一起同桿并架線路異名相跨線故障保護動作的分析

錢建國

（浙江電力調度通信中心，杭州 310007）

隨著電網的不斷發展，同桿并架線路在電網中的應用越來越多；而隨著電網分層分區的實施，同桿雙回線送終端變電所也越來越常見。浙江省地處東南沿海，是雷電密集地區，雷擊引起的線路故障時有發生，雷擊導致同桿并架線路同時故障對電網的危害十分嚴重。220 kV珠山變電站是由同桿并架線路供電的終端變電站，其兩回進線曾因雷擊同時跳閘，故障現象及保護動作行為較為特別，引起了筆者的注意。

1 故障前運行方式及保護配置

珠山變電站220 kV系統接線方式及相關保護配置如圖1所示。雁山4375線全長23 km，珠垂2479線全長12 km，2條線路從珠山變電站出線，約有12 km為同桿架設。雁山4375線、珠垂2479線各配置2套普通高頻保護，雁山4375線兩側線路保護為CSC101A+RCS901A，珠垂2479線兩側線路保護為CSL101A+RCS901A；線路保護均配置單相重合閘。

2 保護動作情況

雁山4375線、珠垂2479線因電源側發生雷擊而同時三相跳閘，導致220 kV珠山變電站失去主電源。故障時2條線路保護動作情況如下：

（1）南雁變電站雁山4375線保護動作行為：第一套保護CSC101A 26 ms距離Ⅰ段、32 ms縱聯距離保護動作跳三相；第二套保護RCS901A 11 ms工頻變化量阻抗、28 ms距離Ⅰ段、32 ms縱聯零序和變化量方向保護動作跳三相。

（2）珠山變電站雁山4375線保護動作行為：第一套保護CSC101A 15 ms零序Ⅰ段、25 ms距離Ⅰ段、37 ms縱聯保護動作跳B相；第二套保護RCS901A 8 ms工頻變化量阻抗、28 ms距離Ⅰ段、縱聯零序和變化量方向保護動作跳B相、77 ms縱聯變化量方向保護動作跳三相。

（3）珠山變電站珠垂2479線保護動作行為：第一套保護CSL101A保護未動作；第二套保護RCS901A 28 ms距離Ⅰ段、48 ms縱聯零序和變化量方向保護動作跳B相、62 ms縱聯零序和變化量方向保護動作跳三相。

（4）垂楊變電站珠垂2479線保護動作行為：第一套保護CSL101A距離Ⅰ段動作跳A相（因保護報告無法打印，僅由值班人員從裝置面板抄錄保護動作報文）；第二套保護RCS901A 12 ms工頻變化量阻抗、29 ms距離Ⅰ段、66 ms縱聯變化量方向保護動作跳三相。

可見，2條線路的8套線路保護動作行為及動作時序各不相同。究竟是發生了什么故障導致了各不相同的保護動作行為？這8套線路保護中是否存在不正確動作的情況？如果存在不正確動作，應采取什么措施加以防范？帶著這些疑問，對保護動作行為進行了詳細的分析。

3 故障類型及故障定位

為分析兩側線路保護動作行為的正確性，首先通過分析故障錄波圖及保護動作報告來確定故障類型及故障位置。

南雁變電站雁山4375線故障錄波見圖2。從圖中可以看到：雁山4375線AB相電壓下降、電流明顯增大，同時伴有零序電壓和零序電流存在。由此可以判定系統中發生了AB兩相接地故障。同時，2套線路保護動作行為一致，均為第一時間三相跳閘不重合，說明故障點極有可能就在雁山4375線上。

垂楊變電站珠垂2479線的故障錄波見圖3。從圖中可以看到：珠垂2479線AB相電壓下降、電流明顯增大，同時伴有零序電壓和零序電流。由此也可以判定系統中發生了AB兩相接地故障。但2套線路保護動作行為不一致，珠垂2479線故障有待進一步分析。

圖2 南雁變電站雁山4375線故障錄波

圖3 垂楊變電站珠垂2479線故障錄波

由于220 kV珠山變電站為終端變電站，故障時僅有線路保護動作而未見系統內其他設備保護動作，綜合故障波形和保護動作情況分析，可以得出的結論是：在雁山4375線和珠垂2479線上發生了AB相間接地故障。

