一起因雷击导致220kV母线失灵保护动作的原因分析

苏有权

（东北电网公司太平湾发电厂，辽宁 丹东118000）

一起因雷击导致220kV母线失灵保护动作的原因分析

苏有权

（东北电网公司太平湾发电厂，辽宁 丹东118000）

继电保护装置正确动作是保证电网安全稳定运行的关键，尤其是特殊原因导致母线失灵保护动作，更需要准确快速地查清动作原因，以最快的速度恢复电网运行。介绍了太平湾发电厂长甸电站一起因220kV线路遭受雷击导致母线失灵保护动作跳闸的故障原因的分析及处理经过，查明了故障原因并提出了防范措施。因雷击线路而引起母线失灵保护动作跳闸的先例并不多见，这一故障的分析处理可为类似的保护动作分析提供借鉴。

雷电；失灵保护；动作；分析

0 引言

长甸是朝鲜水丰电站的扩建工程，坐落于辽宁省丹东市境内，隶属于东北电网有限公司太平湾发电厂。长甸电站同朝鲜的水丰电厂隔江相望，距下游的太平湾电站29km，电站共有2台75MW混流式水轮发电机，总装机容量150MW，在东北电网中承担调峰调频和事故备用任务。

2009年10月16日，长甸电站发生了一起因220kV线路遭受雷击而引起220kV母线失灵保护动作跳闸的故障，因故障原因特殊，给分析查找故障原因及故障处理带来了很大的难度。本文详细介绍了故障原因的查找分析经过，并提出了相应的防范措施，以防止类似故障重复发生，保证电网安全稳定运行。

1 故障前长甸电站设备概况

1.1 220kV设备情况

长甸电站变电站220kV系统为双母线接线，共有三回220kV线路（长平线、水长线、长凤线）接入辽南系统中。变电站内所有220kV开关均为北京ABB公司生产的SF6开关；220kV长平线配置两套微机保护装置，第一套为南瑞公司的RCS-931型光纤差动保护，第二套为国电南自公司的PSL-603型光纤差动保护；220kV母线配置一套深圳南瑞公司的BP-2B型母线保护，故障前各装置均工作正常。

1.2 220kV系统运行方式

故障前，长甸电站220kV系统处于固定连接方式运行，即：长平线、水长线、2号机变组在上母线运行；长凤线、1号机变组在下母线运行；上、下母线经母联开关联络运行；220kV母差及失灵保护正常投入，各线路保护和主变保护正常使用（长平线保护装置重合闸功能在退出状态），两台机组各带65MW负荷运行，长平线实时负荷电流48A。当时长甸电站天气情况恶劣，雷电频繁。

系统主接线方式如图1示：

2 故障经过

2009年10月16日19 时36分，长甸电站值班人员听到变电站传来开关跳闸的声音，两台发电机发出较大的异音；计算机监控系统报警：长平线0711开关跳闸、水长线0712开关跳闸、母联0720开关跳闸、2号主变0722开关跳闸。

3 故障后检查

故障发生后，值班人员第一时间对相关设备进行检查，确认长甸电站220kV上母线所有元件跳闸，为220kV上母线失灵保护动作所致；2号机事故停机，甩负荷约65MW左右。值班人员对一次设备、自动装置及保护动作情况检查确认后，及时将设备、自动装置检查情况及保护动作情况汇报辽宁省调和东北网调，随后有关人员进行故障原因查找及分析工作。

3.1 检查计算机监控系统登录信息

查看计算机监控系统220kV开关信息登录情况，结果如表1示：

?

从登录信息可以看出，故障时长平线0711开关先跳闸，随后母联0720开关跳闸，然后2号主变0722开关和水长线0712开关同时跳闸。

3.2 检查继电保护动作情况

检查220kV开关保护装置，发现长平线0711开关、水长线0712开关、母联0720开关、2号主变0722开关操作屏分闸绿灯亮，三相跳闸引出指示灯“TA、TB、TC”红灯亮；长平线保护装置“电流差动保护”动作，水长线、2号主变保护装置未动作，母线保护显示“失灵Ⅰ动作”。

3.3 检查故障录波情况

检查故障录波情况，录波良好，录波图如图2：

3.4 检查一次设备情况

检查长平线0711开关、母联0720开关、水长线0712开关、2号主变高压侧0722开关均在分闸位置，各开关位置与保护动作结果相一致；检查上母线及所连接元件，没有发现明显故障点，所有设备外观检查未见异常。

4 故障原因分析

对故障经过及监控系统登录信息、保护动作情况、一次设备检查情况进行综合分析，确定故障经过为：首先，因220kV长平线C相故障造成220kV长平线0711开关三相跳闸，然后，220kV上母线失灵保护动作，使母联0720开关，水长线0712开关、2号主变高压侧0722开关相继跳闸。

