一起220kV线路单相接地事故分析及应对措施

摘要：华电大同第一热电厂运行两台135MW循环流化床机组，厂内设110kV和220kV两级母线。文章先给出一起单相接地故障的案例，再从光纤电流纵差保护、距离保护和重合闸三方面对该故障过程进行分析，判断保护动作的正确性。

关键词：光纤电流纵差保护；距离保护；重合闸；单相接地事故；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TM773 文章编号：1009-2374（2017）07-0194-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.092

1 概述

华电大同第一热电厂运行两台135MW循环流化床机组，厂内设110kV和220kV两级母线。每台发电机配一台三绕组变压器，中压侧与110kV双母线连接，高压侧与220kV单母线连接，输送电能。

2 故障前运行方式及故障过程

2.1 故障前运行方式简介

此电厂的一次系统如图1所示。故障发生前，#1机和#2机均带100MW左右负荷正常运行，同时向周边用户提供供热。

2.2 故障过程

某日早6点53分报警旺三Ⅰ线211开关掉闸。就地检查#211旺三Ⅰ线RCS-931AM超高压线路成套保护装置、PSL602GC数字式保护装置两套保护的差动保护、距离保护、零序保护动作，将#211旺三Ⅰ线电厂内211开关掉闸。经与调度联系，三井变电站旺三Ⅰ线对应站内291出口开关掉闸。同时，厂内线路数字式保护装置PSL602GC重合閘动作启动，重合结果失败。

此次事故造成#1发电机停机，其所提供热源中断，#2发电机按照调度要求，满负荷运行，保证冬季供热效率不降低。

3 故障分析

3.1 保护动作检查情况

本电厂配置严格按照《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求继电保护实施细则》第三条第三款防止继电保护事故要求，220kV送电线路211采用双重化配置原则，采用南瑞RCS931AM光纤纵联差动保护装置及南自PSL602GC光纤纵联距离保护装置。

3.1.1 电厂内保护动作后现场检查情况。

第一，南瑞保护装置RCS931AM光纤（芯）纵联差动保护动作，9ms电流差动保护，550ms重合闸动作；南自PSL602GC保护动作，27ms纵联保护A跳出口，62ms综重重合闸启动，562ms综重重合闸动作。

第二，主保护Ⅰ装置RCS931AM光纤（芯）纵联差动保护测算故障距离为16.6km；主保护Ⅱ装置PSL602GC距离保护测算故障距离为19.06km；故障录波器ZH-2装置测算故障距离是-15.478km；故障A相最大短路电流：12.14A。220kV送电线#211故障录波器ZH-2所录波形如下：

3.1.2 线路沿线检查情况。从发电厂旺三Ⅰ线出线沿线路排查，在矿务局棚户区南侧环城高速公路下旺三线第56号和57号杆塔之间，距56号杆塔西侧50米的距离，有XX集团宏远公司的水泥灌装车在施工中，不慎将伸缩臂触碰到211线路最下端的A项上，致使211线路A项钢芯铝绞线外部铝绞线全部断裂，只剩下很细的钢芯还在连接中。

3.2 保护动作分析情况

3.2.1 220kV架空线路保护的技术要求。根据继电保护和自动化装置技术标准化要求：220kV线路保护装置按双重化标准配置，即配置两套完整、独立的、能够处理可能发生的所有类型的数字式保护装置。这两套装置宜由不同厂家采用不同的保护动作原理构成组屏。两套独立的保护装置所需引入的电气量应分别接自不同的CT、PT上，安装在电气柜内的交直流电源、通讯连接设备、跳合闸线圈等需要完全独立。两套保护装置必须具备独立运行的能力，当运行中一套保护异常或动作需要完全退出或临时检修时，不应影响另一套保护的正常运行。220kV架空线路须采用自动重合闸装置，以保证线路瞬时故障后能够短时恢复运行，提高供电可靠性，减少停电损失，提高系统的暂态稳定能力。