珠山變電站雁山4375線和珠垂2479線的故障錄波如圖4所示，可分析得出以下結論：

（1）珠山變電站A相電壓下降，2條線路A相電流均很小，且接近同相；2條線路各側A相電流斷弧時間各不相同。由于珠山變電站為終端變電站，可以知道雁山4375線和珠垂2479線上均存在A相接地故障，A相電流接近于故障點提供的零序電流。

圖4 珠山變電站雁山4375線/珠垂2479線故障錄波

（2）母線B相電壓下降，2條線路B相電流均很大，且接近反相。說明2條線路B相為穿越性電流，B相只存在1個接地點。

（3）珠山變電站2條線路B相故障電流、垂楊變電站珠垂2479線B相故障電流持續時間一致，均約為40 ms，說明B相故障點在雁山4375線上。因為只有當最接近故障的斷路器B相率先斷開后，才會出現所有電源側的斷路器故障電流同時消失的現象。

（4）母線B相電壓超前雁山4375線B相電流約80°、滯后珠垂2479線B相電流約100°。說明從珠山變電站來看，雁山4375線B相發生正方向故障、珠垂2479線B相發生反方向故障，即B相故障點在雁山4375線上。

綜上所述，雷擊造成的故障為雁山4375線發生AB兩相接地故障、珠垂2479線發生A相接地故障。

4 保護動作行為分析

4.1 保護原理

由于本次故障較為特殊，線路各側保護動作行為差異較大，為更好地分析保護動作行為，首先對不同廠家的保護原理進行簡單介紹。繼電保護裝置的動作行為同時受選相元件和測量元件的影響[1]，不同廠家在這2個元件上的處理方式不同可能導致不同的動作行為。

北京四方公司CSC，CSL線路保護采用先選相再測量的邏輯，選相元件有相電流差突變量選相、零序/負序分量選相等。即保護啟動后第一時間進行選相，根據選相結果再（僅）進行故障相元件測量。若此時測量結果在保護整定范圍內，則保護動作出口，否則保護不動作。在線路非全相運行期間，測量健全相的電流突變量，當健全相的電流有一定突變量時才能再次開放保護動作。

南瑞繼保公司的RCS線路保護采用選相與測量同時進行，選相元件有相電流差突變量選相、零序/負序分量選相等[2]。即保護啟動后同時進行選相和測量結果計算，若測量結果不在保護整定范圍內，則保護不動作；若測量結果在保護整定范圍內，且有選相結果時，則按選相元件的結果進行跳閘；若測量結果在保護整定范圍內，但無選相結果，則選相失敗，經短暫延時后跳三相。選相跳閘進入非全相運行后，若仍有測量結果在保護整定范圍內，保護再次動作跳三相。

從上述分析可以知道，選相元件在繼電保護裝置中處于非常重要的地位，選相的正確性與保護裝置動作行為的正確性休戚相關。對于僅有線路單側電氣量的保護裝置而言，無論采用何種選相元件，總會存在死區。對于四方保護，正、反向故障同時發生異名相故障時，保護可能拒動；而對于南瑞保護，正、反向故障同時發生異名相故障時，保護則可能誤跳三相。鑒于繼電保護裝置存在的局限性，規程規定“制定保護配置方案時，對兩種故障同時出現的稀有情況可僅保證切除故障”[3]，并不要求保護裝置在任何時候均能夠保證選擇性。對于分相電流差動保護而言，因保護裝置同時具有線路兩側的電氣量信息，差動元件具有天然的選相優勢，能夠保證在復雜故障時正確選相、正確跳閘。

4.2 南雁變電站雁山4375線保護動作行為分析

從分析來看，雁山4375線發生AB相間接地故障。500 kV南雁變電站作為主電源，其線路保護感受到線路正向發生兩相接地故障，2套保護均瞬時動作跳三相，保護動作行為正確無誤。

