基于分布式发电与配电自动化的复杂故障分析

庞霞，胡春花，施伟成，许杏桃，欧阳菲菲，李然

(1.国网江苏省电力有限公司技能培训中心，江苏南京210042; 2.镇江市高等专科学校，江苏镇江212028;3.国网镇江供电公司，江苏镇江212050; 4.江苏安方电力科技有限公司，江苏泰州225300)

0 引言

某电网110 kV变电站发生一起两条10 kV线路相继短路的故障。这引发110 kV变压器#1低后备保护动作，切除故障。由于10 kV的I段母线有分布式发电并网，变压器后备保护动作后，分布式发电系统带10 kV的I段母线形成孤岛运行系统。由于分布式发电系统容量小，孤岛运行系统不能保持稳定，频率、电压迅速下降。该变电站的低频低压减载装置第一轮动作后，才使孤岛运行系统稳定。在电网中，10 kV线路故障比较常见[1—4]，如瞬时性短路故障、永久性短路故障和小电流接地系统故障都较为普遍，一般引起故障线路的断路器重合闸动作。然而，某一变电站两条线路相继发生故障，造成主变低后备保护动作的情况并不常见，这是一类较为复杂的故障类型。

1 故障过程

该110 kV变电站C为内桥结线方式，如图1所示，715线路供#1主变，716线路供#2主变，700开关热备用，10 kV母线分列运行，101开关供10 kV的I段母线，102开关供10 kV的II段母线，分段100开关热备用。2台主变容量均为31.5 MV·A，911线路有10 kV分布式发电并网，装机容量为10 MW。事故发生前，该地区为多云天气，风力达5～6级。

图1 系统接线图

1.1 系统继电保护整定设置

1)10 kV出线开关安装配电自动化系统，电流I段整定值为1 200 A、0.200 s，过电流保护整定值为400 A、1.000 s，重合闸时间整定为2.500 s。

2)#1主变低压侧101开关采用两段式低后备保护整定，I段为瞬时电流速断保护，Ⅱ段为限时电流速断保护。其中，I段定值为5 400 A，II段定值为0.500 s。

3)发电机低频解列装置整定值为49.0 Hz、0.600 s。

4)该变电站的低频减载装置整定值：第一轮49.0 Hz、0.300 s；第二轮48.5 Hz、0.600 s；第三轮48 Hz、0.900 s。

1.2 线路故障录波信息

1)111线路故障录波信息

111线路的故障波形见图2，当日时间12:51:26.435，111线路发生一次瞬时三相短路故障，保护启动，由于故障持续90 ms，未达到复压过流I段时间定值(0.200 s)，保护装置并未动作。12:51:26.715，线路发生永久性故障，保护装置于12:51:27.870启动跳闸，12:51:27.917切除故障，12:51:30.407重合闸启动，重合后，后加速保护动作，于12:51:30.750跳开开关。

2)112线路故障录波信息

112线路故障波形见图3。12:51:27.860，线路发生单相故障。12:51:27.883，112线路发生永久性故障，保护装置于12:51:28.075启动跳闸，12:51:28.128故障切除，12:51:30.627重合闸动作，于12:51:30.665合上开关，后加速保护动作。

111线路故障电流存在时间为12:51:26.715至12:51:27.917，112线路故障电流持续时间为12:51:27.860至12:51:28.128，故线路故障电流持续时间共1 413 ms。

1.3 线路保护动作时序

111线路故障二次电流幅值为155 A，折算到一次电流为(155/1.414)(400/5) A=8 769 A，超过#1主变复压过流I段定值(5 400 A)。主变低后备保护动作，程序开始计时(12:51:30.445)；重合后0.200 s(定值)，后加速保护动作(12:51:30.699)，跳开111线路开关。但在111线路开关跳开之前，112线路开关已经重合(12:51:30.665)，故障二次电流为99.67 A，折算到一次电流为5 639 A，也超过#2主变低后备I段定值。故虽然111线路后加速保护跳开开关(12:51:30.750)，但由于112线路故障电流存在，主变低后备保护动作程序一直计时(12:51:30.445至12:51:30.974)，共持续了529 ms，已达到了0.500 s的时间整定值，最终跳开主变101开关。线路保护动作时序图见图4。

图2 111线路录波图

图3 112线路录波图

图4 线路保护动作时序图

101开关后备保护动作后，由于I段母线带分布式发电系统运行，形成孤岛系统运行。在该孤岛系统中，分布式发电系统发出功率较小，孤岛系统出现严重功率缺额，系统频率快速下降。C站低频低压减载装置第一轮动作，切除10 kV的I段母线L3、L4线，以及II段母线的K2、K4线，孤岛系统恢复稳定运行。

2 故障分析

1)10 kV系统为中性点不接地系统，10 kV线路一般配置三段式电流保护。一般来讲，对于单相接地故障，由于接地电流较小，一般不跳闸，只发接地告警信号。对于相间短路故障，由电流速断保护动作，0 s跳开线路开关，切除故障[5—6]。