3.2.2 线路差动保护功能动作分析。

第一，光纤纵差保护原理。光纤纵差的通道有四种：电力线载波通道、微波通道、光纤通道、导引线通道，本案例所涉及的南瑞RCS931和南自PSL602装置均采用光纤通道传输。架空线路光纤传输是以光导纤维为介质进行的数据、信号传输，不仅可用来传输模拟信号还可以传送数字信号，传输距离能达几十公里甚至更远。架空线路光纤传输的核心装置是光电转化器，也叫光纤收发器，是一种能把模拟、数字电信号转化为光信号或反向转化并进行远距离传输的装置。架空线路光纤收发器的主要原理是通过光电耦合实现，将各电流量和开关量的二进制的电信号转变成编码形式的光信号，传输至对侧装置再进行光电转化，最终在对侧获得模拟或数字电信号。

差动保护是利用基尔霍夫电流定律：在整个架空线路保护范围的安装处流入装置差动继电器电流的总和等于零。当设备在保护范围内发生故障时，流进被保护设备继电器的电流和流出的电流不相等，也就是差动电流大于零。当这个差流值大于保护装置的启动整定值时，保护装置启动差流判断具备出口的一个条件；当差流大于或等于差动电流的整定值时，保护装置动作出口，并启动断路器操作回路，将被保护设备的双侧断路器跳开，切除故障。南瑞RCS931和南自PSL602装置的保护原理基本相同，但两个厂家的判别逻辑不同。从本案例的动作结果看：南瑞RCS931的纵差保护更迅速、灵敏地切除故障点，提高了稳定运行能力。

若以架空线路某处单相短路故障示意如图4：

线路内部发生某一单相短路时，流经保护装置的电流大小、方向均发生改变，其中：

动作电流矢量表示为：

制动电流矢量表示为：

因为动作电流远大于制动电流，故差动保护判断为动作。

光纤差动保护的实质是比较线路两侧的电流方向，正常运行或区外故障时，线路首端电流是由母线流向线路、线路末端电流是由线路流向母线，保护不动作。线路内部故障时，在两侧都有电源的情况下，两侧电流都是由母线流向线路，单侧电源时，首端由母线流向线路，末端没有电流，则差动保护动作跳闸。

第二，本案例差动保护分析。根据保护动作报告可知，当在0s时刻A相发生施工触碰接地故障，南瑞RCS-931AM超高压线路保护装置纵联差动启动发出跳开A相指令，于3ms出口跳开A相，此时A相故障电流消失。重合闸满足启动条件，RCS931装置与PSL602装置同时在62ms时发出综重启动指令并于562ms动作于出口，出现接地短路电流，纵联差动保护在644ms发出动作指令动作于断路器，将三相开关跳开，并在683ms发出远方启动跳闸信号。

RCS931分相差动保护逻辑图示5如下：

厂内另一套保护装置南自PSL602GC动作报告显示：602保护装置纵联差动保护功能启动27ms后，纵差保护A相跳闸，PSL602装置与931装置同时在62ms时发出综重启动指令并于562ms动作于出口，出现接地短路电流，纵联差动保护在644ms动作于断路器，三相开关跳开；679ms后纵联距离加速永跳指令发出并于689ms纵联保护永跳出口。PSL602保护装置差动原理同上，不再累述。

PSL602分相差动保护逻辑图与RCS931分相差动保护逻辑略有不同：在判断条件中增加了零序差动、TA断线差动元件及TA断线闭锁差动，分别进入A/B/C相差动出口动作和向对侧发差动动作允许信号的逻辑判断中，此差异完全符合双重化配置标准要求。

3.2.3 线路距离保护功能动作分析。

第一，输电线路的距离保护原理。阻抗是对交流电所起的阻碍作用，常用Z表示。阻抗通常由电阻、感抗和容抗三种成分组成，包括了对故障点电气量的大小、性质、方向的计算与判断。距离保护是以距离测量元件为基础的保护装置。距离测量元器件引入电流和电压两种参数对故障点阻抗进行计算，通过计算结果与装置整定值的比较，判断出故障点的距离和短路电流，并启动保护功能出口于断路器，切除故障。距离保护在超高压及特高压系统的线路保护中，占有极其重要的地位。整套距离保护包括故障启动、故障距离测量、相对应的时间逻辑回路与电压回路断线闭锁等部分。其中，测量部分是距离保护的核心，用以判断故障点离距离保护装置处的距离和方向：如果在装置的保护范围内，就发出动作信号；如果在保护范围外，距离保护装置就不动作。

