馬小軍

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司,寧夏 銀川 750011)

0 引言

高壓輸電線路繼電保護(hù)功能主要用來保護(hù)系統(tǒng)中的各類短路故障,對斷線故障的保護(hù)作用有限。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗,斷線并不像短路故障那樣時有發(fā)生,因而110 kV及以下電壓等級的設(shè)備沒有專門針對斷線的保護(hù)。但電能質(zhì)量和穩(wěn)定性要求越來越高,必須重視斷線故障給系統(tǒng)和設(shè)備帶來的危害［1-3］。近年來,電力系統(tǒng)出現(xiàn)斷線故障數(shù)量有所增加,在一定程度上影響了發(fā)電機(jī)、變壓器和異步電動機(jī)的正常運(yùn)行,若不及時研究和總結(jié),會造成更大危害。分析線路斷線后電氣量的變化特征,總結(jié)其規(guī)律,對廠站工作人員和調(diào)度人員及時做出正確判斷和事故處理具有重要意義。

本文針對110 kV電源側(cè)中性點(diǎn)接地、負(fù)荷側(cè)不接地系統(tǒng),以某110 kV輸電線路發(fā)生斷線故障來分析探討故障發(fā)生后的各電氣量變化和保護(hù)動作情況,提出單相斷線后的繼電保護(hù)邏輯判據(jù)原理和調(diào)度自動化的改進(jìn)建議。

1 故障情況概述

如圖1所示,故障前,330 kV甲站110 kV母線通過A斷路器向110 kV乙站110 kV母線B斷路器送電。甲站主變壓器中性點(diǎn)直接接地,乙站主變壓器高壓側(cè)接地開關(guān)打開,經(jīng)保護(hù)間隙接地。線路主保護(hù)為差動保護(hù),后備保護(hù)為零序保護(hù)和距離保護(hù)。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行方式接線圖

5月3日01:31:11.571,該線路保護(hù)動作,三相跳閘,經(jīng)1.0 s延時后重合閘正確動作,線路恢復(fù)運(yùn)行。1 h后工作人員發(fā)現(xiàn),乙站母線B相電壓嚴(yán)重降低,判斷為斷線故障,遂遙控斷開B斷路器和A斷路器。

故障后經(jīng)巡線發(fā)現(xiàn)故障原因為線路48號桿塔處B相掛接塑料薄膜,導(dǎo)致B相經(jīng)桿塔接地發(fā)生瞬時故障。因線路年久老化,加之短路后電動力和電熱力的沖擊,導(dǎo)致B相跳線斷裂,但未接地,現(xiàn)場檢查結(jié)果如圖2所示。

圖2 跳線斷裂現(xiàn)場

2 故障分析

本案例中,斷路器重合閘正確動作后B相出現(xiàn)斷線情況,兩側(cè)保護(hù)裝置均無告警信息,導(dǎo)致線路在較長時間內(nèi)缺相運(yùn)行。

2.1 故障理論分析

根據(jù)電力系統(tǒng)和繼電保護(hù)相關(guān)理論可知,線路斷線后,系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)序電流,電壓不同程度降低,是否存在零序電流,與系統(tǒng)接地方式密切相關(guān)。

本文從零序、負(fù)序電流和電壓波動入手,分析110 kV系統(tǒng)電源側(cè)中性點(diǎn)接地、負(fù)荷側(cè)系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地情況下線路單相斷線后電氣量的變化特征和繼電保護(hù)的動作情況。

2.2 單相斷線后零序電流的決定因素

圖1中B相斷線后的系統(tǒng)等效電路圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)等效電路圖

(1)

將邊界條件采用對稱分量法整理可得:

(2)

由(2)式可得:

(3)

另由式(1)、式(2)可得圖4所示單相斷線后的三序網(wǎng)絡(luò)圖。

圖4 單相斷線序網(wǎng)圖

其中,Z1m、Z2m、Z0m分別為m端的三序輸入阻抗,且Z1m、Z2m、Z0m均為m側(cè)的系統(tǒng)和線路三序阻抗之和;Z1n、Z2n、Z0n分別為n端的三序輸入阻抗,且Z1n、Z2n、Z0n均為n側(cè)的系統(tǒng)和線路的三序阻抗之和。

由疊加原理可得,斷線后電氣量等于斷線后故障量疊加斷線前的正常量。因此,圖4中令E1=0,則可得到故障電壓作用下的故障電流分量為

(4)