问题在于，长平线故障时，其继电保护装置正确动作，线路开关可靠跳闸，不会造成上母线失灵保护动作，而连接于上母线的水长线和2号主变的保护装置也未动作，也不会造成上母线失灵保护动作，所以，对失灵保护动作原因分析一时无从着手，甚至怀疑失灵保护误动。但对故障录波图的进一步分析表明，长平线故障时，长平线保护装置正确动作，线路开关跳闸良好，但开关跳闸约60ms后，长平线保护装置中第二次出现故障电流，其数值大小和第一次故障时相当，直至母线失灵保护动作切除上母线所有元件，故障电流才消失，故障电流的顺序是无-有-无-有-无，整个故障过程中两次出现故障电流。所以，找出第二次故障电流出现的原因，是分析此次故障原因的关键所在。

经分析，可能使保护装置中第二次出现故障电流而造成220kV母线失灵保护动作的原因有以下几个方面：

4.1 长平线保护或开关拒动引起

这是母线失灵保护动作的必要条件，只有保护或开关拒动，不能将故障点有效隔离，才能引起母线失灵保护动作。如果长平线保护或开关都没有拒动，就不排除二次回路或母线保护装置误动的可能。为彻底查清保护装置拒动及二次回路是否存在问题，首先对相关保护装置和二次回路进行了细致的检查试验。

（1）对长平线保护装置及二次回路检查试验

1）装置外回路检查

检查长平线两套保护装置无异常，二次回路连接可靠，电缆走向清晰，无寄生回路存在，检查接线端子无松动、保护连片使用正确、各控制开关及把手位置正确、保护直流和操作直流电压230V正常。

2）装置加量试验

利用微机保护试验仪对保护装置加故障量，模拟长平线0711开关C相接地故障，保护动作正确，跳闸良好。

3）双套装置同时试验

将长平线两套微机保护电流回路串联，电压回路并联，利用微机保护试验仪加入电流、电压，模拟长平线C相接地故障，两套保护均动作正确，跳闸良好。

4）装置重合闸功能检查

长平线保护装置重合闸功能正常在“停用”位置，对两套保护装置重合闸功能进行试验，重合闸功能正常。

（2）对母线保护装置检查

将母线保护装置退出运行，检查装置无异常，二次回路连接可靠，电缆走向清晰，无寄生回路存在可能，检查接线端子无松动、保护连片使用正确、各控制开关及把手位置正确、保护直流230V正常；模拟上母线元件失灵，母线失灵保护动作正确。

从保护装置的试验结果可以判定，线路和母线保护装置功能正常，长平线故障时保护装置不存在拒动可能。对保护装置动作报告和录波图进行分析，故障时长平线第一套保护装置启动后11ms电流差动保护动作，60ms A相开关跳闸，58ms B相开关跳闸，61ms C相开关跳闸；长平线第二套保护装置启动后18ms出口，52ms A、B、C三相开关跳闸，现场检查开关实际位置和保护屏显示位置一致，均在分闸位置。且开关跳闸后一直保持在跳闸位置，至维护人员进行开关传动试验，开关位置未发生变位。因此，长平线0711开关也不存在拒动可能，从而排除了保护和开关拒动的假设。

4.2 长平线0711C相开关重合引起

开关重合的原因有4种，①是开关跳闸后人为操作合闸，②是保护装置重合闸动作合闸，③是合闸回路受电磁干扰或其它原因导致开关重合，④是开关本身发生重合。

（1）人为操作合闸

从长平线开关跳闸切除故障电流至故障电流再次出现之间的时间只有60ms，这么短的时间内人为操作开关合闸是不可能的。

（2）保护装置重合闸动作

长平线保护装置正常运行时重合闸功能在退出状态，开关跳闸后保护装置不会启动重合，并且保护启动重合闸的时间是1000ms，即使故障当时保护重合闸功能使用不正确，也不会导致开关跳闸60ms后重合闸的情况。并且对重合闸功能的相关试验完全正确，定值整定正确，排除了保护装置启动开关重合的可能。

（3）二次回路原因导致开关重合

长平线保护使用的控制电缆均是KVVP型的，带有屏蔽功能，两端屏蔽层可靠接地，可有效防止电磁干扰；并且开关跳闸电压在120V以上，即使有一定的电磁干扰，也不可能达到这么高的电压，况且是直流电压；对二次回路的检查也未发现合闸回路存在异常，所以不存在因电磁干扰或合闸回路存在异常导致开关重合的可能。

（4）开关自身重合

经和北京ABB开关工程师沟通确认，此种类型的开关机构上不存在跳闸后自身自动重合的可能。

4.3 开关电弧重燃引起

一般情况下，电弧重燃的波形是杂乱无规律的波形，而从故障录波图分析，长平线C相断路器断开之前，故障电流是一个正弦波，断开60ms后重新出现故障电流，其波形也是标准的正弦波，因此，故障电流使开关重燃可能不大。

4.4 雷击造成引起

因为故障当时长甸电站雷电频繁，且以上各种假设均不成立，所以转而从雷电方面进行分析。存在2种可能，①雷电落在变电站内部，雷电弧跨接在长平线C相开关两侧；②雷电落在线路上，使线路长平线C相开关断口过压击穿。

（1）雷电落在变电站

长甸变电站有完备的防雷设备，为了验证雷电是否落在变电站内部，对相关一次设备进行了检查。

1）检查母线避雷器动作情况

我厂母线避雷器动作情况每周记录一次，线路侧没有避雷器，只有母线上有避雷器。故障发生前后母线避雷器动作次数如表2：

?