第二，本案例距离保护分析。根据保护动作报告可知，A相发生施工触碰接地故障时，南瑞931AM保护装置纵差跳开A相，该装置故障测距结果为16.6km，南自602装置测距为19.06km。不同厂家的产品所采用的实现方法不尽相同，逻辑框图也有差异（详见技术说明书），所以两套距离保护装置测量故障结果基本正确。

3.2.4 线路重合闸保护功能动作分析。

第一，架空线路重合闸保护原理。在架空线路的运行中会出现许多种故障，根据电力系统的运行经验表明，架空线路上绝大多数故障是瞬时性，此种故障系统可以不经处理及检修，系统可以自行恢复正常的绝缘水平。另外10%的故障是属于永久性故障，需要处理或停电检修的。

自动重合闸（ARC）是能够将因故跳开断路器再次按照判断逻辑和运行需要自动、快速投入运行的一种自动装置。在继电保护装置动作出口，启动断路器操作箱将输电线两侧的开关跳开后，由于没有短路电流，等到足够的去游离时间后，电弧将自动熄灭恢复绝缘水平。如果自动重合闸装置将断路器重合就可以运行，就可以减少停电损失，增大高压线路的送电容量。

自动重合闸按照作用方式分为三相、单相和综合重合闸三种。在本案例中，调度定值整定为只投单相重合闸。单相重合闸是指线路上发生单相接地故障时，保护动作只跳开故障相的断路器并单相重合；当单相重合不成功或多项故障时，保护动作跳开三相断路器，不再进行重合。当由于其他任何原因跳开三相断路器时，也不再重合。单相重合闸主要应用于：220kV及以上电压单回联络线、两侧电源之间相互联系薄弱的线路和若发生单相接地故障三相重合无法满足系统稳定要求的线路。

第二，本案例重合闸保护分析。本电厂南瑞RCS931和南自PSL602装置重合闸方式均采用后加速重合方式，当被保护线路发生故障时，自动重合闸保护装置实现重合一次。

在本次A相接地故障中，当RCS931AM纵差保护动作于断路器操作箱CZX-A，将A相跳开。PSL602装置综重重合闸于62ms启动，550ms发出重合闸动作指令，装置于562ms综重出口（综合重合闸定值为0.5s）。由于重合于故障线路，931纵差保护装置无时限动作于A、B、C相跳闸。

重合闸回路的方框结构示意如图6。

故障发生过程为：当RCS931装置的差动保护动作快速将故障A相切除，同时，自动重合闸自动启动，重合一次，自动重闸失败后RCS931保护装置立即以无时限、无选择的跳开断路器。整个故障处理过程完全符合重合闸保护设计要求。

4 应对措施

因送电线旺三Ⅰ线211跳闸，经与调度联系故障确认引线严重破损，短时间不能恢复。鉴于该系统（见图1）设计存在没有备用电源的缺陷，当#2发电机单机运行状态下，若旺三Ⅱ线212因故掉闸将造成220kV系统失电，直接导致全厂停电。

鉴于以上情况，制定应急预案。在线路故障恢复以前运维人员必须加强巡视，检修范围不能扩大，如发生全厂停电，严格按照应急预案执行。

参考文献

[1] 高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2] 贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2004.

[3] 李阳坡，顾雪平，刘艳，等.电力系统黑启动过程中线路继电保护的配置与整定[J].电力系统自动化，2006，30（7）.

[4] 何必涛.浅谈电网继电保护配置及整定计算[J].广东科技，2013，22（6）.

[5] 孙芝莲.110kV线路继电保护配置与整定计算[J].中国新技术新产品，2012，（24）.

[6] 桂远乾.国外城市电网继电保护整定计算研究[D].华中科技大学，2009.

[7] 蔡黎.220～500kV线路后备保护配置及整定计算原则简化研究[D].华中科技大学，2007.

[8] 范柳.电力系统主设备继电保护整定計算研究[J].科技展望，2014，（19）.

作者简介：邓瑞霞（1981-），女，山西榆次人，华电襄垣和信发电有限公司工程师，研究方向：电厂前期。

（责任编辑：小 燕）