一起220kV線路單相接地事故分析及應(yīng)對(duì)措施

1、 一起220kV線路單相接地事故分析及應(yīng)對(duì)措施 Summary：華電大同第一熱電廠運(yùn)行兩臺(tái)135MW循環(huán)流化床機(jī)組，廠內(nèi)設(shè)110kV和220kV兩級(jí)母線。文章先給出一起單相接地故障的案例，再從光纖電流縱差保護(hù)、距離保護(hù)和重合閘三方面對(duì)該故障過程進(jìn)行分析，判斷保護(hù)動(dòng)作的正確性。Key：光纖電流縱差保護(hù)；距離保護(hù)；重合閘；單相接地事故；電力系統(tǒng) ：A：TM773 ：1009-2374（2017）07-0194-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.07.0921 概述華電大同第一熱電廠運(yùn)行兩臺(tái)135MW循環(huán)流化床機(jī)組，廠內(nèi)設(shè)110kV和220kV兩級(jí)母線。每臺(tái)發(fā)電機(jī)配

2、一臺(tái)三繞組變壓器，中壓側(cè)與110kV雙母線連接，高壓側(cè)與220kV單母線連接，輸送電能。2 故障前運(yùn)行方式及故障過程2.1 故障前運(yùn)行方式簡介此電廠的一次系統(tǒng)如圖1所示。故障發(fā)生前，#1機(jī)和#2機(jī)均帶100MW左右負(fù)荷正常運(yùn)行，同時(shí)向周邊用戶提供供熱。2.2 故障過程某日早6點(diǎn)53分報(bào)警旺三線211開關(guān)掉閘。就地檢查#211旺三線RCS-931AM超高壓線路成套保護(hù)裝置、PSL602GC數(shù)字式保護(hù)裝置兩套保護(hù)的差動(dòng)保護(hù)、距離保護(hù)、零序保護(hù)動(dòng)作，將#211旺三線電廠內(nèi)211開關(guān)掉閘。經(jīng)與調(diào)度聯(lián)系，三井變電站旺三線對(duì)應(yīng)站內(nèi)291出口開關(guān)掉閘。同時(shí)，廠內(nèi)線路數(shù)字式保護(hù)裝置PSL602GC重合閘動(dòng)作啟

3、動(dòng)，重合結(jié)果失敗。此次事故造成#1發(fā)電機(jī)停機(jī)，其所提供熱源中斷，#2發(fā)電機(jī)按照調(diào)度要求，滿負(fù)荷運(yùn)行，保證冬季供熱效率不降低。3 故障分析3.1 保護(hù)動(dòng)作檢查情況本電廠配置嚴(yán)格按照防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求繼電保護(hù)實(shí)施細(xì)則第三條第三款防止繼電保護(hù)事故要求，220kV送電線路211采用雙重化配置原則，采用南瑞RCS931AM光纖縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置及南自PSL602GC光纖縱聯(lián)距離保護(hù)裝置。3.1.1 電廠內(nèi)保護(hù)動(dòng)作后現(xiàn)場檢查情況。第一，南瑞保護(hù)裝置RCS931AM光纖（芯）縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，9ms電流差動(dòng)保護(hù)，550ms重合閘動(dòng)作；南自PSL602GC保護(hù)動(dòng)作，27ms縱聯(lián)保護(hù)A跳出口，

4、62ms綜重重合閘啟動(dòng)，562ms綜重重合閘動(dòng)作。第二，主保護(hù)裝置RCS931AM光纖（芯）縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)測算故障距離為16.6km；主保護(hù)裝置PSL602GC距離保護(hù)測算故障距離為19.06km；故障錄波器ZH-2裝置測算故障距離是-15.478km；故障A相最大短路電流：12.14A。220kV送電線#211故障錄波器ZH-2所錄波形如下：3.1.2 線路沿線檢查情況。從發(fā)電廠旺三線出線沿線路排查，在礦務(wù)局棚戶區(qū)南側(cè)環(huán)城高速公路下旺三線第56號(hào)和57號(hào)桿塔之間，距56號(hào)桿塔西側(cè)50米的距離，有XX集團(tuán)宏遠(yuǎn)公司的水泥灌裝車在施工中，不慎將伸縮臂觸碰到211線路最下端的A項(xiàng)上，致使211線路A項(xiàng)

