蘇有權(quán)
(東北電網(wǎng)公司太平灣發(fā)電廠,遼寧 丹東118000)
一起因雷擊導(dǎo)致220kV母線失靈保護(hù)動(dòng)作的原因分析
蘇有權(quán)
(東北電網(wǎng)公司太平灣發(fā)電廠,遼寧 丹東118000)
繼電保護(hù)裝置正確動(dòng)作是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵,尤其是特殊原因?qū)е履妇€失靈保護(hù)動(dòng)作,更需要準(zhǔn)確快速地查清動(dòng)作原因,以最快的速度恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行。介紹了太平灣發(fā)電廠長(zhǎng)甸電站一起因220kV線路遭受雷擊導(dǎo)致母線失靈保護(hù)動(dòng)作跳閘的故障原因的分析及處理經(jīng)過(guò),查明了故障原因并提出了防范措施。因雷擊線路而引起母線失靈保護(hù)動(dòng)作跳閘的先例并不多見(jiàn),這一故障的分析處理可為類(lèi)似的保護(hù)動(dòng)作分析提供借鑒。
雷電;失靈保護(hù);動(dòng)作;分析
長(zhǎng)甸是朝鮮水豐電站的擴(kuò)建工程,坐落于遼寧省丹東市境內(nèi),隸屬于東北電網(wǎng)有限公司太平灣發(fā)電廠。長(zhǎng)甸電站同朝鮮的水豐電廠隔江相望,距下游的太平灣電站29km,電站共有2臺(tái)75MW混流式水輪發(fā)電機(jī),總裝機(jī)容量150MW,在東北電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻和事故備用任務(wù)。
2009年10月16日,長(zhǎng)甸電站發(fā)生了一起因220kV線路遭受雷擊而引起220kV母線失靈保護(hù)動(dòng)作跳閘的故障,因故障原因特殊,給分析查找故障原因及故障處理帶來(lái)了很大的難度。本文詳細(xì)介紹了故障原因的查找分析經(jīng)過(guò),并提出了相應(yīng)的防范措施,以防止類(lèi)似故障重復(fù)發(fā)生,保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
長(zhǎng)甸電站變電站220kV系統(tǒng)為雙母線接線,共有三回220kV線路(長(zhǎng)平線、水長(zhǎng)線、長(zhǎng)鳳線)接入遼南系統(tǒng)中。變電站內(nèi)所有220kV開(kāi)關(guān)均為北京ABB公司生產(chǎn)的SF6開(kāi)關(guān);220kV長(zhǎng)平線配置兩套微機(jī)保護(hù)裝置,第一套為南瑞公司的RCS-931型光纖差動(dòng)保護(hù),第二套為國(guó)電南自公司的PSL-603型光纖差動(dòng)保護(hù);220kV母線配置一套深圳南瑞公司的BP-2B型母線保護(hù),故障前各裝置均工作正常。
故障前,長(zhǎng)甸電站220kV系統(tǒng)處于固定連接方式運(yùn)行,即:長(zhǎng)平線、水長(zhǎng)線、2號(hào)機(jī)變組在上母線運(yùn)行;長(zhǎng)鳳線、1號(hào)機(jī)變組在下母線運(yùn)行;上、下母線經(jīng)母聯(lián)開(kāi)關(guān)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行;220kV母差及失靈保護(hù)正常投入,各線路保護(hù)和主變保護(hù)正常使用(長(zhǎng)平線保護(hù)裝置重合閘功能在退出狀態(tài)),兩臺(tái)機(jī)組各帶65MW負(fù)荷運(yùn)行,長(zhǎng)平線實(shí)時(shí)負(fù)荷電流48A。當(dāng)時(shí)長(zhǎng)甸電站天氣情況惡劣,雷電頻繁。
系統(tǒng)主接線方式如圖1示:

2009年10月16日19 時(shí)36分,長(zhǎng)甸電站值班人員聽(tīng)到變電站傳來(lái)開(kāi)關(guān)跳閘的聲音,兩臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)出較大的異音;計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警:長(zhǎng)平線0711開(kāi)關(guān)跳閘、水長(zhǎng)線0712開(kāi)關(guān)跳閘、母聯(lián)0720開(kāi)關(guān)跳閘、2號(hào)主變0722開(kāi)關(guān)跳閘。