式中:Z1Σ=Z1m+Z1n、Z2Σ=Z2m+Z2n、Z0Σ=Z0m+Z0n,分別為兩側(cè)的三序阻抗之和。

(5)

將式(4)、式(5)疊加可得斷線后B相電流,即:

(6)

再由式(1)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)可得系統(tǒng)斷線后的零序電流為

(7)

由式(7)可知,斷線后系統(tǒng)中零序電流的大小只取決于故障前的負(fù)荷電流和系統(tǒng)的接線方式,與系統(tǒng)電壓、斷線位置等因素?zé)o關(guān)。

同時,因斷線后的差動電流僅為B相負(fù)荷電流,沒有達(dá)到差動保護(hù)定值,差動保護(hù)也不會動作［5］;斷線相當(dāng)于高阻接地或故障線路阻抗無窮大,距離保護(hù)也不會動作［6］。

2.3 單相斷線后母線電壓的變化特點(diǎn)

由圖1可知,M側(cè)為電源側(cè),B相斷線后,其三相電壓幾乎不變［7］。

由圖2可知,在開路情況下,斷口阻抗無窮大,因此可近似認(rèn)為Z1m=Z1Σ,Z2m=Z2Σ,Z0m=Z0Σ,于是可得:

(8)

(9)

由式(9)可得:

(10)

由此可知,N側(cè)110 kV母線電壓為

(11)

經(jīng)以上分析可知,在負(fù)荷側(cè)中性點(diǎn)不接地情況下,某相斷線后,電源側(cè)母線電壓不變,負(fù)荷側(cè)斷線相電壓幅值降為原來一半,相位相反,正常相電壓不變。

2.4 單相斷線后負(fù)序電流的變化特點(diǎn)

3 110 kV線路斷線后的判據(jù)分析

經(jīng)以上分析可知,在負(fù)荷側(cè)不接地的運(yùn)行方式下,線路發(fā)生斷線后零序電流為0,負(fù)序電流與斷線前的負(fù)荷電流密切相關(guān),均不能作為線路斷線保護(hù)的判據(jù),而由式(10)可知,斷線后線路中會出現(xiàn)較大的零序和負(fù)序電壓,其幅值達(dá)到線路電壓的一半,同時負(fù)荷側(cè)斷線相電壓降為原電壓幅值的一半,因此,可將零序電壓和負(fù)序電壓升高、相電壓降低作為斷線啟動的判據(jù),檢測3個電壓的變化量,既有一定的靈敏性,又能增加判據(jù)的可靠性。

斷線判據(jù)如下:

(12)

以上判據(jù)與雙母線接線母差保護(hù)中的復(fù)合電壓閉鎖較為相似,但兩者目的不同,后者旨在判斷線路斷線故障,且設(shè)置在線路保護(hù)邏輯中,判據(jù)滿足后啟動告警,提醒相關(guān)人員進(jìn)一步檢查。

判據(jù)的邏輯圖如圖5所示。

圖5 斷線告警判據(jù)邏輯圖

4 結(jié)論

a.系統(tǒng)斷線時相當(dāng)于高阻接地,差流為負(fù)荷電流,斷線相阻抗無窮大,因此差動保護(hù)和距離保護(hù)不會動作。對于負(fù)荷側(cè)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)而言,零序電流為0,零序保護(hù)不會動作;即使負(fù)荷側(cè)中性點(diǎn)接地,零序電流也僅為故障前負(fù)荷電流的一半,零序保護(hù)能否動作要視負(fù)荷電流大小而定。

b.不論負(fù)荷側(cè)中性點(diǎn)接地與否,斷線后系統(tǒng)中均出現(xiàn)負(fù)序電流,但其幅值也僅為故障前負(fù)荷電流一半,無法通過增加保護(hù)判據(jù)來達(dá)到識別斷線故障的目的。

c.斷線后,負(fù)荷側(cè)中性點(diǎn)不接地時,故障相電壓降至故障前一半,正常相電壓保持不變,同時故障相零序電壓與負(fù)序電壓升高至故障前相電壓一半,因此可將相應(yīng)電壓的變化值作為判斷斷線故障的依據(jù),有足夠的靈敏性和可靠性。

d.對于無人值守變電站而言,發(fā)生斷線后全靠調(diào)度人員的分析和判斷,本文提出的斷線告警判據(jù)能夠提示調(diào)控人員及時采取對策。同時,也可對調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行必要升級,如增加三相電流、三相電壓突變量告警燈功能,用于輔助決策。