一起220kV線路單相接地事故分析及應對措施

摘要：華電大同第一熱電廠運行兩臺135MW循環流化床機組，廠內設110kV和220kV兩級母線。文章先給出一起單相接地故障的案例，再從光纖電流縱差保護、距離保護和重合閘三方面對該故障過程進行分析，判斷保護動作的正確性。

關鍵詞：光纖電流縱差保護；距離保護；重合閘；單相接地事故；電力系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM773 文章編號：1009-2374（2017）07-0194-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.092

1 概述

華電大同第一熱電廠運行兩臺135MW循環流化床機組，廠內設110kV和220kV兩級母線。每臺發電機配一臺三繞組變壓器，中壓側與110kV雙母線連接，高壓側與220kV單母線連接，輸送電能。

2 故障前運行方式及故障過程

2.1 故障前運行方式簡介

此電廠的一次系統如圖1所示。故障發生前，#1機和#2機均帶100MW左右負荷正常運行，同時向周邊用戶提供供熱。

2.2 故障過程

某日早6點53分報警旺三Ⅰ線211開關掉閘。就地檢查#211旺三Ⅰ線RCS-931AM超高壓線路成套保護裝置、PSL602GC數字式保護裝置兩套保護的差動保護、距離保護、零序保護動作，將#211旺三Ⅰ線電廠內211開關掉閘。經與調度聯系，三井變電站旺三Ⅰ線對應站內291出口開關掉閘。同時，廠內線路數字式保護裝置PSL602GC重合閘動作啟動，重合結果失敗。

此次事故造成#1發電機停機，其所提供熱源中斷，#2發電機按照調度要求，滿負荷運行，保證冬季供熱效率不降低。

3 故障分析

3.1 保護動作檢查情況

本電廠配置嚴格按照《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求繼電保護實施細則》第三條第三款防止繼電保護事故要求，220kV送電線路211采用雙重化配置原則，采用南瑞RCS931AM光纖縱聯差動保護裝置及南自PSL602GC光纖縱聯距離保護裝置。

3.1.1 電廠內保護動作后現場檢查情況。

第一，南瑞保護裝置RCS931AM光纖（芯）縱聯差動保護動作，9ms電流差動保護，550ms重合閘動作；南自PSL602GC保護動作，27ms縱聯保護A跳出口，62ms綜重重合閘啟動，562ms綜重重合閘動作。

第二，主保護Ⅰ裝置RCS931AM光纖（芯）縱聯差動保護測算故障距離為16.6km；主保護Ⅱ裝置PSL602GC距離保護測算故障距離為19.06km；故障錄波器ZH-2裝置測算故障距離是-15.478km；故障A相最大短路電流：12.14A。220kV送電線#211故障錄波器ZH-2所錄波形如下：

3.1.2 線路沿線檢查情況。從發電廠旺三Ⅰ線出線沿線路排查，在礦務局棚戶區南側環城高速公路下旺三線第56號和57號桿塔之間，距56號桿塔西側50米的距離，有XX集團宏遠公司的水泥灌裝車在施工中，不慎將伸縮臂觸碰到211線路最下端的A項上，致使211線路A項鋼芯鋁絞線外部鋁絞線全部斷裂，只剩下很細的鋼芯還在連接中。

3.2 保護動作分析情況

3.2.1 220kV架空線路保護的技術要求。根據繼電保護和自動化裝置技術標準化要求：220kV線路保護裝置按雙重化標準配置，即配置兩套完整、獨立的、能夠處理可能發生的所有類型的數字式保護裝置。這兩套裝置宜由不同廠家采用不同的保護動作原理構成組屏。兩套獨立的保護裝置所需引入的電氣量應分別接自不同的CT、PT上，安裝在電氣柜內的交直流電源、通訊連接設備、跳合閘線圈等需要完全獨立。兩套保護裝置必須具備獨立運行的能力，當運行中一套保護異常或動作需要完全退出或臨時檢修時，不應影響另一套保護的正常運行。220kV架空線路須采用自動重合閘裝置，以保證線路瞬時故障后能夠短時恢復運行，提高供電可靠性，減少停電損失，提高系統的暫態穩定能力。

