一起纵联距离保护拒动的事故分析

毕如玉，江 渊，李煜磊，李 霄，温皓澜

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉430000）

0 引言

在电网故障中，输电线路故障占绝大多数，而其中98%以上线路故障跳闸为单相接地造成，引发的故障原因和形式复杂多样［1，2］。当架空线路与树枝等物质接触时［3］，其接地电阻可能达到几百甚至上千欧姆，称为高阻接地故障［4-7］。该类故障占比约5%，其故障检测相对其余类型故障相对较为困难［8-11］。

纵联保护是一种可以综合反应两端电气量变化的保护，其优点是可以保护本线路全长范围内的短路，理论上可以达到有选择、快速地切除全线路任意点短路故障。正因为该保护可以反应两端电气量的变化，故两侧需要进行通信，以便于每侧都能综合双端信息进行故障判别。按照保护动作原理，纵联保护又能细分为两类：方向比较式纵联保护［12］和纵联电流差动保护［13，14］。方向比较式纵联保护的两侧保护装置独立判断本侧的测量阻抗、功率方向是否在规定的区段、方向内，然后将判断结果传输至对侧，再由每侧装置结合双侧的判别结果区分故障，决定是否动作。纵联距离保护采用的正是这种原理。

由于这类保护在通道中传送的是逻辑信号而不是电气量本身，故而如果有一侧保护装置判断该故障为区外，则双侧保护都将无法动作。由于保护原理的限制，该类保护拒动或误动的事故时有发生［15-22］，合理的动作定值与保护动作特性，是该类保护正确动作的重要保障［23］。

1 事故情况简述

2020 年08 月20 日13：28，220 kV XW 线发生A 相永久性高阻接地故障。XW 线主二保护CSC-101A 纵联保护停信，后备保护距离II 段［24］动作。XW 线主一保护RCS-902A两侧纵联保护均未动作。具体地，X侧CSC-101A 保护启动后133 ms 纵联零序停信，但一直收到对侧信号，因此主保护未动作；1 600 ms 时，接地距离II 段保护动作，切除A 相；2 632 ms 阻抗II 段加速出口切除ABC 三相。W 侧CSC-101A 保护启动后，1 481 ms 纵联零序停信，1 505 ms 纵联保护出口切除A相，2 534 ms 时零序IV 段加速出口切除ABC 三相。X侧RCS-902A 保护启动后67 ms 纵联零序达到动作定值开始发信，但未收到对侧信号，因此主保护未动作；1 660 ms时由A相跳闸位置启动发信，2 450 ms时重合闸动作，2 520 ms 零序加速动作；W 侧RCS-902A 保护启动后1 515 ms纵联零序发信，2 420 ms重合闸动作，2 588 ms零序加速动作。线路两侧双套保护装置动作情况如表1和表2所示。

表1 X侧两套继电保护装置动作信息表Table 1 Action information of two sets of relay protection devices on X side

表2 W侧两套继电保护装置动作信息表Table 2 Action information of two sets of relay protection devices on W side

2 主二保护CSC-101A动作行为分析

CSC-101A 纵联距离保护装置配置有纵联方向距离元件、纵联零序方向元件及负序方向元件。纵联方向距离保护包括接地方向距离元件和相间方向距离元件。

查阅CSC-101A保护动作定值可知，X侧纵联零序动作定值为0.37 A，接地II 段电抗定值为18.12 Ω，接地II 段时间定值为1.4 s，零序II 段电流定值0.4 A，零序II 段时间定值4 s，W 侧纵联零序动作定值为1.95 A（两侧TA变比不同），两侧“专用收发讯机闭锁式投入”控制字均投入。调取故障录波文件进行保护动作行为的详细分析。

2.1 X侧保护动作行为分析

1）主保护动作行为分析

查询故障录波文件，X 侧保护133 ms 时3I0=0.789 1 A，达到纵联零序动作定值，保护停信。但是由于对侧零序电流一直未达到动作定值，所以本侧保护停信后一直收到对侧保护的闭锁信号，本侧纵联保护不满足动作条件，故主保护不动作。

