103出線無(wú)負(fù)荷。

(2)小電源光伏發(fā)電站乙廠正常發(fā)電，102、103兩條線路發(fā)電功率為10 MW；用戶站丙廠內(nèi)103開(kāi)關(guān)在冷備用，203開(kāi)關(guān)正常運(yùn)行帶有1 MW負(fù)荷；電源站丁站101、201開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 事故發(fā)生過(guò)程

當(dāng)日用戶站丙廠103開(kāi)關(guān)所供1號(hào)主變檢修完畢，操作人員執(zhí)行丙廠103開(kāi)關(guān)改運(yùn)行操作對(duì)丙廠內(nèi)的1號(hào)主變進(jìn)行充電。在丙廠內(nèi)103開(kāi)關(guān)改運(yùn)行時(shí)，甲站101線路方向過(guò)流I段AB相動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘，35 kV分段備自投動(dòng)作；備自投聯(lián)跳102開(kāi)關(guān)(光伏發(fā)電小電源乙廠)，合35 kV分段開(kāi)關(guān)；瞬時(shí)甲站201線路方向過(guò)流I段AB相動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘，35 kV二段母線失電，35 kV二段母線故障解列動(dòng)作，202開(kāi)關(guān)(光伏發(fā)電小電源乙廠)跳閘。此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)站甲站全站失電，甲站兩路電源進(jìn)線101、201線路處于空載充電運(yùn)行狀態(tài)。甲站內(nèi)開(kāi)關(guān)動(dòng)作具體情況如圖2所示。

圖2 事故發(fā)生后電網(wǎng)接線圖

2 35 kV方向過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)作原因分析

2.1 方向過(guò)流保護(hù)

過(guò)電流保護(hù)一般稱(chēng)為III段電流保護(hù)，是一種以躲過(guò)線路的最大負(fù)荷電流來(lái)整定的保護(hù)裝置[6]。正常運(yùn)行時(shí)不應(yīng)該啟動(dòng)，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)能反應(yīng)于電流增大而動(dòng)作。一般情況下，它不僅能夠保護(hù)本線路的全場(chǎng)全長(zhǎng)，也能保護(hù)相鄰線路的全長(zhǎng)，起到后備保護(hù)的作用。

過(guò)電流保護(hù)的定值：

(1)

式中Kk——可靠系數(shù)，一般取1.15～1.25；Kzq——電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)系數(shù)，數(shù)值大于1，由網(wǎng)絡(luò)具體接線和負(fù)荷性質(zhì)決定；Kh——電流繼電器的返回系數(shù)，一般取0.85；Imax——流過(guò)線路的最大負(fù)荷電流。

在雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)接線中，由于線路兩側(cè)都有電源，為了合上和斷開(kāi)線路，在每條線路的兩側(cè)均需裝設(shè)斷路器和保護(hù)裝置。過(guò)電流保護(hù)中，反方向短路一般很難以電流整定值躲開(kāi)，而需要在每個(gè)保護(hù)上加裝功率方向元件。該元件只當(dāng)功率方向由母線流向線路時(shí)動(dòng)作，而當(dāng)短路功率方向由線路流向母線時(shí)不動(dòng)作，從而使保護(hù)繼電器的動(dòng)作具有一定的方向性。按照這個(gè)要求配置的功率方向元件及規(guī)定的動(dòng)作方向如圖3所示，即構(gòu)成了方向過(guò)流保護(hù)。

圖3 方向過(guò)電流保護(hù)原理接線圖

利用判別短路故功率的方向或電流、電壓之間的相位關(guān)系，就可以判別發(fā)生故障的方向。用以判別功率方向或測(cè)定電流、電壓間相位角的繼電器稱(chēng)為功率方向繼電器。由于它主要反應(yīng)于加入繼電器中電流和電壓之間的相位而工作，因此用相位比較方式最為簡(jiǎn)單。一般的功率方向繼電器當(dāng)輸入電壓和電流幅值不變時(shí)，其輸出(轉(zhuǎn)矩或電壓)值隨兩者間相位差的大小而改變，輸出為最大時(shí)的相位差稱(chēng)為繼電器的最大靈敏角。為了在最常見(jiàn)的短路情況下使繼電器動(dòng)作最靈敏，采用接線的功率方向繼電器應(yīng)做成最大靈敏角φsen.max=φk。又為了保證當(dāng)短路點(diǎn)有過(guò)渡電阻、線路阻抗角φk在0°～90°范圍內(nèi)變化情況下正方向故障時(shí)，繼電器都能可靠動(dòng)作，繼電器動(dòng)作的角度范圍通常取為(電壓超前電流)φsen.max±90°。其動(dòng)作方程可表示為

(2)

為了減小和消除死區(qū)，在實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用90°接線方式，即采用非故障的相間電壓作為接入功率方向元件的參考相量來(lái)判別故障相電流的相位。此動(dòng)作特性在復(fù)數(shù)平面上是一條直線，如圖4所示，陰影部分為動(dòng)作區(qū)。

圖4 功率方向繼電器的動(dòng)作特性

特別指出，在正常運(yùn)行情況下，位于線路送電側(cè)的功率方向繼電器，在負(fù)荷電流的作用下，一般都是處于動(dòng)作狀態(tài)，其觸點(diǎn)是閉合的。