3.2.2 線路差動保護功能動作分析。

第一，光纖縱差保護原理。光纖縱差的通道有四種：電力線載波通道、微波通道、光纖通道、導引線通道，本案例所涉及的南瑞RCS931和南自PSL602裝置均采用光纖通道傳輸。架空線路光纖傳輸是以光導纖維為介質進行的數據、信號傳輸，不僅可用來傳輸模擬信號還可以傳送數字信號，傳輸距離能達幾十公里甚至更遠。架空線路光纖傳輸的核心裝置是光電轉化器，也叫光纖收發器，是一種能把模擬、數字電信號轉化為光信號或反向轉化并進行遠距離傳輸的裝置。架空線路光纖收發器的主要原理是通過光電耦合實現，將各電流量和開關量的二進制的電信號轉變成編碼形式的光信號，傳輸至對側裝置再進行光電轉化，最終在對側獲得模擬或數字電信號。

差動保護是利用基爾霍夫電流定律：在整個架空線路保護范圍的安裝處流入裝置差動繼電器電流的總和等于零。當設備在保護范圍內發生故障時，流進被保護設備繼電器的電流和流出的電流不相等，也就是差動電流大于零。當這個差流值大于保護裝置的啟動整定值時，保護裝置啟動差流判斷具備出口的一個條件；當差流大于或等于差動電流的整定值時，保護裝置動作出口，并啟動斷路器操作回路，將被保護設備的雙側斷路器跳開，切除故障。南瑞RCS931和南自PSL602裝置的保護原理基本相同，但兩個廠家的判別邏輯不同。從本案例的動作結果看：南瑞RCS931的縱差保護更迅速、靈敏地切除故障點，提高了穩定運行能力。

若以架空線路某處單相短路故障示意如圖4：

線路內部發生某一單相短路時，流經保護裝置的電流大小、方向均發生改變，其中：

動作電流矢量表示為：

制動電流矢量表示為：

因為動作電流遠大于制動電流，故差動保護判斷為動作。

光纖差動保護的實質是比較線路兩側的電流方向，正常運行或區外故障時，線路首端電流是由母線流向線路、線路末端電流是由線路流向母線，保護不動作。線路內部故障時，在兩側都有電源的情況下，兩側電流都是由母線流向線路，單側電源時，首端由母線流向線路，末端沒有電流，則差動保護動作跳閘。

第二，本案例差動保護分析。根據保護動作報告可知，當在0s時刻A相發生施工觸碰接地故障，南瑞RCS-931AM超高壓線路保護裝置縱聯差動啟動發出跳開A相指令，于3ms出口跳開A相，此時A相故障電流消失。重合閘滿足啟動條件，RCS931裝置與PSL602裝置同時在62ms時發出綜重啟動指令并于562ms動作于出口，出現接地短路電流，縱聯差動保護在644ms發出動作指令動作于斷路器，將三相開關跳開，并在683ms發出遠方啟動跳閘信號。

RCS931分相差動保護邏輯圖示5如下：

廠內另一套保護裝置南自PSL602GC動作報告顯示：602保護裝置縱聯差動保護功能啟動27ms后，縱差保護A相跳閘，PSL602裝置與931裝置同時在62ms時發出綜重啟動指令并于562ms動作于出口，出現接地短路電流，縱聯差動保護在644ms動作于斷路器，三相開關跳開；679ms后縱聯距離加速永跳指令發出并于689ms縱聯保護永跳出口。PSL602保護裝置差動原理同上，不再累述。

PSL602分相差動保護邏輯圖與RCS931分相差動保護邏輯略有不同：在判斷條件中增加了零序差動、TA斷線差動元件及TA斷線閉鎖差動，分別進入A/B/C相差動出口動作和向對側發差動動作允許信號的邏輯判斷中，此差異完全符合雙重化配置標準要求。

