馬小軍

(國(guó)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(xiàn)路繼電保護(hù)功能主要用來(lái)保護(hù)系統(tǒng)中的各類(lèi)短路故障,對(duì)斷線(xiàn)故障的保護(hù)作用有限。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),斷線(xiàn)并不像短路故障那樣時(shí)有發(fā)生,因而110 kV及以下電壓等級(jí)的設(shè)備沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)斷線(xiàn)的保護(hù)。但電能質(zhì)量和穩(wěn)定性要求越來(lái)越高,必須重視斷線(xiàn)故障給系統(tǒng)和設(shè)備帶來(lái)的危害［1-3］。近年來(lái),電力系統(tǒng)出現(xiàn)斷線(xiàn)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(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行,若不及時(shí)研究和總結(jié),會(huì)造成更大危害。分析線(xiàn)路斷線(xiàn)后電氣量的變化特征,總結(jié)其規(guī)律,對(duì)廠(chǎng)站工作人員和調(diào)度人員及時(shí)做出正確判斷和事故處理具有重要意義。

本文針對(duì)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(xiàn)路發(fā)生斷線(xiàn)故障來(lái)分析探討故障發(fā)生后的各電氣量變化和保護(hù)動(dòng)作情況,提出單相斷線(xiàn)后的繼電保護(hù)邏輯判據(jù)原理和調(diào)度自動(dòng)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(xiàn)通過(guò)A斷路器向110 kV乙站110 kV母線(xiàn)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(kāi)關(guān)打開(kāi),經(jīng)保護(hù)間隙接地。線(xiàn)路主保護(hù)為差動(dòng)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(xiàn)圖

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

故障后經(jīng)巡線(xiàn)發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)榫€(xiàn)路48號(hào)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(shí)故障。因線(xiàn)路年久老化,加之短路后電動(dòng)力和電熱力的沖擊,導(dǎo)致B相跳線(xiàn)斷裂,但未接地,現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果如圖2所示。

圖2 跳線(xiàn)斷裂現(xiàn)場(chǎng)

2 故障分析

本案例中,斷路器重合閘正確動(dòng)作后B相出現(xiàn)斷線(xiàn)情況,兩側(cè)保護(hù)裝置均無(wú)告警信息,導(dǎo)致線(xiàn)路在較長(zhǎng)時(shí)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(xiàn)路斷線(xiàn)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(dòng)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(xiàn)路單相斷線(xiàn)后電氣量的變化特征和繼電保護(hù)的動(dòng)作情況。

2.2 單相斷線(xiàn)后零序電流的決定因素

圖1中B相斷線(xiàn)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(duì)稱(chēng)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(xiàn)后的三序網(wǎng)絡(luò)圖。

圖4 單相斷線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)路的三序阻抗之和。

由疊加原理可得,斷線(xiàn)后電氣量等于斷線(xiàn)后故障量疊加斷線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)后的零序電流為

(7)

由式(7)可知,斷線(xiàn)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(xiàn)方式,與系統(tǒng)電壓、斷線(xiàn)位置等因素?zé)o關(guān)。

同時(shí),因斷線(xiàn)后的差動(dòng)電流僅為B相負(fù)荷電流,沒(méi)有達(dá)到差動(dòng)保護(hù)定值,差動(dòng)保護(hù)也不會(huì)動(dòng)作［5］;斷線(xiàn)相當(dāng)于高阻接地或故障線(xiàn)路阻抗無(wú)窮大,距離保護(hù)也不會(huì)動(dòng)作［6］。

2.3 單相斷線(xiàn)后母線(xiàn)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(xiàn)后,其三相電壓幾乎不變［7］。

由圖2可知,在開(kāi)路情況下,斷口阻抗無(wú)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(xiàn)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(xiàn)后,電源側(cè)母線(xiàn)電壓不變,負(fù)荷側(cè)斷線(xiàn)相電壓幅值降為原來(lái)一半,相位相反,正常相電壓不變。

2.4 單相斷線(xiàn)后負(fù)序電流的變化特點(diǎn)

3 110 kV線(xiàn)路斷線(xiàn)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(xiàn)路發(fā)生斷線(xiàn)后零序電流為0,負(fù)序電流與斷線(xiàn)前的負(fù)荷電流密切相關(guān),均不能作為線(xiàn)路斷線(xiàn)保護(hù)的判據(jù),而由式(10)可知,斷線(xiàn)后線(xiàn)路中會(huì)出現(xiàn)較大的零序和負(fù)序電壓,其幅值達(dá)到線(xiàn)路電壓的一半,同時(shí)負(fù)荷側(cè)斷線(xiàn)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(xiàn)啟動(dòng)的判據(jù),檢測(cè)3個(gè)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(xiàn)判據(jù)如下:

(12)

以上判據(jù)與雙母線(xiàn)接線(xiàn)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(xiàn)路斷線(xiàn)故障,且設(shè)置在線(xiàn)路保護(hù)邏輯中,判據(jù)滿(mǎn)足后啟動(dòng)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(xiàn)告警判據(jù)邏輯圖

4 結(jié)論

a.系統(tǒng)斷線(xiàn)時(shí)相當(dāng)于高阻接地,差流為負(fù)荷電流,斷線(xiàn)相阻抗無(wú)窮大,因此差動(dòng)保護(hù)和距離保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。對(duì)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(huì)動(dòng)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(dòng)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(xiàn)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(wú)法通過(guò)增加保護(hù)判據(jù)來(lái)達(dá)到識(shí)別斷線(xiàn)故障的目的。

c.斷線(xiàn)后,負(fù)荷側(cè)中性點(diǎn)不接地時(shí),故障相電壓降至故障前一半,正常相電壓保持不變,同時(shí)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(xiàn)故障的依據(jù),有足夠的靈敏性和可靠性。

d.對(duì)于無(wú)人值守變電站而言,發(fā)生斷線(xiàn)后全靠調(diào)度人員的分析和判斷,本文提出的斷線(xiàn)告警判據(jù)能夠提示調(diào)控人員及時(shí)采取對(duì)策。同時(shí),也可對(duì)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行必要升級(jí),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。