2.2 變壓器勵(lì)磁涌流特性

當(dāng)變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，可能出現(xiàn)數(shù)值很大的勵(lì)磁電流[7-8]。這是因?yàn)槿绻儔浩髟诳蛰d合閘時(shí)，正好在電壓瞬時(shí)值u=0時(shí)接通電路，則鐵心中具有磁通-φm。但是由于鐵心中的磁通不能突變，因此將出現(xiàn)一個(gè)非周期分量的磁通，其幅值為+φm。這樣在經(jīng)過(guò)半個(gè)周期以后鐵心中的磁通就達(dá)到了2φm。如果鐵心中還有剩余磁通φr，則總磁通將為2φm+φr。此時(shí)變壓器的鐵心嚴(yán)重飽和，根據(jù)鐵心磁化曲線，此時(shí)勵(lì)磁電流IE將急劇增大，此電流就稱(chēng)為變壓器的勵(lì)磁涌流IEF，其數(shù)值最大可達(dá)額定電流的6～8倍，同時(shí)包含有大量的非周期分量和高次諧波分量。三相變壓器由于三相電壓之間有120°的相位差，因此在任何情況下空載投入變壓器，至少在兩相中要出現(xiàn)不同程度的勵(lì)磁涌流[9]。

2.3 方向過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)原因分析

系統(tǒng)開(kāi)關(guān)站甲站101、201線路方向過(guò)流保護(hù)配置為PCS-9613D方向過(guò)流保護(hù)，采用90°接線方式，三相方向元件動(dòng)作邊界誤差在2°范圍內(nèi)，最大靈敏角φsen.max=45°。電流元件在0.95倍整定值不動(dòng)作，1.05倍整定值可靠動(dòng)作；方向過(guò)流保護(hù)所用流變極性為減極性。

事故發(fā)生后，繼保人員對(duì)甲站的保護(hù)裝置、二次回路接線、35 kV一段壓變極性進(jìn)行了檢查。通過(guò)試驗(yàn)排除了由于壓、流極性錯(cuò)誤導(dǎo)致的保護(hù)動(dòng)作的可能性，與此同時(shí)調(diào)閱了繼電保護(hù)故障錄波并進(jìn)行了比較(見(jiàn)圖5、圖6)。

圖5 甲站101開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作故障錄波

圖6 甲站201開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作故障錄波

通過(guò)對(duì)比分析可知，甲站101和201保護(hù)動(dòng)作后，保護(hù)安裝處所采集到的A、B、C三相電流具有如下特點(diǎn)：(1)均偏于時(shí)間軸的一側(cè)；(2)有很大的間斷角度；(3)利用軟件分析均含有較高的直流分量和諧波分量；(4)在同一時(shí)刻三相電流之和近似為零，PCS-9613中零序電流幾乎為0；由此可以得出故障錄波所采集到的電流具有勵(lì)磁涌流特性。此外甲站35 kV母線電壓在事故過(guò)程中線電壓一直正常，并未發(fā)生過(guò)存在短路故障時(shí)的電壓急劇下降[6]，因此可以基本排除由于電網(wǎng)故障造成保護(hù)動(dòng)作的可能性。

進(jìn)一步以甲站進(jìn)線101開(kāi)關(guān)A相方向過(guò)流繼電器為例進(jìn)行分析(如圖7所示)。

圖7 A相功率方向繼電器動(dòng)作情況分析

小電源乙廠通過(guò)102線并網(wǎng)容量為10 MW，為了保證方向過(guò)流保護(hù)的靈敏性，整定值按1.2倍的機(jī)組最大出力電流來(lái)進(jìn)行整定，時(shí)限為0 s，且在最小運(yùn)行方式下無(wú)法保證靈敏性[10]。正常運(yùn)行時(shí)，IA為流經(jīng)甲站進(jìn)線101線的電流，由于小電源乙廠處于并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，且甲站母線所帶負(fù)荷較??；正常運(yùn)行方式下，IA方向均為母線指向線路，即IA與UA同向(忽略線路阻抗)，所以功率方向繼電器一直處于開(kāi)放狀態(tài)，其觸點(diǎn)是閉合的。在用戶站丙廠操作103開(kāi)關(guān)對(duì)主變進(jìn)行沖擊時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流IE(純感性)使得流經(jīng)甲站101線的合成電流IK′=IA+IE幅值超過(guò)了整定值，且功率方向處于動(dòng)作區(qū)內(nèi)，進(jìn)而使得甲站101進(jìn)線方向過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，101開(kāi)關(guān)跳閘。同理甲站102進(jìn)線方向過(guò)流保護(hù)動(dòng)作致使102開(kāi)關(guān)跳閘亦是如此。通過(guò)比較故障錄波裝置所采集到的電流IA、電壓UA波形可以看出UA超前IA近90°，這也驗(yàn)證了功率方向繼電器處于動(dòng)作區(qū)內(nèi)[11-12]。

通過(guò)分析，基本上可以確認(rèn)本次方向過(guò)流保護(hù)動(dòng)作系為用戶變壓器空投時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流疊加小電源并網(wǎng)電流達(dá)到保護(hù)定值引起保護(hù)誤動(dòng)作。

3 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了一起正常運(yùn)行方式下，分布式電源接入電網(wǎng)受勵(lì)磁涌流的影響，造成的方向過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)。

(1)加強(qiáng)電網(wǎng)規(guī)劃管理，對(duì)分布式電源特別是光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行科學(xué)合理評(píng)估，確保分布式電源并網(wǎng)容量適度[13-15]。

(2)為避免類(lèi)似事故重演，一方面保護(hù)整定要確定合理的保護(hù)定值，考慮不同運(yùn)行方式對(duì)保護(hù)裝置的影響并加入時(shí)間延時(shí)來(lái)躲過(guò)勵(lì)磁涌流；一方面應(yīng)增加電壓閉鎖元件進(jìn)行輔助判別，正常運(yùn)行時(shí)線路電壓正常，電壓閉鎖元件閉鎖保護(hù)，防止保護(hù)誤動(dòng)，存在電網(wǎng)故障時(shí)，線路電壓下降，電壓閉鎖元件開(kāi)放保護(hù)。