3.2.3 線路距離保護功能動作分析。

第一，輸電線路的距離保護原理。阻抗是對交流電所起的阻礙作用，常用Z表示。阻抗通常由電阻、感抗和容抗三種成分組成，包括了對故障點電氣量的大小、性質、方向的計算與判斷。距離保護是以距離測量元件為基礎的保護裝置。距離測量元器件引入電流和電壓兩種參數對故障點阻抗進行計算，通過計算結果與裝置整定值的比較，判斷出故障點的距離和短路電流，并啟動保護功能出口于斷路器，切除故障。距離保護在超高壓及特高壓系統的線路保護中，占有極其重要的地位。整套距離保護包括故障啟動、故障距離測量、相對應的時間邏輯回路與電壓回路斷線閉鎖等部分。其中，測量部分是距離保護的核心，用以判斷故障點離距離保護裝置處的距離和方向：如果在裝置的保護范圍內，就發出動作信號；如果在保護范圍外，距離保護裝置就不動作。

第二，本案例距離保護分析。根據保護動作報告可知，A相發生施工觸碰接地故障時，南瑞931AM保護裝置縱差跳開A相，該裝置故障測距結果為16.6km，南自602裝置測距為19.06km。不同廠家的產品所采用的實現方法不盡相同，邏輯框圖也有差異（詳見技術說明書），所以兩套距離保護裝置測量故障結果基本正確。

3.2.4 線路重合閘保護功能動作分析。

第一，架空線路重合閘保護原理。在架空線路的運行中會出現許多種故障，根據電力系統的運行經驗表明，架空線路上絕大多數故障是瞬時性，此種故障系統可以不經處理及檢修，系統可以自行恢復正常的絕緣水平。另外10%的故障是屬于永久性故障，需要處理或停電檢修的。

自動重合閘（ARC）是能夠將因故跳開斷路器再次按照判斷邏輯和運行需要自動、快速投入運行的一種自動裝置。在繼電保護裝置動作出口，啟動斷路器操作箱將輸電線兩側的開關跳開后，由于沒有短路電流，等到足夠的去游離時間后，電弧將自動熄滅恢復絕緣水平。如果自動重合閘裝置將斷路器重合就可以運行，就可以減少停電損失，增大高壓線路的送電容量。

自動重合閘按照作用方式分為三相、單相和綜合重合閘三種。在本案例中，調度定值整定為只投單相重合閘。單相重合閘是指線路上發生單相接地故障時，保護動作只跳開故障相的斷路器并單相重合；當單相重合不成功或多項故障時，保護動作跳開三相斷路器，不再進行重合。當由于其他任何原因跳開三相斷路器時，也不再重合。單相重合閘主要應用于：220kV及以上電壓單回聯絡線、兩側電源之間相互聯系薄弱的線路和若發生單相接地故障三相重合無法滿足系統穩定要求的線路。

第二，本案例重合閘保護分析。本電廠南瑞RCS931和南自PSL602裝置重合閘方式均采用后加速重合方式，當被保護線路發生故障時，自動重合閘保護裝置實現重合一次。

在本次A相接地故障中，當RCS931AM縱差保護動作于斷路器操作箱CZX-A，將A相跳開。PSL602裝置綜重重合閘于62ms啟動，550ms發出重合閘動作指令，裝置于562ms綜重出口（綜合重合閘定值為0.5s）。由于重合于故障線路，931縱差保護裝置無時限動作于A、B、C相跳閘。

重合閘回路的方框結構示意如圖6。

故障發生過程為：當RCS931裝置的差動保護動作快速將故障A相切除，同時，自動重合閘自動啟動，重合一次，自動重閘失敗后RCS931保護裝置立即以無時限、無選擇的跳開斷路器。整個故障處理過程完全符合重合閘保護設計要求。

4 應對措施

因送電線旺三Ⅰ線211跳閘，經與調度聯系故障確認引線嚴重破損，短時間不能恢復。鑒于該系統（見圖1）設計存在沒有備用電源的缺陷，當#2發電機單機運行狀態下，若旺三Ⅱ線212因故掉閘將造成220kV系統失電，直接導致全廠停電。

鑒于以上情況，制定應急預案。在線路故障恢復以前運維人員必須加強巡視，檢修范圍不能擴大，如發生全廠停電，嚴格按照應急預案執行。

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作者簡介：鄧瑞霞（1981-），女，山西榆次人，華電襄垣和信發電有限公司工程師，研究方向：電廠前期。

（責任編輯：小 燕）