含分布式電源變電站雷擊跳閘事故案例分析

張瑞程 孫英洲 李雪晨 王鑫

摘要：分布式電源并網(wǎng)數(shù)量與日俱增給電網(wǎng)第一道防線帶來沖擊與挑戰(zhàn)，原有的繼電保護配置急需進一步優(yōu)化和改進。針對110kV成家樓變電站進線段遭雷擊跳閘，導致35kV側(cè)Ⅱ段母線甩負荷事故，著重對事故中暴露的線路重合閘及備自投裝置未動作問題進行分析和研究。研究表明，110kV線路距離保護配置和35kV側(cè)分布式電源反送電形成的孤島效應是本次雷擊跳閘的關(guān)鍵問題所在。針對存在問題及隱患，提出將原距離保護替換成縱聯(lián)差動保護作為線路主保護，并利用其遠跳功能切除分布式電源的并網(wǎng)線，進而提高保護裝置可靠性，保障大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：分布式電源;重合閘;備自投;距離保護;縱聯(lián)差動保護

隨著光伏、風力、生物質(zhì)能發(fā)電等幾十千瓦到幾十兆瓦的分布式電源不斷接入電網(wǎng)系統(tǒng)，原有的單側(cè)電源放射狀供電網(wǎng)絡逐步變?yōu)楹行⌒碗娫吹亩鄠?cè)電源供電網(wǎng)絡[1，2]。然而多端供電網(wǎng)絡會對原有的線路保護配置、重合閘及備自投裝置動作產(chǎn)生重要影響，容易擴大故障范圍甚至母線甩負荷造成大面積停電[3]。本文以含分布式電源的110kV成家樓終端變電站雷擊跳閘事故為例，詳細描述了事故前后經(jīng)過及緊急處置措施，著重剖析了進線線路重合閘及110kV備自投裝置未動作原因，最后結(jié)合相關(guān)規(guī)程提出針對性改進措施。

1 110kV變電站雷擊跳閘事故概況

1.1 110kV變電站系統(tǒng)運行方式

本次事故主要涉及220kV南流泉和110kV成家樓兩座變電站。如圖1所示，南流泉站110kV南成線帶成家樓站2#主變運行，110kV成家樓站采用分段備投配置，站內(nèi)35kV良莊電廠通過35kV成良線并網(wǎng)，35kVI、Ⅱ母線分列運行。

1.2 雷擊跳閘事故過程

2018年5月16日凌晨4點110kV南成線9號塔落雷，南流泉站110kV南成線距離I段、零序I段保護動作，重合閘及備自投裝置未動作。電網(wǎng)失去負荷30MW，導致200多戶停電，其中不乏化工、冶金等重要用戶。

事故變電站運行方式圖

運維部門結(jié)合保護裝置給出的故障點參考距離立即展開巡視，最終確定故障點距離南流泉站1.5km。故障發(fā)生17分鐘后，地調(diào)令良莊電廠解列。隨后成家樓站35kV備自投動作，全站負荷備投至#1主變供電。故障發(fā)生25分鐘后，地調(diào)強送110kV南成線成功。110kV成家樓站逐步恢復原有運行方式，良莊電廠也恢復并網(wǎng)。本次事故影響范圍的擴大與35kV側(cè)良莊電廠并網(wǎng)有直接關(guān)系。

2 事故過程分析與研究

2.1 距離保護未完全動作原因

由1.1節(jié)可知，雷擊跳閘瞬間，南流泉站110kV南成線距離I段、零序I段保護動作，但對側(cè)成家樓站距離保護和零序保護均未動作，所以110kV南成線在整個事故過程中并未完全切除。

由于本次雷擊跳閘為瞬時性故障，故只有距離I段保護動作，又因為落雷點距離220kV南流泉站近，離110kV成家樓站遠，超出了成家樓站距離I段的保護范圍，故只有南流泉站距離I段保護動作。零序保護動作原理類似。

2.2 分布式電源并網(wǎng)運行對供電可靠性影響

分布式電源并網(wǎng)聯(lián)絡線與系統(tǒng)解列后，與負載形成獨立的孤島系統(tǒng)。孤島系統(tǒng)的危害性主要表現(xiàn)在三個方面，一是諧波較大，用戶電能質(zhì)量無法得到保證;二是電壓和頻率偏離額定值，容易損壞發(fā)電機葉片和用戶電機;三是孤島系統(tǒng)不受控制，隨時可能全停，供電可靠性無法得到保證[4]。

2.2.1 對線路重合閘的影響

與主電網(wǎng)的聯(lián)絡線路故障時，線路保護動作跳閘，分布式電源通過并網(wǎng)線對聯(lián)絡線反送電，無法滿足主網(wǎng)電源側(cè)和分布式電源側(cè)檢無壓、檢同期重合閘條件。

