一起110 kV输电线路单相断线故障分析

马小军

(国网宁夏电力有限公司超高压公司,宁夏 银川 750011)

0 引言

高压输电线路继电保护功能主要用来保护系统中的各类短路故障,对断线故障的保护作用有限。根据运行经验,断线并不像短路故障那样时有发生,因而110 kV及以下电压等级的设备没有专门针对断线的保护。但电能质量和稳定性要求越来越高,必须重视断线故障给系统和设备带来的危害［1-3］。近年来,电力系统出现断线故障数量有所增加,在一定程度上影响了发电机、变压器和异步电动机的正常运行,若不及时研究和总结,会造成更大危害。分析线路断线后电气量的变化特征,总结其规律,对厂站工作人员和调度人员及时做出正确判断和事故处理具有重要意义。

本文针对110 kV电源侧中性点接地、负荷侧不接地系统,以某110 kV输电线路发生断线故障来分析探讨故障发生后的各电气量变化和保护动作情况,提出单相断线后的继电保护逻辑判据原理和调度自动化的改进建议。

1 故障情况概述

如图1所示,故障前,330 kV甲站110 kV母线通过A断路器向110 kV乙站110 kV母线B断路器送电。甲站主变压器中性点直接接地,乙站主变压器高压侧接地开关打开,经保护间隙接地。线路主保护为差动保护,后备保护为零序保护和距离保护。

图1 系统运行方式接线图

5月3日01:31:11.571,该线路保护动作,三相跳闸,经1.0 s延时后重合闸正确动作,线路恢复运行。1 h后工作人员发现,乙站母线B相电压严重降低,判断为断线故障,遂遥控断开B断路器和A断路器。

故障后经巡线发现故障原因为线路48号杆塔处B相挂接塑料薄膜,导致B相经杆塔接地发生瞬时故障。因线路年久老化,加之短路后电动力和电热力的冲击,导致B相跳线断裂,但未接地,现场检查结果如图2所示。

图2 跳线断裂现场

2 故障分析

本案例中,断路器重合闸正确动作后B相出现断线情况,两侧保护装置均无告警信息,导致线路在较长时间内缺相运行。

2.1 故障理论分析

根据电力系统和继电保护相关理论可知,线路断线后,系统出现负序电流,电压不同程度降低,是否存在零序电流,与系统接地方式密切相关。

本文从零序、负序电流和电压波动入手,分析110 kV系统电源侧中性点接地、负荷侧系统中性点不接地情况下线路单相断线后电气量的变化特征和继电保护的动作情况。

2.2 单相断线后零序电流的决定因素

图1中B相断线后的系统等效电路图如图3所示。

图3 系统等效电路图

(1)

将边界条件采用对称分量法整理可得:

(2)

由(2)式可得:

(3)

另由式(1)、式(2)可得图4所示单相断线后的三序网络图。

图4 单相断线序网图

其中,Z1m、Z2m、Z0m分别为m端的三序输入阻抗,且Z1m、Z2m、Z0m均为m侧的系统和线路三序阻抗之和;Z1n、Z2n、Z0n分别为n端的三序输入阻抗,且Z1n、Z2n、Z0n均为n侧的系统和线路的三序阻抗之和。

由叠加原理可得,断线后电气量等于断线后故障量叠加断线前的正常量。因此,图4中令E1=0,则可得到故障电压作用下的故障电流分量为

(4)

式中:Z1Σ=Z1m+Z1n、Z2Σ=Z2m+Z2n、Z0Σ=Z0m+Z0n,分别为两侧的三序阻抗之和。

(5)

将式(4)、式(5)叠加可得断线后B相电流,即:

(6)

再由式(1)、式(3)、式(4)、式(5)、式(6)可得系统断线后的零序电流为

(7)

由式(7)可知,断线后系统中零序电流的大小只取决于故障前的负荷电流和系统的接线方式,与系统电压、断线位置等因素无关。

同时,因断线后的差动电流仅为B相负荷电流,没有达到差动保护定值,差动保护也不会动作［5］;断线相当于高阻接地或故障线路阻抗无穷大,距离保护也不会动作［6］。

2.3 单相断线后母线电压的变化特点

由图1可知,M侧为电源侧,B相断线后,其三相电压几乎不变［7］。

由图2可知,在开路情况下,断口阻抗无穷大,因此可近似认为Z1m=Z1Σ,Z2m=Z2Σ,Z0m=Z0Σ,于是可得:

(8)

(9)

由式(9)可得:

(10)

由此可知,N侧110 kV母线电压为

(11)

经以上分析可知,在负荷侧中性点不接地情况下,某相断线后,电源侧母线电压不变,负荷侧断线相电压幅值降为原来一半,相位相反,正常相电压不变。

2.4 单相断线后负序电流的变化特点

3 110 kV线路断线后的判据分析

经以上分析可知,在负荷侧不接地的运行方式下,线路发生断线后零序电流为0,负序电流与断线前的负荷电流密切相关,均不能作为线路断线保护的判据,而由式(10)可知,断线后线路中会出现较大的零序和负序电压,其幅值达到线路电压的一半,同时负荷侧断线相电压降为原电压幅值的一半,因此,可将零序电压和负序电压升高、相电压降低作为断线启动的判据,检测3个电压的变化量,既有一定的灵敏性,又能增加判据的可靠性。

断线判据如下:

(12)

以上判据与双母线接线母差保护中的复合电压闭锁较为相似,但两者目的不同,后者旨在判断线路断线故障,且设置在线路保护逻辑中,判据满足后启动告警,提醒相关人员进一步检查。

判据的逻辑图如图5所示。

图5 断线告警判据逻辑图

4 结论

a.系统断线时相当于高阻接地,差流为负荷电流,断线相阻抗无穷大,因此差动保护和距离保护不会动作。对于负荷侧中性点不接地系统而言,零序电流为0,零序保护不会动作;即使负荷侧中性点接地,零序电流也仅为故障前负荷电流的一半,零序保护能否动作要视负荷电流大小而定。

b.不论负荷侧中性点接地与否,断线后系统中均出现负序电流,但其幅值也仅为故障前负荷电流一半,无法通过增加保护判据来达到识别断线故障的目的。

c.断线后,负荷侧中性点不接地时,故障相电压降至故障前一半,正常相电压保持不变,同时故障相零序电压与负序电压升高至故障前相电压一半,因此可将相应电压的变化值作为判断断线故障的依据,有足够的灵敏性和可靠性。

d.对于无人值守变电站而言,发生断线后全靠调度人员的分析和判断,本文提出的断线告警判据能够提示调控人员及时采取对策。同时,也可对调度监控系统进行必要升级,如增加三相电流、三相电压突变量告警灯功能,用于辅助决策。