2）后备保护动作行为分析

CSC-101A 保护的距离元件分为距离测量元件和距离方向元件，各段距离元件的动作特性均为多边形特性，如图1 所示。其中，XDZ、RDZ 为动作定值，XDZ按保护范围整定，RDZ 按躲负荷阻抗整定，可满足长、短线路的不同要求。

图1 CSC-101A距离元件动作特性图Fig.1 Action characteristic diagram of CSC-101A impedance relay

根据X 侧XW 线电流和电压绘制阻抗轨迹图，接地距离I 段和接地距离II 段的阻抗轨迹图分别如图2和图3 所示。图中紫色为保护动作边界，黄色、绿色、红色分别为A相、B相、C相阻抗轨迹。

从轨迹图可以看出，阻抗轨迹在距离I 段元件动作特性边界附近变化，未满足距离I段可靠动作条件，但是满足了距离II段动作范围，因此接地I段不动作，接地II段动作。由于零序保护动作时间为4 s，大于距离II段时间，距离II段动作切除故障后零序电流减小，故零序保护不再动作。

图2 X侧接地I段阻抗轨迹图Fig.2 Impedance trace of grounding section I at X side

图3 X侧接地II段阻抗轨迹图Fig.3 Impedance trace of grounding section II at X side

由于之后另一套保护启动了重合闸，而故障仍未消失，故2 632 ms阻抗II段加速出口，三相跳闸。

2.2 W侧保护动作行为分析

1）主保护动作行为分析

X 侧保护启动后133 ms 纵联零序停信，但W 侧零序电流未满足定值，保护未停信，如图4 中时间T1 所示。因此W 侧一直发信，双侧纵联保护均未动作。直到X 侧A 相跳闸后，W 侧A 相电流增大，T2 时刻满足零序电流动作定值，本侧纵联零序停信，纵联零序动作。

图4 W侧零序电流变化图Fig.4 Change diagram of zero sequence current at W side

2）后备保护动作行为分析

根据W 侧XW 线电流和电压绘制阻抗轨迹图，接地距离II 段的阻抗轨迹图如图5 所示。图中紫色为保护动作边界，黄色、绿色、红色分别为A 相、B 相、C相阻抗轨迹。由图5 可知，距离保护不满足动作条件。

图5 W侧接地II段阻抗轨迹图Fig.5 Impedance trace of grounding section II at W side

2.3 保护动作行为小结

本次故障，初始阶段W 侧零序电流未达到“纵联零序电流定值”，纵联零序未停信，导致X 侧一直收到闭锁信号，纵联保护无法动作；由于X侧故障阻抗后期落在接地Ⅱ段范围内，延时满足后距离Ⅱ段动作；X侧距离Ⅱ段动作后，W侧零序电流增大，零序电流满足条件，纵联零序停信，纵联零序动作。保护动作行为符合逻辑设计。

3 主一保护RCS-902A动作行为分析

RCS-902A 包括以纵联距离和零序方向元件为主体的快速主保护，由工频变化量距离元件构成的快速I段保护，和由三段式相间和接地距离及两个延时段零序方向过流构成全套后备保护。不同于CSC-101A采用的多边形特性，其距离元件的动作特性均采用圆特性。调取故障录波文件进行保护动作行为的详细分析。

3.1 X侧保护动作行为分析

当发生A 相高阻故障后，A 相测量阻抗一直在纵联距离阻抗圆外，因此纵联距离元件不动作，如图6所示。

图6 X侧A相测量阻抗与纵联距离阻抗圆Fig.6 Measured impedance of phase A and pilot distance impedance circle at X side

零序功率方向一直判为正方向，当零序电流大于零序方向比较过流定值（0.37 A）后，纵联零序元件判为正方向故障，持续发信，但未收到W侧的允许信号，导致纵联零序保护不动作。

当本侧故障被另一套保护切除后，在1 634 ms 发信由1 变为0，1 650 ms 收到TWJA 由0 变1 信号，由单相跳闸位置动作发信80 ms（1 660 ms～1 740 ms）。在1 646 ms时，收到W侧的允许信号，但此时本侧A相开关已跳开，纵联零序元件返回，因此本侧纵联零序保护不动作。