4.3 珠山變電站雁山4375線保護動作行為分析

第一套保護CSC101A：從雁山4375線錄波圖中可以看出，B相電流突變量很大，保護第一時間選成B相，再進行B相元件的測量工作，所以保護第一時間跳B相。B相故障切除后，線路上仍然存在A相故障，但由于沒有電流突變量，保護不會再次動作，因此CSC101A僅跳B相。

第二套保護RCS901A：保護啟動后同時進行選相和測量工作，測量元件有A，B相動作，由于B相電流突變量很大，保護第一時間選成B相，因此保護第一時間跳B相。B相故障切除后，線路上仍然存在A相故障，A相測量元件一直動作，保護再次動作跳三相。

4.4 珠山變電站珠垂2479線保護動作行為分析

第一套保護CSL101A：從珠垂2479線錄波圖中可以看出，B相電流突變量很大，保護第一時間選成B相，由于線路發生A相接地故障而非B相，B相測量結果不在整定范圍內，所以保護不會動作。

第二套保護RCS901A：保護啟動后同時進行選相和測量工作，測量結果為A相動作；由于B相電流突變量很大，保護第一時間選成B相，因此保護第一時間跳B相。B相跳開后，線路上仍然存在A相故障，A相測量元件一直動作，保護再次動作跳三相。

4.5 垂楊變電站珠垂2479線保護動作行為分析

第一套保護CSL101A：從珠垂2479線波形圖中可以看出，A，B兩相電流突變量均很大，A相電流約為B相的2.5倍。從故障波形來看，保護選成A，B相的可能更大。但實際保護選成A相，并動作跳A相。因保護裝置動作報告無法打印，故無法對其作進一步分析。事后對保護裝置進行了相關檢驗，沒有發現異常情況。

第二套保護RCS901A：保護啟動后同時進行選相和測量工作，A相測量元件動作；A，B兩相電流突變量均很大，選相結果為A相和B相，因此保護動作跳三相。

從上述分析可以看出，雁山4375線、珠垂2479線的8套線路保護雖然動作行為及動作時序各不相同，但除珠垂2479線垂楊側第一套保護因保護動作報告無法打印而不能進一步分析外，其余保護裝置的動作行為均符合保護制造廠家最初的設計原理。

5 對策

同桿并架線路因雷擊發生故障的情況非常普遍，但2條線路同時發生同名相故障占絕對多數，發生異名相跨線故障的情況非常罕見。

在本次故障中，同桿并架線路發生了異名相跨線故障，雖然保護動作均符合設計原理，但由于高頻保護原理上的先天不足，在異名相跨線故障時因選相原因而三相跳閘，導致珠山變電站失去主電源。若雁山4375線、珠垂2479線配置為分相電流差動保護，則在本次故障中保護裝置將能夠正確選相、跳閘，即雁山4375線兩側將三相跳閘，珠垂2479線兩側將單相跳閘后重合，極有可能為220 kV珠山變電站保留1個主電源。因此，在同桿并架線路上架設光纖通道，配置分相電流差動保護可以解決異名相跨線故障時的選相問題，從而有效提高線路的供電可靠性。

需要指出的是，優化、強化繼電保護配置并非治本之策，要切實提高同桿并架線路的供電可靠性，還需要從一次設備的選型設計及保護配置方面著手，主要可以采用以下措施：

（1）參考當地雷電分布圖，從線路路徑選擇上避開雷電密集地區。

（2）縮小避雷線保護角或采用負保護角，降低線路被雷電繞擊的概率。

（3）降低桿塔接地電阻，有效降低雷電反擊過電壓。

（4）同桿線路采用差異絕緣設計。由于差異化絕緣設計要在絕緣相差較大（30%～35%以上）時才有效果，同一電壓等級的線路要實現這一絕緣差異較為困難，因此可以采用不同電壓等級的多回路同桿并架線路方案，以犧牲低電壓等級線路的方式來確保高壓、主網線路的供電可靠性。

[1]賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，1994.

[2]國家電力調度通信中心.電力系統繼電保護實用技術問答[M].北京：中國電力出版社，1997.

[3]GB/T 14285-2006繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].北京：中國電力出版社，2006.