5、鋼芯鋁絞線外部鋁絞線全部斷裂，只剩下很細(xì)的鋼芯還在連接中。3.2 保護(hù)動(dòng)作分析情況3.2.1 220kV架空線路保護(hù)的技術(shù)要求。根據(jù)繼電保護(hù)和自動(dòng)化裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化要求：220kV線路保護(hù)裝置按雙重化標(biāo)準(zhǔn)配置，即配置兩套完整、獨(dú)立的、能夠處理可能發(fā)生的所有類型的數(shù)字式保護(hù)裝置。這兩套裝置宜由不同廠家采用不同的保護(hù)動(dòng)作原理構(gòu)成組屏。兩套獨(dú)立的保護(hù)裝置所需引入的電氣量應(yīng)分別接自不同的CT、PT上，安裝在電氣柜內(nèi)的交直流電源、通訊連接設(shè)備、跳合閘線圈等需要完全獨(dú)立。兩套保護(hù)裝置必須具備獨(dú)立運(yùn)行的能力，當(dāng)運(yùn)行中一套保護(hù)異?；騽?dòng)作需要完全退出或臨時(shí)檢修時(shí)，不應(yīng)影響另一套保護(hù)的正常運(yùn)行。220kV架空線路須

6、采用自動(dòng)重合閘裝置，以保證線路瞬時(shí)故障后能夠短時(shí)恢復(fù)運(yùn)行，提高供電可靠性，減少停電損失，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定能力。3.2.2 線路差動(dòng)保護(hù)功能動(dòng)作分析。第一，光纖縱差保護(hù)原理。光纖縱差的通道有四種：電力線載波通道、微波通道、光纖通道、導(dǎo)引線通道，本案例所涉及的南瑞RCS931和南自PSL602裝置均采用光纖通道傳輸。架空線路光纖傳輸是以光導(dǎo)纖維為介質(zhì)進(jìn)行的數(shù)據(jù)、信號(hào)傳輸，不僅可用來傳輸模擬信號(hào)還可以傳送數(shù)字信號(hào)，傳輸距離能達(dá)幾十公里甚至更遠(yuǎn)。架空線路光纖傳輸?shù)暮诵难b置是光電轉(zhuǎn)化器，也叫光纖收發(fā)器，是一種能把模擬、數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)或反向轉(zhuǎn)化并進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)难b置。架空線路光纖收發(fā)器的主要原理

7、是通過光電耦合實(shí)現(xiàn)，將各電流量和開關(guān)量的二進(jìn)制的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成編碼形式的光信號(hào)，傳輸至對(duì)側(cè)裝置再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，最終在對(duì)側(cè)獲得模擬或數(shù)字電信號(hào)。差動(dòng)保護(hù)是利用基爾霍夫電流定律：在整個(gè)架空線路保護(hù)范圍的安裝處流入裝置差動(dòng)繼電器電流的總和等于零。當(dāng)設(shè)備在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，流進(jìn)被保護(hù)設(shè)備繼電器的電流和流出的電流不相等，也就是差動(dòng)電流大于零。當(dāng)這個(gè)差流值大于保護(hù)裝置的啟動(dòng)整定值時(shí)，保護(hù)裝置啟動(dòng)差流判斷具備出口的一個(gè)條件；當(dāng)差流大于或等于差動(dòng)電流的整定值時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作出口，并啟動(dòng)斷路器操作回路，將被保護(hù)設(shè)備的雙側(cè)斷路器跳開，切除故障。南瑞RCS931和南自PSL602裝置的保護(hù)原理基本相同，但兩個(gè)廠家

8、的判別邏輯不同。從本案例的動(dòng)作結(jié)果看：南瑞RCS931的縱差保護(hù)更迅速、靈敏地切除故障點(diǎn)，提高了穩(wěn)定運(yùn)行能力。若以架空線路某處單相短路故障示意如圖4：線路內(nèi)部發(fā)生某一單相短路時(shí)，流經(jīng)保護(hù)裝置的電流大小、方向均發(fā)生改變，其中：動(dòng)作電流矢量表示為：制動(dòng)電流矢量表示為：因?yàn)閯?dòng)作電流遠(yuǎn)大于制動(dòng)電流，故差動(dòng)保護(hù)判斷為動(dòng)作。 光纖差動(dòng)保護(hù)的實(shí)質(zhì)是比較線路兩側(cè)的電流方向，正常運(yùn)行或區(qū)外故障時(shí)，線路首端電流是由母線流向線路、線路末端電流是由線路流向母線，保護(hù)不動(dòng)作。線路內(nèi)部故障時(shí)，在兩側(cè)都有電源的情況下，兩側(cè)電流都是由母線流向線路，單側(cè)電源時(shí)，首端由母線流向線路，末端沒有電流，則差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘。第二，本案例

