某220 kV变电站两条110 kV线路同时跳闸的故障分析

摘要：针对两条110 kV线路同时发生跳闸故障的情况进行了分析。经过对故障录波数据审查以及保护动作逻辑推理，确定故障起因：由于遭遇雷雨大风等极端天气，建筑工地的钢丝绳意外被吹落，并缠绕在两条110 kV线路上，形成了非接触性的线路连接。钢丝绳并未接地，处于悬空状态，导致与之相连的3条导线在某一位置发生了小电流高阻接地现象。随后，这一异常情况进一步发展，引发了跨线短路故障，最终导致两条线路跳闸。

关键词：110 kV线路;阶段性分析;故障录波;跨线短路

中图分类号：TM75" " 文献标志码：A" " 文章编号：1671-0797（2024）24-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.001

0" " 引言

110 kV线路在运行过程中，可能会出现各种故障造成线路跳闸，但是两条110 kV线路同时跳闸的故障在实际运行中并不常见，一旦发生，会给电力系统的稳定运行带来严重影响[1]。这种故障可能导致大面积停电，给用户带来不便，同时也给电力系统的运行和维护带来一定的挑战。文献[2-3]分析了110 kV线路常见故障，文献[4-5]针对多条线路故障问题进行了研究，但目前对于两条110 kV线路同时跳闸的故障分析研究还相对较少。为此，本文对一起两条110 kV线路同时跳闸的故障进行了详细分析，希望能为系统的运行和维护提供科学依据。本文通过对故障前线路状态、故障时线路状态以及故障后线路恢复情况的分析，找出了故障发生的原因，并提出了相应的解决方案。

1" " 故障概述

2023年4月23日，某220 kV变电站内两条110 kV出线发生同时跳闸的情况，且重合闸均未成功，经判定，此次故障属于永久性短路故障跳闸。在故障发生时，110 kV Ⅰ线至110 kV C站高侧开关维持热备用状态。经过维护人员检查，发现以下显著异常现象：首先，故障切除周期显著延长，自故障起始至结束，历时超过12 s;其次，两条线路的重合闸动作时间均超出正常范围，超过9 s;再者，两条线路所表现出的短路电流存在显著差异，且各自触发的保护类型也不尽相同。鉴于上述复杂情况，此次故障所涉及的两条线路跳闸过程较为烦琐，故障录波图蕴含了丰富的信息，需进一步分析。电网局部运行接线图如图1所示。

1.1" " 事件简述

2023-04-23T17：39左右，该电网的110 kV Ⅰ线发生差动保护动作，导致对应的两侧负荷开关跳闸，且重合闸动作未能成功。同时，110 kV Ⅱ线也出现了故障，其中一侧纵联零序方向保护动作跳闸，而另一侧则因零序电流Ⅳ段保护动作触发跳闸，两次的重合闸尝试均未成功。随后，根据电网调度指令，对110 kV Ⅰ线进行了强送电操作，但同样未能成功恢复电力供应。

1.2" " 保护动作及故障信息

经过对故障录波图进行分析得出以下结论：

1）针对110 kV Ⅰ线220 kV A站侧，故障相为B相，测距结果显示为6.2 km。故障相电流为45.4 A（CT变比600/5，对应一次值为5 448 A），零序电流为47.19 A（一次值5 662.8 A），差动电流为89.58 A（一次值10 749.6 A）。

2）在110 kV Ⅰ线110 kV A站侧，故障相为B相，测距显示4.7 km。故障相电流为45.94 A（CT变比600/5，一次值5 512.8 A），零序电流为43.67 A（一次值5 240.4 A），差动电流为89.75 A（一次值10 770 A）。

3）110 kV Ⅱ线220 kV A站侧的故障相为B相，测距显示为0 km。故障相电流为3.02 A（CT变比600/5，一次值362.4 A），零序电流为3.04 A（一次值364.8 A）。

4）对于110 kV Ⅱ线110 kV B站侧，故障相为B相，测距为168.3 km。故障相电流为1.95 A（CT变比600/5，一次值234 A），零序电流为1.39 A（一次值166.8 A）。

此外，在故障启动阶段，两条线路的短路电流波形表现一致，且消失时间也相同，这明确表明两条线路的四套保护装置是由同一个故障触发并同时启动。保护动作情况如表1所示。

1.3" " 故障阶段性分析

分析两条线路的4套保护装置故障报告及录波图，确定其为跨线发展性故障。因两线路在220 kV A站后7.77 km内为同塔双回路，易发生跨线故障，为此，下文分初始、中间、过程三阶段分析故障。