故障發(fā)生后,值班人員第一時(shí)間對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢查,確認(rèn)長(zhǎng)甸電站220kV上母線所有元件跳閘,為220kV上母線失靈保護(hù)動(dòng)作所致;2號(hào)機(jī)事故停機(jī),甩負(fù)荷約65MW左右。值班人員對(duì)一次設(shè)備、自動(dòng)裝置及保護(hù)動(dòng)作情況檢查確認(rèn)后,及時(shí)將設(shè)備、自動(dòng)裝置檢查情況及保護(hù)動(dòng)作情況匯報(bào)遼寧省調(diào)和東北網(wǎng)調(diào),隨后有關(guān)人員進(jìn)行故障原因查找及分析工作。
查看計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)220kV開(kāi)關(guān)信息登錄情況,結(jié)果如表1示:

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從登錄信息可以看出,故障時(shí)長(zhǎng)平線0711開(kāi)關(guān)先跳閘,隨后母聯(lián)0720開(kāi)關(guān)跳閘,然后2號(hào)主變0722開(kāi)關(guān)和水長(zhǎng)線0712開(kāi)關(guān)同時(shí)跳閘。
檢查220kV開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)平線0711開(kāi)關(guān)、水長(zhǎng)線0712開(kāi)關(guān)、母聯(lián)0720開(kāi)關(guān)、2號(hào)主變0722開(kāi)關(guān)操作屏分閘綠燈亮,三相跳閘引出指示燈“TA、TB、TC”紅燈亮;長(zhǎng)平線保護(hù)裝置“電流差動(dòng)保護(hù)”動(dòng)作,水長(zhǎng)線、2號(hào)主變保護(hù)裝置未動(dòng)作,母線保護(hù)顯示“失靈Ⅰ動(dòng)作”。
檢查故障錄波情況,錄波良好,錄波圖如圖2:

檢查長(zhǎng)平線0711開(kāi)關(guān)、母聯(lián)0720開(kāi)關(guān)、水長(zhǎng)線0712開(kāi)關(guān)、2號(hào)主變高壓側(cè)0722開(kāi)關(guān)均在分閘位置,各開(kāi)關(guān)位置與保護(hù)動(dòng)作結(jié)果相一致;檢查上母線及所連接元件,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯故障點(diǎn),所有設(shè)備外觀檢查未見(jiàn)異常。
對(duì)故障經(jīng)過(guò)及監(jiān)控系統(tǒng)登錄信息、保護(hù)動(dòng)作情況、一次設(shè)備檢查情況進(jìn)行綜合分析,確定故障經(jīng)過(guò)為:首先,因220kV長(zhǎng)平線C相故障造成220kV長(zhǎng)平線0711開(kāi)關(guān)三相跳閘,然后,220kV上母線失靈保護(hù)動(dòng)作,使母聯(lián)0720開(kāi)關(guān),水長(zhǎng)線0712開(kāi)關(guān)、2號(hào)主變高壓側(cè)0722開(kāi)關(guān)相繼跳閘。
問(wèn)題在于,長(zhǎng)平線故障時(shí),其繼電保護(hù)裝置正確動(dòng)作,線路開(kāi)關(guān)可靠跳閘,不會(huì)造成上母線失靈保護(hù)動(dòng)作,而連接于上母線的水長(zhǎng)線和2號(hào)主變的保護(hù)裝置也未動(dòng)作,也不會(huì)造成上母線失靈保護(hù)動(dòng)作,所以,對(duì)失靈保護(hù)動(dòng)作原因分析一時(shí)無(wú)從著手,甚至懷疑失靈保護(hù)誤動(dòng)。但對(duì)故障錄波圖的進(jìn)一步分析表明,長(zhǎng)平線故障時(shí),長(zhǎng)平線保護(hù)裝置正確動(dòng)作,線路開(kāi)關(guān)跳閘良好,但開(kāi)關(guān)跳閘約60ms后,長(zhǎng)平線保護(hù)裝置中第二次出現(xiàn)故障電流,其數(shù)值大小和第一次故障時(shí)相當(dāng),直至母線失靈保護(hù)動(dòng)作切除上母線所有元件,故障電流才消失,故障電流的順序是無(wú)-有-無(wú)-有-無(wú),整個(gè)故障過(guò)程中兩次出現(xiàn)故障電流。所以,找出第二次故障電流出現(xiàn)的原因,是分析此次故障原因的關(guān)鍵所在。
經(jīng)分析,可能使保護(hù)裝置中第二次出現(xiàn)故障電流而造成220kV母線失靈保護(hù)動(dòng)作的原因有以下幾個(gè)方面:
這是母線失靈保護(hù)動(dòng)作的必要條件,只有保護(hù)或開(kāi)關(guān)拒動(dòng),不能將故障點(diǎn)有效隔離,才能引起母線失靈保護(hù)動(dòng)作。如果長(zhǎng)平線保護(hù)或開(kāi)關(guān)都沒(méi)有拒動(dòng),就不排除二次回路或母線保護(hù)裝置誤動(dòng)的可能。為徹底查清保護(hù)裝置拒動(dòng)及二次回路是否存在問(wèn)題,首先對(duì)相關(guān)保護(hù)裝置和二次回路進(jìn)行了細(xì)致的檢查試驗(yàn)。
(1)對(duì)長(zhǎng)平線保護(hù)裝置及二次回路檢查試驗(yàn)
1)裝置外回路檢查
檢查長(zhǎng)平線兩套保護(hù)裝置無(wú)異常,二次回路連接可靠,電纜走向清晰,無(wú)寄生回路存在,檢查接線端子無(wú)松動(dòng)、保護(hù)連片使用正確、各控制開(kāi)關(guān)及把手位置正確、保護(hù)直流和操作直流電壓230V正常。
2)裝置加量試驗(yàn)
利用微機(jī)保護(hù)試驗(yàn)儀對(duì)保護(hù)裝置加故障量,模擬長(zhǎng)平線0711開(kāi)關(guān)C相接地故障,保護(hù)動(dòng)作正確,跳閘良好。
3)雙套裝置同時(shí)試驗(yàn)
將長(zhǎng)平線兩套微機(jī)保護(hù)電流回路串聯(lián),電壓回路并聯(lián),利用微機(jī)保護(hù)試驗(yàn)儀加入電流、電壓,模擬長(zhǎng)平線C相接地故障,兩套保護(hù)均動(dòng)作正確,跳閘良好。
4)裝置重合閘功能檢查
長(zhǎng)平線保護(hù)裝置重合閘功能正常在“停用”位置,對(duì)兩套保護(hù)裝置重合閘功能進(jìn)行試驗(yàn),重合閘功能正常。
(2)對(duì)母線保護(hù)裝置檢查
將母線保護(hù)裝置退出運(yùn)行,檢查裝置無(wú)異常,二次回路連接可靠,電纜走向清晰,無(wú)寄生回路存在可能,檢查接線端子無(wú)松動(dòng)、保護(hù)連片使用正確、各控制開(kāi)關(guān)及把手位置正確、保護(hù)直流230V正常;模擬上母線元件失靈,母線失靈保護(hù)動(dòng)作正確。
從保護(hù)裝置的試驗(yàn)結(jié)果可以判定,線路和母線保護(hù)裝置功能正常,長(zhǎng)平線故障時(shí)保護(hù)裝置不存在拒動(dòng)可能。對(duì)保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告和錄波圖進(jìn)行分析,故障時(shí)長(zhǎng)平線第一套保護(hù)裝置啟動(dòng)后11ms電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,60ms A相開(kāi)關(guān)跳閘,58ms B相開(kāi)關(guān)跳閘,61ms C相開(kāi)關(guān)跳閘;長(zhǎng)平線第二套保護(hù)裝置啟動(dòng)后18ms出口,52ms A、B、C三相開(kāi)關(guān)跳閘,現(xiàn)場(chǎng)檢查開(kāi)關(guān)實(shí)際位置和保護(hù)屏顯示位置一致,均在分閘位置。且開(kāi)關(guān)跳閘后一直保持在跳閘位置,至維護(hù)人員進(jìn)行開(kāi)關(guān)傳動(dòng)試驗(yàn),開(kāi)關(guān)位置未發(fā)生變位。因此,長(zhǎng)平線0711開(kāi)關(guān)也不存在拒動(dòng)可能,從而排除了保護(hù)和開(kāi)關(guān)拒動(dòng)的假設(shè)。
開(kāi)關(guān)重合的原因有4種,①是開(kāi)關(guān)跳閘后人為操作合閘,②是保護(hù)裝置重合閘動(dòng)作合閘,③是合閘回路受電磁干擾或其它原因?qū)е麻_(kāi)關(guān)重合,④是開(kāi)關(guān)本身發(fā)生重合。
(1)人為操作合閘
從長(zhǎng)平線開(kāi)關(guān)跳閘切除故障電流至故障電流再次出現(xiàn)之間的時(shí)間只有60ms,這么短的時(shí)間內(nèi)人為操作開(kāi)關(guān)合閘是不可能的。
(2)保護(hù)裝置重合閘動(dòng)作
長(zhǎng)平線保護(hù)裝置正常運(yùn)行時(shí)重合閘功能在退出狀態(tài),開(kāi)關(guān)跳閘后保護(hù)裝置不會(huì)啟動(dòng)重合,并且保護(hù)啟動(dòng)重合閘的時(shí)間是1000ms,即使故障當(dāng)時(shí)保護(hù)重合閘功能使用不正確,也不會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)跳閘60ms后重合閘的情況。并且對(duì)重合閘功能的相關(guān)試驗(yàn)完全正確,定值整定正確,排除了保護(hù)裝置啟動(dòng)開(kāi)關(guān)重合的可能。