2.2.2 對主變壓器影響

對分布式電源側(cè)有中性點接地的系統(tǒng)，由于分布式電源提供的短路電流可能使不帶方向閉鎖的主變復合電壓閉鎖過流動作，進一步擴大事故范圍。

此次故障時，成家樓站南成線保護沒有動作，良莊電廠無法切除，電廠通過并網(wǎng)線反送到南成線，線路電壓保持因此重合閘和備自投裝置均未動作，良莊電廠與35kV側(cè)的Ⅱ段母線形成孤島運行。故障跳閘后良莊電廠除了帶自身負荷，還反帶南成線的負荷，總負荷超過機組容量，電廠在甩掉部分負荷后達到了發(fā)供平衡，形成了孤島系統(tǒng)，地調(diào)必需迅速將良莊電廠解列。

2.3 結(jié)論

綜上分析，雷擊線路跳閘后導致的甩負荷及孤島運行風險，本質(zhì)原因是傳統(tǒng)三段式距離保護不能快速保護線路全長。

3 解決方案與整改措施

3.1 解決方案

為了可靠并快速的切除故障線路及系統(tǒng)中已并網(wǎng)的分布式電源，杜絕惡性停電事故，本文提出以下兩種解決方案。

方案1：在成家樓站的進線開關(guān)QF1處加裝監(jiān)控裝置，該監(jiān)控裝置具備檢測開關(guān)QF1處的電壓、電流、功率方向等功能。

以本案例中的單母線分段運行方式為例，正常運行時，進線開關(guān)QF1處的功率方向為線路指向母線，當電源進線線路發(fā)生故障時，由于低壓側(cè)分布式電源的接入，此時流過QF1的功率方向為母線指向線路。當發(fā)生雷擊等外部破壞導致對側(cè)開關(guān)跳閘，進線電源消失，110kV母線有電壓無流，接點動作出口跳開QF1，同時將分布式電源的并網(wǎng)接入開關(guān)QF7快速切除。

本方案的不足之處在于當上一級變電站中與系統(tǒng)電源相鄰進的出線發(fā)生故障時功率元件將會誤動，220kV南流泉站中與南成線相鄰的110kV線路故障時，QF1處的功率方向為母線指向線路，當110kV母線負荷較低，流過QF1的電流低于電流動作門檻值將導致QF1誤動，存在一定風險。本方案優(yōu)勢在于對原有變電站改動較小，改造成本較低且容易實現(xiàn)。

方案2：將原進線線路保護改造為全線速動的光纖縱差保護。一旦進線線路發(fā)生故障，線路兩側(cè)開關(guān)跳閘的同時，聯(lián)跳分布式電源接入開關(guān)QF7。線路重合閘和備自投裝置檢無壓啟動，以最快速度切除故障線路并將故障線路所帶負荷備投至相鄰母線。

電流縱聯(lián)差動保護具有諸多優(yōu)點：能正確判別輸電線路內(nèi)部故障和外部故障，流入差動繼電器的電流矢量和不受系統(tǒng)運行方式、非全相運行和系統(tǒng)振蕩等影響，本身就具有選相功能，相比于傳統(tǒng)的過電流和距離保護具有顯著優(yōu)勢。

綜合比較方案1與方案2，方案1改造成本低且易于實現(xiàn)，但其裝置存在一定誤動風險，不能完全滿足繼電保護裝置的可靠性要求。方案2雖然存在改造成本偏高、工作量偏大的缺點，但縱聯(lián)差動保護的本質(zhì)特點決定了其在選擇性和可靠性上的固有優(yōu)勢，是堅強智能電網(wǎng)發(fā)展的可靠保障。故選擇方案二。

3.2 整改措施

本文以南瑞繼保公司的PCS-943T系列高壓輸電線路成套保護裝置為基礎，對輸電線路的縱聯(lián)差動保護配置作進一步說明。

電流差動繼電器作為線路主保護的核心元件，由變化量相差動繼電器、穩(wěn)態(tài)相差動繼電器、零序差動繼電器和差動聯(lián)跳繼電器等四部分組成。本側(cè)跳閘聯(lián)跳對側(cè)功能是指本側(cè)保護動作元件動作后立即發(fā)聯(lián)跳信號給對側(cè)，對側(cè)收到聯(lián)跳信號后啟動保護，結(jié)合差動允許信號聯(lián)跳保護。

4 結(jié)論

通過此次案例的分析研究可以認識到，在保護工作中要對新增線路嚴格按照省調(diào)《審查要點》要求配置縱差保護。編制《綜合能源保護配置一覽表》，對現(xiàn)存分布式電源并網(wǎng)還未配置縱差保護的線路，列計劃盡快實施改造[5]。為綜合能源推薦最優(yōu)保護配置，協(xié)商共贏。做好設備管理，確保站內(nèi)遠動及故障錄波器信息上送及時、準確，為地調(diào)部門快速判斷故障情況提供有力的支撐。

參考文獻：

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[3]曹潤彬，董新洲，何世恩.事故過負荷情況下距離保護的動作行為分析[J].中國電機工程學報，2015，35（13）：3314-3323.

[4]黎瀚.小電源并網(wǎng)運行可靠性及故障解列問題探討[J].廣西輕工業(yè)，2009，25（11）：46-47.

[5]Mathieu Weil，F(xiàn)abienne Remize，Noel Alter，Mathilde Hoarau，Jean Christophe Meile.Effect of processing on microbial safety of wild pepper（Piper borbonense）from Reunion Island[J].Elsevier Ltd，2020，111.