1.3.1" " 初始阶段（110 kV Ⅰ线B相发生接地短路）

1）一般性分析：图2和图3分别为110 kV Ⅰ线在220 kV A站侧和110 kV A站侧初始阶段的录波数据。根据这两张图的分析，可以明确看到在初始阶段，110 kV Ⅰ线的两侧均发生了显著的B相短路电流，其一次短路电流值高达约5 500 A，并伴随有相同大小和形状的零序电流。与此同时，母线B相电压明显降低，零序电压也相应出现，这些现象均符合单相接地短路的特征。

故障应对上，220 kV A站侧故障切除用时60 ms，110 kV A站侧为50 ms。线路两侧开关跳闸后，110 kV母线电压迅速稳定，表明故障消除，故障点位于本线路段。同时，差动保护在故障处理中发挥了有效作用。

2）故障电流、电压相位角分析：单相短路时，故障相电流相位角滞后母线电压约70°。图2、图3显示两侧B相短路电流相位均滞后B相电压52°～60°，表明两侧均为正方向短路故障，故障点位于本线内。

3）零序电流与零序功率方向分析：由于3I0=IA+IB+IC=Ib（当IA与IB为零时），单相接地时零序电流与故障相电流大小相等、方向一致。但图2、图3显示两侧3I0方向与IB相反，表明二次电流回路接线错误，3I0极性接反。现代微机型保护装置使用自产零序电流判别方向，故3I0极性接线错误不影响保护正确动作。

接地短路时，线路零序电流超前母线零序电压110°。分析图2、图3，110 kV Ⅰ线两侧零序电流相位角均超前零序电压107°～120°，显示两侧零序功率方向为正，故障点位于本线。

查阅110 kV Ⅱ线两侧录波数据，发现220 kV A站侧零序电流相位滞后零序电压62°，表明零序功率方向为反方向;而110 kV B站侧零序电流相位超前零序电压98°，属正方向范围。因此，故障点位于反方向220 kV A站侧的区外，而非110 kV Ⅱ线。

1.3.2" " 中间阶段（故障点发生跨线连接、故障转移到110 kV Ⅱ线）

仔细观察110 kV Ⅰ线跳闸后的线路电压UL，从故障切除后消失到出现，又消失，可以发现故障点在两条线路上来回转换。其中110 kV Ⅰ线跳闸后故障录波图如图4所示。

1）2 090 ms时，发生双回路跨线导线连接。从图4可以看出，故障前-40 ms，线路电压UL与母线电压UC相位一致，说明线路电压取自C相导线。故障切除后，UL降为0，但2 090 ms时突然出现，持续到9 530 ms。在此期间，110 kV Ⅰ线已跳闸，而Ⅱ线仍在运行。推断110 kV Ⅰ线C相电压来自Ⅱ线，可能是异物连接了两线。

2）110 kV Ⅰ线重合闸在3.0 s未动作，原因在于整定值设定为“检无压，3.0 s”，预期在“3 060 ms”时动作。但线路跳闸后，电压短暂恢复于2 090 ms，使“线路检无压”条件失效，导致重合闸计时中断，最终未能在3.0 s时动作。

3）9 389 ms前，110 kV Ⅱ线跳闸后，Ⅰ线负荷正常。数秒后，A站侧B相电流微增，B站侧B相电流微减，两侧零序电流微现，表明B相高阻接地。随后零序电流增大，9 389 ms时，B站侧零序电流Ⅳ段动作跳闸。A站侧保护装置在9 398 ms收到对侧允许信号，该信号基于B站侧零序电流Ⅳ段动作后发出，至16 475 ms返回。9 478 ms，A站侧纵联零序方向保护动作，基于B站侧零序电流Ⅳ段动作后约89 ms。因此，高阻接地导致零序电流小，B站侧跳闸后，A站侧零序电流增大，提高了纵联零序方向保护灵敏度，加上对侧允许信号，保护动作跳闸。因波形小，无法定量分析。

综合上述分析得出结论：故障中间阶段，110 kV Ⅰ线故障的障碍物在2 090 ms时从B相转移至C相和110 kV Ⅱ线B相，与大地分离，导致110 kV Ⅱ线B相高阻接地。Ⅱ线金盘侧零序电流Ⅳ段和一侧纵联零序方向保护均正确动作跳闸。同时，Ⅱ线电压引入Ⅰ线C相，使Ⅰ线重合闸因不满足检无压条件而无法重合。

1.3.3" " 重合闸与后加速阶段

110 kV Ⅱ线跳闸后，两条线路的电压同时降为零，两线的220 kV B站侧重合闸同时开始计时（整定时间3 s），经过约3 s，12 529 ms时110 kV Ⅰ线220 kV B站侧重合闸动作，12 542 ms时110 kV Ⅱ线重合闸动作。查看110 kV Ⅰ线侧重合闸故障录波图（图5），发现线路电压UL变化规律与三相母线电压不同，出现异常波动，经分析发现110 kV Ⅰ线电压UL在开关重合后相位发生3次转变，分别为与B相电压同相、与C相电压同相、与B相电压同相。

