一起110 kV輸電線路單相斷線故障分析

馬小軍

(國網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功能主要用來保護系統中的各類短路故障,對斷線故障的保護作用有限。根據運行經驗,斷線并不像短路故障那樣時有發生,因而110 kV及以下電壓等級的設備沒有專門針對斷線的保護。但電能質量和穩定性要求越來越高,必須重視斷線故障給系統和設備帶來的危害［1-3］。近年來,電力系統出現斷線故障數量有所增加,在一定程度上影響了發電機、變壓器和異步電動機的正常運行,若不及時研究和總結,會造成更大危害。分析線路斷線后電氣量的變化特征,總結其規律,對廠站工作人員和調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電源側中性點接地、負荷側不接地系統,以某110 kV輸電線路發生斷線故障來分析探討故障發生后的各電氣量變化和保護動作情況,提出單相斷線后的繼電保護邏輯判據原理和調度自動化的改進建議。

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直接接地,乙站主變壓器高壓側接地開關打開,經保護間隙接地。線路主保護為差動保護,后備保護為零序保護和距離保護。

圖1 系統運行方式接線圖

5月3日01:31:11.571,該線路保護動作,三相跳閘,經1.0 s延時后重合閘正確動作,線路恢復運行。1 h后工作人員發現,乙站母線B相電壓嚴重降低,判斷為斷線故障,遂遙控斷開B斷路器和A斷路器。

故障后經巡線發現故障原因為線路48號桿塔處B相掛接塑料薄膜,導致B相經桿塔接地發生瞬時故障。因線路年久老化,加之短路后電動力和電熱力的沖擊,導致B相跳線斷裂,但未接地,現場檢查結果如圖2所示。

圖2 跳線斷裂現場

2 故障分析

本案例中,斷路器重合閘正確動作后B相出現斷線情況,兩側保護裝置均無告警信息,導致線路在較長時間內缺相運行。

2.1 故障理論分析

根據電力系統和繼電保護相關理論可知,線路斷線后,系統出現負序電流,電壓不同程度降低,是否存在零序電流,與系統接地方式密切相關。

本文從零序、負序電流和電壓波動入手,分析110 kV系統電源側中性點接地、負荷側系統中性點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相斷線后的系統等效電路圖如圖3所示。

圖3 系統等效電路圖

(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絡圖。

圖4 單相斷線序網圖

其中,Z1m、Z2m、Z0m分別為m端的三序輸入阻抗,且Z1m、Z2m、Z0m均為m側的系統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側的系統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)可得系統斷線后的零序電流為

(7)

由式(7)可知,斷線后系統中零序電流的大小只取決于故障前的負荷電流和系統的接線方式,與系統電壓、斷線位置等因素無關。

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

2.3 單相斷線后母線電壓的變化特點

由圖1可知,M側為電源側,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110 kV母線電壓為

(11)

經以上分析可知,在負荷側中性點不接地情況下,某相斷線后,電源側母線電壓不變,負荷側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 單相斷線后負序電流的變化特點

3 110 kV線路斷線后的判據分析

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

斷線判據如下:

(12)

以上判據與雙母線接線母差保護中的復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,且設置在線路保護邏輯中,判據滿足后啟動告警,提醒相關人員進一步檢查。

判據的邏輯圖如圖5所示。

圖5 斷線告警判據邏輯圖

4 結論

a.系統斷線時相當于高阻接地,差流為負荷電流,斷線相阻抗無窮大,因此差動保護和距離保護不會動作。對于負荷側中性點不接地系統而言,零序電流為0,零序保護不會動作;即使負荷側中性點接地,零序電流也僅為故障前負荷電流的一半,零序保護能否動作要視負荷電流大小而定。

b.不論負荷側中性點接地與否,斷線后系統中均出現負序電流,但其幅值也僅為故障前負荷電流一半,無法通過增加保護判據來達到識別斷線故障的目的。

c.斷線后,負荷側中性點不接地時,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序電壓升高至故障前相電壓一半,因此可將相應電壓的變化值作為判斷斷線故障的依據,有足夠的靈敏性和可靠性。

d.對于無人值守變電站而言,發生斷線后全靠調度人員的分析和判斷,本文提出的斷線告警判據能夠提示調控人員及時采取對策。同時,也可對調度監控系統進行必要升級,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。