9、差動(dòng)保護(hù)分析。根據(jù)保護(hù)動(dòng)作報(bào)告可知，當(dāng)在0s時(shí)刻A相發(fā)生施工觸碰接地故障，南瑞RCS-931AM超高壓線路保護(hù)裝置縱聯(lián)差動(dòng)啟動(dòng)發(fā)出跳開A相指令，于3ms出口跳開A相，此時(shí)A相故障電流消失。重合閘滿足啟動(dòng)條件，RCS931裝置與PSL602裝置同時(shí)在62ms時(shí)發(fā)出綜重啟動(dòng)指令并于562ms動(dòng)作于出口，出現(xiàn)接地短路電流，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)在644ms發(fā)出動(dòng)作指令動(dòng)作于斷路器，將三相開關(guān)跳開，并在683ms發(fā)出遠(yuǎn)方啟動(dòng)跳閘信號(hào)。RCS931分相差動(dòng)保護(hù)邏輯圖示5如下：廠內(nèi)另一套保護(hù)裝置南自PSL602GC動(dòng)作報(bào)告顯示：602保護(hù)裝置縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)功能啟動(dòng)27ms后，縱差保護(hù)A相跳閘，PSL602裝置與931

10、裝置同時(shí)在62ms時(shí)發(fā)出綜重啟動(dòng)指令并于562ms動(dòng)作于出口，出現(xiàn)接地短路電流，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)在644ms動(dòng)作于斷路器，三相開關(guān)跳開；679ms后縱聯(lián)距離加速永跳指令發(fā)出并于689ms縱聯(lián)保護(hù)永跳出口。PSL602保護(hù)裝置差動(dòng)原理同上，不再累述。PSL602分相差動(dòng)保護(hù)邏輯圖與RCS931分相差動(dòng)保護(hù)邏輯略有不同：在判斷條件中增加了零序差動(dòng)、TA斷線差動(dòng)元件及TA斷線閉鎖差動(dòng)，分別進(jìn)入A/B/C相差動(dòng)出口動(dòng)作和向?qū)?cè)發(fā)差動(dòng)動(dòng)作允許信號(hào)的邏輯判斷中，此差異完全符合雙重化配置標(biāo)準(zhǔn)要求。3.2.3 線路距離保護(hù)功能動(dòng)作分析。第一，輸電線路的距離保護(hù)原理。阻抗是對(duì)交流電所起的阻礙作用，常用Z表示。阻抗通

11、常由電阻、感抗和容抗三種成分組成，包括了對(duì)故障點(diǎn)電氣量的大小、性質(zhì)、方向的計(jì)算與判斷。距離保護(hù)是以距離測量元件為基礎(chǔ)的保護(hù)裝置。距離測量元器件引入電流和電壓兩種參數(shù)對(duì)故障點(diǎn)阻抗進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果與裝置整定值的比較，判斷出故障點(diǎn)的距離和短路電流，并啟動(dòng)保護(hù)功能出口于斷路器，切除故障。距離保護(hù)在超高壓及特高壓系統(tǒng)的線路保護(hù)中，占有極其重要的地位。整套距離保護(hù)包括故障啟動(dòng)、故障距離測量、相對(duì)應(yīng)的時(shí)間邏輯回路與電壓回路斷線閉鎖等部分。其中，測量部分是距離保護(hù)的核心，用以判斷故障點(diǎn)離距離保護(hù)裝置處的距離和方向：如果在裝置的保護(hù)范圍內(nèi)，就發(fā)出動(dòng)作信號(hào)；如果在保護(hù)范圍外，距離保護(hù)裝置就不動(dòng)作。第二，本案