1）重合后10 ms内，110 kV Ⅰ线UL与UB同相，12 630 ms时线路电压UL出现峰值，与UB相位一致，表明此时线路C相电为B相电压，源于邻线110 kV Ⅱ线B相电压的跨线连接。此时，110 kV Ⅱ线先带电并合上开关，其B相电压传至110 kV Ⅰ线C相。其间无短路电流，说明两线路无短路故障。

2）重合10 ms后，12 640—12 700 ms期间，110 kV Ⅰ线UL与Uc同相，12 640 ms时出现B、C两相短路电流和零序电流3I0，表明开关重合成功，C相电压为本线电压。短路电流表明110 kV Ⅰ线存在B、C两相短路。随后，纵联和距离后加速保护动作，60 ms后跳闸，12 700 ms时短路电流被切除。

3）短路电流消失后即12 700 ms后，110 kV Ⅰ线UL与UB同相，短路电流消失后，由12 710 ms处的3个波峰可以看出，UL转成与UB同相，说明此时110 kV Ⅰ线开关已经跳闸，110 kV Ⅱ线开关还未跳闸。UL至12 730 ms时才消失，110 kV Ⅱ线开关才跳闸。

短路电流消失后约12 700 ms，110 kV Ⅰ线UL与UB同相。随后，在12 710 ms处观察到3个波峰，显示UL转为与UB同相。此时，110 kV Ⅰ线开关已跳闸，但110 kV Ⅱ线开关尚未动作。直到约12 730 ms时，UL消失，表明110 kV Ⅱ线开关跳闸。

4）重合闸后故障类型分析：

开关重合后，110 kV Ⅰ线出现B、C两相电流和零序电流，110 kV Ⅱ线出现B相电流和零序电流。初步判断为Ⅰ线B、C两相接地短路，Ⅱ线B相接地短路。深入研究发现，两条线路3I0较大，但母线零序电压3U0为零。理论上，中性点接地电网接地短路会产生零序电流和电压，此情况需进一步调查。

根据指定点的各个电流通道的电流瞬时值分别为：110 kV Ⅰ线B相-91.5 A，C相157.7 A，3I0=-64.8 A。110 kV Ⅱ线B相-67.2 A，3I0=66.7 A。从110 kV母线总的零序电流分析，两条线路的零序电流之和即为流入母线的零序电流，计算母线3I0如下：

3I0=110 kV Ⅰ线3I0+110 kV Ⅱ线3I0

=110 kV Ⅰ线（IA+IB+IC）+110 kV Ⅱ线（IA+IB+IC）

=157.7-91.5-67.2=-1≈0

从计算结果可以看出，流入母线零序电流等于零，与母线零序电压为零相一致。这表明电网没有接地的短路故障。

再分析各相短路电流值：110 kV Ⅰ线IC=-（110 kV Ⅰ线IB+110 kV Ⅱ线IB）;流入110 kV母线的短路电流IC=-母线IB。符合线路发生B、C两相短路的特征，为此得出结论：110 kV Ⅰ线C相与本线的B相和110 kV Ⅱ线B相发生“本线+跨线”的B、C相间短路故障。

2" " 故障点现场勘查情况

110 kV Ⅰ线和110 kV Ⅱ线双回线路同塔段为N1—N38之间，长度7.77 km。故障线路现场查看发现，在N33—N34处，雷雨大风导致建筑工地的钢丝绳脱落挂在双回线的导线上造成线路短路（图6），故障点定位如下：110 kV Ⅰ线220 kV A站故障测距6.2 km，110 kV A站测距4.7 km。

3" " 结论

综合上述分析，该变电站两条110 kV线路同时跳闸的故障原因为当天雷雨大风刮落建筑工地的钢丝绳，使其一头掉落在110 kV Ⅰ线B相导线上，一头挂在建筑物上，造成110 kV Ⅰ线B相接地短路。保护动作跳闸后，钢丝绳挂在建筑物上的那头接着掉落，挂在110 kV Ⅰ线C相导线和110 kV Ⅱ线B相导线上，造成110 kV Ⅰ线B、C相导线与110 kV Ⅱ线B相导线连接，钢丝绳整体悬空不接地。随后相连接的这3条导线的某个地方发生很小电流的高阻接地，110 kV Ⅱ线两侧保护相继动作跳闸。经3 s延时后，两条线路220 kV A站侧重合闸动作相继合上开关，由于钢丝绳仍然挂在3条导线上，随即发生110 kV Ⅰ线B、C两相与110 kV Ⅱ线C相跨线的两相短路故障跳闸。

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