从表2可知，避雷器并未动作，说明雷电未落在变电站内部。

2）变电站接地网情况检查

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如果一次接地网接地电阻过大，有可能造成不能泄放雷电流，所以对长甸变电站接地网进行检查，接地网接地电阻为0.31Ω，规程规定为0.5Ω，接地电阻满足要求。

（2）雷电落在线路上，使长平线C相开关断口过压击穿

综合以上分析，导致此次母线失灵保护动作的唯一可能原因，就是长平线因雷击使C相开关断口击穿，而长平线本身故障并未消除，故障电流持续存在，使母线失灵保护动作。

为验证这一结论是否正确，我厂先后邀请东北电力科学研究院对故障开关进行了气体组分测试，请求丹东供电公司提供了故障当时雷电定位信息，并将长平线开关返厂进行解体检查，从多方提供的实验结论分析，长平线遭受雷击使C相开关断口击穿，是导致长甸电站母线失灵保护动作的真正原因。

1）东北电力科学研究院气体组分测试结果

2009年10月17日，东北电力科学研究院专家对长平线0711开关SF6气体组分进行了测试，测试结果证明C相SF6气体组分中存在毒性气体，且明显比A、B相高，说明C相开关经历过与A、B相开关不同的工作过程。测试结果如表3：

2）丹东供电公司提供的雷电定位信息

经丹东供电公司测定：2009年10月16日19时36～38分，长甸电站地区共有雷电4次，经分析有可能造成线路跳闸的有：2009年10月16日19时36分23.8898秒，该地区落雷，有可能雷击线路放电，雷击点经度124.9154，纬度40.4792，雷电流14.7kA，距长甸长平线开关6.25km。

从丹东供电公司提供的雷电定位数据分析，记录线路的落雷时间和保护装置动作时间相吻合，进一步证明了是线路落雷造成母线失灵保护动作。

3）北京ABB开关厂提供的开关解体检查结果

2009年10月26日，北京ABB开关厂对长甸长平线C相开关极柱进行了解体检查，发现C相灭弧室上下导电筒屏蔽罩由于高温电弧的作用烧出多个孔洞，部分表面有粉尘附着；滑动导电筒内触指镀银层有明显的高温电弧烘烤暗化发黑发红的痕迹，灭弧室瓷套的内表面基本被白色粉尘和SF6分解物附着，局部有高温烘烤痕迹，说明断路器断口曾经被雷电击穿。

至此，造成长甸电站220kV母线失灵保护动作的真正原因终于水落石出，整个故障过程如下：长平线在运行中，C相发生单相接地故障，电流差动保护动作，50ms左右线路开关跳闸，但线路上单相接地故障并未消除。故障电流切除60ms后，长平线C相遭受雷击，雷电波经过线路反射到长甸站，反射雷电压和母线电压共同作用在处于分闸状态的长平线C相断路器断口上，使断路器断口击穿，长甸电站220kV母线通过该断口向长平线故障点提供故障电流，长平线保护再次动作，但因长平线开关实际在分闸位置，保护跳闸后故障电流持续存在，满足母线失灵保护动作条件，致使母线失灵保护动作。

5 防范措施

针对这种特殊情况，为防止此类故障重复出现，采取了以下防范措施：

（1）根据长甸电站地区历年落雷较多的情况，在线路出口安装线路避雷器，这是防止高压断路器遭受雷击损坏的较好措施。

（2）加强设备日常维护工作，特别是继电保护装置的巡回、定检和管理工作，确保设备可靠稳定运行。

（3）保证地网安全运行，缩短地网测试周期。

（4）随着设备使用年限延长，根据设备运行情况增加一次设备试验项目，加快老设备改造工作。

6 结语

此次因线路遭受雷击而引起母线失灵保护动作的故障是极为罕见的，充分证明电力系统的故障类型是随机的，导致故障发生的原因是多样的和复杂的，要保证电力系统安全稳定运行，除了要保证继电保护装置可靠动作外，更要加强对一次设备的检查试验，使性能优良的设备运行在电网中，才能最大限度减少故障时的停电范围，防止大面积停电事故的发生。

[1]PSL-603型高压线路微机保护装置说明书[Z].国电南京自动化股份有限公司,2008.

[2]RCS-931型高压线路微机保护装置说明书[Z].南京南瑞继保有限公司,2008.

[3]张炜.电力系统分析[M].水利水电出版社,1999.

[4]李景禄.现代防雷技术[M].中国水利水电出版社，2009.

[5]张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].中国电力出版社,2008.

TM774

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1672-5387（2011）02-0031-04

2011-01-14

苏有权（1981-），男，助理工程师，从事电力系统自动化工作。