由于保护并未动作，但是A相处于跳位，因此TWJ启动重合闸，A相重合于故障，零序加速动作切除ABC三相。

3.2 W侧保护动作行为分析

当发生A 相高阻故障后，A 相测量阻抗一直在纵联距离阻抗圆外，因此纵联距离元件不动作，如图7所示。

故障初期，虽然零序功率满足正方向条件，但零序电流一直小于零序方向比较过流定值（1.95 A），因此纵联零序保护不能发信。随着故障的发展，零序电流大于零序方向比较过流定值（1.95 A），零序功率方向为正方向，因此在1 515 ms发信，当故障被另一套保护切除后，在1 587 ms发信返回，本侧发信持续62 ms。

图7 W侧A相测量阻抗与纵联距离阻抗圆Fig.7 Measured impedance of phase A and pilot distance impedance circle at W side

RCS-902A 保护为了防止功率倒向时保护误动，设置有一条动作逻辑：如果在启动40 ms 内不满足纵联保护动作的条件，其后纵联保护动作需经25 ms 延时。保护启动前本侧收信为1，当对侧故障切除后，本侧收信在1 543 ms 由1 变为0。1 564 ms 时，收信再次由0变为1（对侧单相跳闸位置动作发信）。因此，收发信同时满足的最大时间为1 543-1 515=28 ms。由于经纵联零序方向元件动作，还需经15 ms 的辅助选相延时，小于40 ms 延时（25 ms 功率倒向延时+15 ms 辅助选相延时），因此纵联零序保护不动作。

3.3 保护动作行为小结

发生高阻抗故障时，两侧纵联距离元件不动作，X侧RCS-902A 先启动，纵联零序元件判为正方向故障后发信，而W 侧零序电流小于零序方向比较过流定值，未能发信。当故障发展后，W侧RCS-902A纵联零序元件满足动作条件时，由于X 侧开关被另一套保护切除，两侧纵联保护未能动作。保护动作行为符合逻辑设计。

4 事件引发的思考

4.1 距离元件动作特性

距离元件动作特性可以划分为圆形、苹果形和橄榄形、直线特性、多边形特性、复合特性等多种形式，其中比较常用的是圆特性和多边形特性［25］。

此次高阻接地故障中，X 侧的阻抗轨迹落在了CSC-101A保护距离元件动作区间内（如图3所示），而离RCS-902A 保护距离元件动作区域较远（如图6 所示）。由于两套保护的定值相同，而采取的阻抗元件动作特性不同，因此出现这种现象说明了多边形特性对高阻接地故障的灵敏性更高。

4.2 保护装置改造

本次故障中，四套保护装置均按照定值和动作逻辑正确动作，但是因为受限于保护装置的原理，耗时约2 600 ms才完全切除故障。

回顾本次故障，如果是采取纵联电流差动保护原理的光纤差动保护，初始时X 侧与W 侧的A 相电流之差即足够达到差动保护动作电流定值，则故障初始时就可迅速切除故障。如果采用差动保护［26，27］，则各端的电流和信号都能直接传送到对侧，在每侧，保护都能够通过比较两端的电气量判断是否需要动作。虽然差动保护也不能从根本上杜绝误动或拒动［28-30］，但其整定定值时只需考虑两端电流差值即可，受运行方式的影响较小。而对于纵联距离保护，由于在通道中并未传输本侧电气量，而只是传“YES”or“NO”的信号，无法像纵联电流差动保护那样直接在每侧比较双端电气量，故而其动作可靠性相较差动保护容易受运行方式影响，也更加依赖于定值整定。若整定过于保守则有拒动风险，反之亦反。因此，加快对老旧型号保护改造，将其更换为差动保护可以降低此类事件发生的风险。

5 结语

电力系统故障中，输电线路故障占比最高，而其又以单相接地故障为主。随着以电网为主的能源互联网的逐步推进，对保护装置也提出了更高要求，故障发生后要能够快速、准确切除故障，以保障电网运行安全可靠。本文针对一起高阻接地故障，纵联距离保护拒动、接地距离II 段保护切除故障的事故进行原因分析，并对保护装置的动作特性和动作原理进行了探讨。建议加快对老旧型号、原理保护装置的更换，以最大限度地保障电网安全。

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