(3)二次回路原因?qū)е麻_(kāi)關(guān)重合
長(zhǎng)平線保護(hù)使用的控制電纜均是KVVP型的,帶有屏蔽功能,兩端屏蔽層可靠接地,可有效防止電磁干擾;并且開(kāi)關(guān)跳閘電壓在120V以上,即使有一定的電磁干擾,也不可能達(dá)到這么高的電壓,況且是直流電壓;對(duì)二次回路的檢查也未發(fā)現(xiàn)合閘回路存在異常,所以不存在因電磁干擾或合閘回路存在異常導(dǎo)致開(kāi)關(guān)重合的可能。
(4)開(kāi)關(guān)自身重合
經(jīng)和北京ABB開(kāi)關(guān)工程師溝通確認(rèn),此種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)上不存在跳閘后自身自動(dòng)重合的可能。
一般情況下,電弧重燃的波形是雜亂無(wú)規(guī)律的波形,而從故障錄波圖分析,長(zhǎng)平線C相斷路器斷開(kāi)之前,故障電流是一個(gè)正弦波,斷開(kāi)60ms后重新出現(xiàn)故障電流,其波形也是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,因此,故障電流使開(kāi)關(guān)重燃可能不大。
因?yàn)楣收袭?dāng)時(shí)長(zhǎng)甸電站雷電頻繁,且以上各種假設(shè)均不成立,所以轉(zhuǎn)而從雷電方面進(jìn)行分析。存在2種可能,①雷電落在變電站內(nèi)部,雷電弧跨接在長(zhǎng)平線C相開(kāi)關(guān)兩側(cè);②雷電落在線路上,使線路長(zhǎng)平線C相開(kāi)關(guān)斷口過(guò)壓擊穿。
(1)雷電落在變電站
長(zhǎng)甸變電站有完備的防雷設(shè)備,為了驗(yàn)證雷電是否落在變電站內(nèi)部,對(duì)相關(guān)一次設(shè)備進(jìn)行了檢查。
1)檢查母線避雷器動(dòng)作情況
我廠母線避雷器動(dòng)作情況每周記錄一次,線路側(cè)沒(méi)有避雷器,只有母線上有避雷器。故障發(fā)生前后母線避雷器動(dòng)作次數(shù)如表2:

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從表2可知,避雷器并未動(dòng)作,說(shuō)明雷電未落在變電站內(nèi)部。
2)變電站接地網(wǎng)情況檢查

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如果一次接地網(wǎng)接地電阻過(guò)大,有可能造成不能泄放雷電流,所以對(duì)長(zhǎng)甸變電站接地網(wǎng)進(jìn)行檢查,接地網(wǎng)接地電阻為0.31Ω,規(guī)程規(guī)定為0.5Ω,接地電阻滿足要求。
(2)雷電落在線路上,使長(zhǎng)平線C相開(kāi)關(guān)斷口過(guò)壓擊穿
綜合以上分析,導(dǎo)致此次母線失靈保護(hù)動(dòng)作的唯一可能原因,就是長(zhǎng)平線因雷擊使C相開(kāi)關(guān)斷口擊穿,而長(zhǎng)平線本身故障并未消除,故障電流持續(xù)存在,使母線失靈保護(hù)動(dòng)作。
為驗(yàn)證這一結(jié)論是否正確,我廠先后邀請(qǐng)東北電力科學(xué)研究院對(duì)故障開(kāi)關(guān)進(jìn)行了氣體組分測(cè)試,請(qǐng)求丹東供電公司提供了故障當(dāng)時(shí)雷電定位信息,并將長(zhǎng)平線開(kāi)關(guān)返廠進(jìn)行解體檢查,從多方提供的實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析,長(zhǎng)平線遭受雷擊使C相開(kāi)關(guān)斷口擊穿,是導(dǎo)致長(zhǎng)甸電站母線失靈保護(hù)動(dòng)作的真正原因。
1)東北電力科學(xué)研究院氣體組分測(cè)試結(jié)果
2009年10月17日,東北電力科學(xué)研究院專家對(duì)長(zhǎng)平線0711開(kāi)關(guān)SF6氣體組分進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果證明C相SF6氣體組分中存在毒性氣體,且明顯比A、B相高,說(shuō)明C相開(kāi)關(guān)經(jīng)歷過(guò)與A、B相開(kāi)關(guān)不同的工作過(guò)程。測(cè)試結(jié)果如表3:
2)丹東供電公司提供的雷電定位信息
經(jīng)丹東供電公司測(cè)定:2009年10月16日19時(shí)36~38分,長(zhǎng)甸電站地區(qū)共有雷電4次,經(jīng)分析有可能造成線路跳閘的有:2009年10月16日19時(shí)36分23.8898秒,該地區(qū)落雷,有可能雷擊線路放電,雷擊點(diǎn)經(jīng)度124.9154,緯度40.4792,雷電流14.7kA,距長(zhǎng)甸長(zhǎng)平線開(kāi)關(guān)6.25km。
從丹東供電公司提供的雷電定位數(shù)據(jù)分析,記錄線路的落雷時(shí)間和保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間相吻合,進(jìn)一步證明了是線路落雷造成母線失靈保護(hù)動(dòng)作。
3)北京ABB開(kāi)關(guān)廠提供的開(kāi)關(guān)解體檢查結(jié)果
2009年10月26日,北京ABB開(kāi)關(guān)廠對(duì)長(zhǎng)甸長(zhǎng)平線C相開(kāi)關(guān)極柱進(jìn)行了解體檢查,發(fā)現(xiàn)C相滅弧室上下導(dǎo)電筒屏蔽罩由于高溫電弧的作用燒出多個(gè)孔洞,部分表面有粉塵附著;滑動(dòng)導(dǎo)電筒內(nèi)觸指鍍銀層有明顯的高溫電弧烘烤暗化發(fā)黑發(fā)紅的痕跡,滅弧室瓷套的內(nèi)表面基本被白色粉塵和SF6分解物附著,局部有高溫烘烤痕跡,說(shuō)明斷路器斷口曾經(jīng)被雷電擊穿。
至此,造成長(zhǎng)甸電站220kV母線失靈保護(hù)動(dòng)作的真正原因終于水落石出,整個(gè)故障過(guò)程如下:長(zhǎng)平線在運(yùn)行中,C相發(fā)生單相接地故障,電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,50ms左右線路開(kāi)關(guān)跳閘,但線路上單相接地故障并未消除。故障電流切除60ms后,長(zhǎng)平線C相遭受雷擊,雷電波經(jīng)過(guò)線路反射到長(zhǎng)甸站,反射雷電壓和母線電壓共同作用在處于分閘狀態(tài)的長(zhǎng)平線C相斷路器斷口上,使斷路器斷口擊穿,長(zhǎng)甸電站220kV母線通過(guò)該斷口向長(zhǎng)平線故障點(diǎn)提供故障電流,長(zhǎng)平線保護(hù)再次動(dòng)作,但因長(zhǎng)平線開(kāi)關(guān)實(shí)際在分閘位置,保護(hù)跳閘后故障電流持續(xù)存在,滿足母線失靈保護(hù)動(dòng)作條件,致使母線失靈保護(hù)動(dòng)作。
針對(duì)這種特殊情況,為防止此類(lèi)故障重復(fù)出現(xiàn),采取了以下防范措施:
(1)根據(jù)長(zhǎng)甸電站地區(qū)歷年落雷較多的情況,在線路出口安裝線路避雷器,這是防止高壓斷路器遭受雷擊損壞的較好措施。
(2)加強(qiáng)設(shè)備日常維護(hù)工作,特別是繼電保護(hù)裝置的巡回、定檢和管理工作,確保設(shè)備可靠穩(wěn)定運(yùn)行。
(3)保證地網(wǎng)安全運(yùn)行,縮短地網(wǎng)測(cè)試周期。
(4)隨著設(shè)備使用年限延長(zhǎng),根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況增加一次設(shè)備試驗(yàn)項(xiàng)目,加快老設(shè)備改造工作。
此次因線路遭受雷擊而引起母線失靈保護(hù)動(dòng)作的故障是極為罕見(jiàn)的,充分證明電力系統(tǒng)的故障類(lèi)型是隨機(jī)的,導(dǎo)致故障發(fā)生的原因是多樣的和復(fù)雜的,要保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,除了要保證繼電保護(hù)裝置可靠動(dòng)作外,更要加強(qiáng)對(duì)一次設(shè)備的檢查試驗(yàn),使性能優(yōu)良的設(shè)備運(yùn)行在電網(wǎng)中,才能最大限度減少故障時(shí)的停電范圍,防止大面積停電事故的發(fā)生。
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TM774
B
1672-5387(2011)02-0031-04
2011-01-14
蘇有權(quán)(1981-),男,助理工程師,從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化工作。