12、例距離保護(hù)分析。根據(jù)保護(hù)動(dòng)作報(bào)告可知，A相發(fā)生施工觸碰接地故障時(shí)，南瑞931AM保護(hù)裝置縱差跳開A相，該裝置故障測距結(jié)果為16.6km，南自602裝置測距為19.06km。不同廠家的產(chǎn)品所采用的實(shí)現(xiàn)方法不盡相同，邏輯框圖也有差異（詳見技術(shù)說明書），所以兩套距離保護(hù)裝置測量故障結(jié)果基本正確。3.2.4 線路重合閘保護(hù)功能動(dòng)作分析。第一，架空線路重合閘保護(hù)原理。在架空線路的運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)許多種故障，根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，架空線路上絕大多數(shù)故障是瞬時(shí)性，此種故障系統(tǒng)可以不經(jīng)處理及檢修，系統(tǒng)可以自行恢復(fù)正常的絕緣水平。另外10%的故障是屬于永久性故障，需要處理或停電檢修的。自動(dòng)重合閘（ARC）是能

13、夠?qū)⒁蚬侍_斷路器再次按照判斷邏輯和運(yùn)行需要自動(dòng)、快速投入運(yùn)行的一種自動(dòng)裝置。在繼電保護(hù)裝置動(dòng)作出口，啟動(dòng)斷路器操作箱將輸電線兩側(cè)的開關(guān)跳開后，由于沒有短路電流，等到足夠的去游離時(shí)間后，電弧將自動(dòng)熄滅恢復(fù)絕緣水平。如果自動(dòng)重合閘裝置將斷路器重合就可以運(yùn)行，就可以減少停電損失，增大高壓線路的送電容量。自動(dòng)重合閘按照作用方式分為三相、單相和綜合重合閘三種。在本案例中，調(diào)度定值整定為只投單相重合閘。單相重合閘是指線路上發(fā)生單相接地故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作只跳開故障相的斷路器并單相重合；當(dāng)單相重合不成功或多項(xiàng)故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作跳開三相斷路器，不再進(jìn)行重合。當(dāng)由于其他任何原因跳開三相斷路器時(shí)，也不再重合。單相重合

14、閘主要應(yīng)用于：220kV及以上電壓單回聯(lián)絡(luò)線、兩側(cè)電源之間相互聯(lián)系薄弱的線路和若發(fā)生單相接地故障三相重合無法滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求的線路。第二，本案例重合閘保護(hù)分析。本電廠南瑞RCS931和南自PSL602裝置重合閘方式均采用后加速重合方式，當(dāng)被保護(hù)線路發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)重合閘保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)重合一次。在本次A相接地故障中，當(dāng)RCS931AM縱差保護(hù)動(dòng)作于斷路器操作箱CZX-A，將A相跳開。PSL602裝置綜重重合閘于62ms啟動(dòng)，550ms發(fā)出重合閘動(dòng)作指令，裝置于562ms綜重出口（綜合重合閘定值為0.5s）。由于重合于故障線路，931縱差保護(hù)裝置無時(shí)限動(dòng)作于A、B、C相跳閘。重合閘回路的方框結(jié)構(gòu)示意

15、如圖6。故障發(fā)生過程為：當(dāng)RCS931裝置的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作快速將故障A相切除，同時(shí)，自動(dòng)重合閘自動(dòng)啟動(dòng)，重合一次，自動(dòng)重閘失敗后RCS931保護(hù)裝置立即以無時(shí)限、無選擇的跳開斷路器。整個(gè)故障處理過程完全符合重合閘保護(hù)設(shè)計(jì)要求。4 應(yīng)對(duì)措施因送電線旺三線211跳閘，經(jīng)與調(diào)度聯(lián)系故障確認(rèn)引線嚴(yán)重破損，短時(shí)間不能恢復(fù)。鑒于該系統(tǒng)（見圖1）設(shè)計(jì)存在沒有備用電源的缺陷，當(dāng)#2發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，若旺三線212因故掉閘將造成220kV系統(tǒng)失電，直接導(dǎo)致全廠停電。鑒于以上情況，制定應(yīng)急預(yù)案。在線路故障恢復(fù)以前運(yùn)維人員必須加強(qiáng)巡視，檢修范圍不能擴(kuò)大，如發(fā)生全廠停電，嚴(yán)格按照應(yīng)急預(yù)案執(zhí)行。Reference1 高春如.大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù)M.北京：中國電力出版社，2010.2 賀家李.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理M.北京：中國電力出版社，2004.3 李陽坡，顧雪平，劉艷，等.電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)過程中線路