近年来，由于10 kV线路均改造为配电自动化(馈线自动化)，为缩小停电范围，保证供电可靠性，在开环运行的城市配电网，采用时间级差整定实现保护配合。文献[7—8]提出了两级级差保护和三级级差保护的配合策略。时间级差配合，即在线路故障情况下先判别故障区域，由线路的环网柜先动作，再由变电站出线开关延时动作，目前普遍采用0.200 s的延时，这一延时考虑了故障情况下分布式光伏自动解列的时间。因此，本线路发生永久性故障后I段动作时间整定值为0.200 s，理论上故障切除时间为0.200 s，但由于跳闸脉冲发出至开关断开切除故障约有60～80 ms的时间，故实际故障电流持续时间约为260～280 ms，动作正确。

2)112线在12:51:27.860发生单相故障，在12：51：27.883发生永久性故障，在12:51:28.128故障被切除。12:51:26.715至12:51:28.128，主变低压侧始终有故障电流的存在(主变低压侧后备保护整定值为5 400 A、0.500 s)，主变低后备保护动作，跳开101开关。

对于这样一个两条线路相继出现故障的变电站，可经过计算，在电网安全稳定性允许的情况下，考虑增加主变低后备保护动作延时，或适当提高低后备保护动作整定电流值，避开两条出线相继出现故障的情况，以免主变低后备保护误动作，扩大停电范围。

这两次线路故障主要由同杆塔架设的线路相继发生永久性故障引起的。同杆塔架设的低压线路，由于线路间距较近，在同一外力影响下，同杆塔上的各个线路更容易同时发生故障，扩大停电范围。应该优化配网线路架设结构，扩大不同回线的间距，减少同一外力造成不同线路同时出现故障的风险。此外，加快老旧配电线路改造。由于线路运行时间长，绝缘老化，对于同杆塔架设的双回线，一条回线发生故障，引起另一回线故障的风险较高。

3)当孤岛系统频率下降至49.0 Hz时，C站低频低压减载装置第一轮动作，切除I段母线L3、L4线以及II段母线K2、K4线。这时孤岛运行系统频率逐渐上升，事故结束。此处，低频低压减载装置动作正确。低压低频减载是解决电力系统电压与频率问题的常用手段，并且这两个问题往往是相互耦合同时存在的[9]。但实际上10 kV的II段母线频率正常，此种情况下，低频低压减载装置切除II段母线的负荷是不必要的。

4)由于近年来在配电网经10 kV或35 kV线路并网的小电源越来越多，文献[10—12]研究了分布式电源接入对配电网的规划、运行和继电保护整定带来的影响。如本案例，在并网变电站主变开关跳闸的情况下，就可能形成孤网运行。孤岛系统由于调频调压能力非常有限，通常分布式发电不足以支撑孤岛系统的正常稳定运行，孤岛系统电压、频率均不满足要求，给用户设备和电网设备均造成危害。

3 解决方案

本案例故障的解决方案之一是调整主变低后备保护整定值。当线路未配置配电自动化装置时，主变低后备保护整定值为5 400 A、0.500 s，两条线路相继发生永久性故障，不会引起主变低后备保护动作。目前该站线路均配置配电自动化，线路继电保护启动时间延长，建议适当提高主变低后备保护整定电流值或者延长整定时间，从保护动作延时上避开两条线相继发生故障带来的影响，保证主变低后备保护不应动作时不动作，减少孤岛系统的形成。

解决方案之二是将继电保护与安全自动装置动作相配合，有如下3点建议：

1)检测分段开关遥信位置

在低频低压减载动作之前可考虑检测10 kV分段100开关遥信位置。若100开关在合位，此时经计算切除I段母线L3、L4线以及II段母线K2、K4线，若能保证两条母线都恢复正常，此种动作逻辑正确。若100开关在分位，在保证II段母线频率、电压正常的情况下，可考虑低频低压减载第一轮暂不切除II段母线K2、K4线，以免造成不必要的失电。

2)低压低频减载装置分级切除I、II段母线

本案例中，低频低压减载装置切除了正常运行的K2、K4线，扩大了停电范围。在事故过程中，II段母线始终未受影响，此时不应切除II段母线负荷。由于C站的低频低压减载是从整个电网角度考虑整定的，10 kV分段开关断开，考虑C站I段母线形成孤岛运行系统的概率较高，C站低频低压减载第一轮动作时，检测即将切除线路所在母线的频率和电压，对于母线上频率和电压在正常范围内的线路可不切除。那么，第一轮切除负荷可只切除I段母线，将II段母线的负荷放至第二轮切除，以此避免不必要的停电，提高供电的可靠性。

3)主变低后备保护动作后联切分布式发电

主变低后备保护动作后，C站10 kV的I段母线形成孤岛运行系统，并出现严重的功率缺额情况。此时可考虑由主变低后备保护联切分布式发电，避免孤岛运行系统形成。这样，从主变低压侧恢复送电，最后完成分布式发电的并列运行，可避免非同期给分布式发电和电网带来的危害。此种方案虽会扩大停电范围，但能避免用户设备与电网设备遭受低频低压的威胁，并且一定程度上能缩短停电时间。

4 结语

本文详细分析了配电自动化与分布电源并网背景下10 kV线路相继发生永久性短路的故障。该故障引起主变低后备保护动作，形成孤岛系统运行。本文解决了电网运行中继电保护与安全自动装置整定的一些问题，从主变低后备保护与线路保护时间配合以及低频低压减载动作检测条件等方面提出建议，为电网运行人员与继电保护人员提供参考。