顧黎明

（臺(tái)州電業(yè)局，浙江 臺(tái)州 317000）

隨著電力線路的不斷增加，極端惡劣天氣的頻繁出現(xiàn)，雷擊造成變電站設(shè)備損壞甚至導(dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大的可能性大大增加。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，因雷擊線路造成的跳閘事故占電網(wǎng)總事故數(shù)的60%左右，而隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，對(duì)保護(hù)快速切除故障的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。因此，如何采取措施有效地降低雷擊對(duì)電力系統(tǒng)造成的沖擊和對(duì)變電設(shè)備的損害，是迫切需要解決的問(wèn)題。

1 雷暴事故分析

某日因受強(qiáng)雷暴天氣影響，浙江某500kV變電站周邊出現(xiàn)該地區(qū)近年來(lái)最嚴(yán)重的強(qiáng)雷暴天氣，并伴有7～9級(jí)的大風(fēng)和強(qiáng)降雨，據(jù)氣象部門提 供 的 數(shù) 據(jù) ，16∶37-17∶02 之 間 ，220kV 塘 劍4335線、塘山4336線雙回線路矩形區(qū)域落雷次數(shù)1731次，其中雷電流幅值超過(guò)200 kA的雷有328個(gè)，300 kA以上的雷有2個(gè)，400 kA的雷有1個(gè)，導(dǎo)致該500kV變電站發(fā)生220kV正、副母Ⅰ段母線停電故障。

1.1 事故前的運(yùn)行方式

事故前，500kV變電站2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)主變并列運(yùn)行，220kV接線為雙母雙分段接線方式，1號(hào)、2號(hào)母聯(lián)和正、副母分段斷路器合環(huán)運(yùn)行，塘灣4333線、塘劍4335線、塘升4339線正母Ⅰ段運(yùn)行；塘溫4334線、塘山4336線、塘谷4340線、2號(hào)主變220kV斷路器副母Ⅰ段運(yùn)行；220kV正、副母Ⅱ段的線路、主變開(kāi)關(guān)均按正常運(yùn)行方式運(yùn)行（見(jiàn)圖1）。

1.2 雷暴事故引起斷路器跳閘情況

16∶59-17∶02，保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi) 220kV 1 號(hào)母聯(lián)斷路器、220kV正母分段斷路器和正母Ⅰ段上運(yùn)行的塘灣4333線、塘劍4335線、塘升4339線斷路器，及220kV副母分段斷路器、220kV副母Ⅰ段上運(yùn)行的塘溫4334線、塘山4336線、塘谷4340線斷路器和2號(hào)主變220kV斷路器，2條220kV母線失壓，潮流為零。

1.3 繼電保護(hù)動(dòng)作過(guò)程及其行為分析

對(duì)本側(cè)塘劍4335線故障錄波圖（如圖2所示）進(jìn)行分析，推斷故障發(fā)生經(jīng)過(guò)及繼電保護(hù)動(dòng)作過(guò)程如下：16∶59∶14，塘劍 4335線首先發(fā)生 C 相接地故障，30 ms后線路兩側(cè)RCS901A，CSL101A保護(hù)正確動(dòng)作，C相斷路器跳閘。301 ms后該線路C相再次遭受雷擊，343 ms塘劍4335線距離保護(hù)動(dòng)作，因重合閘被閉鎖，保護(hù)加速三跳，塘劍4335線三相斷路器跳開(kāi)；與此同時(shí)雷電波沿線路入侵，到達(dá)塘劍4335線斷路器后，在C相斷路器斷口處發(fā)生全反射，形成的過(guò)電壓導(dǎo)致本側(cè)C相斷路器擊穿重燃，由于故障電流繼續(xù)存在，且線路保護(hù)動(dòng)作后未返回，經(jīng)200 ms延時(shí)后失靈保護(hù)動(dòng)作，第1時(shí)限跳開(kāi)連接于220kV正母Ⅰ段上的1號(hào)母聯(lián)和正母分段斷路器，并重跳本斷路器 （實(shí)際上本斷路器三相斷口已斷開(kāi)），第2時(shí)限（即400 ms后）跳220kV正母Ⅰ段所有出線斷路器，220kV正母Ⅰ段失電。與此同時(shí)，運(yùn)行于該段母線的塘灣4333線、塘升4339線通過(guò)失靈強(qiáng)迫停信使對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作跳閘。

對(duì)本側(cè)塘山4336線故障錄波圖（如圖2所示）進(jìn)行分析，推斷故障發(fā)生的經(jīng)過(guò)及繼電保護(hù)動(dòng)作過(guò)程如下：在塘劍4335線第1次被雷擊的同時(shí)，塘山4336線（同桿雙回線）也受到雷電波的侵入，兩側(cè)線路高頻零序保護(hù)雖動(dòng)作，但由于侵入的雷電電流幅值相對(duì)較低（電流為1.5 kA），選相不成功，經(jīng)過(guò)480 ms后，才因高頻零序保護(hù)選相失敗三跳出口，跳開(kāi)塘山4336線路兩側(cè)三相斷路器。17∶01∶23，塘山 4336線再次遭受雷擊，線路保護(hù)動(dòng)作，與此同時(shí)雷電波沿導(dǎo)線入侵，在塘山4336線斷路器斷口處發(fā)生全反射，形成的過(guò)電壓導(dǎo)致本側(cè)斷路器A，C兩相外絕緣破壞（A相瓷瓶外殼有明顯燒灼痕跡，C相瓷瓶裙邊爆裂），A，C兩相同時(shí)接地。由于故障點(diǎn)處于220kV副母Ⅰ段母差保護(hù)范圍內(nèi)，142 ms后副母Ⅰ段母差保護(hù)正確動(dòng)作，跳開(kāi)220kV副母分段、2號(hào)主變220kV斷路器和連接于該母線的所有出線斷路器，220kV副母Ⅰ段失壓。與此同時(shí)，運(yùn)行于該段母線的塘溫4334線、塘谷4340線通過(guò)母差強(qiáng)迫停信使對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作跳閘。

圖2 塘劍4335線、塘山4336線16∶59故障錄波波形

1.4 雷暴事故造成的危害

此次雷暴事故持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、故障點(diǎn)多、涉及面廣、繼電保護(hù)動(dòng)作過(guò)程復(fù)雜，尤其是故障發(fā)展為220kV母差及斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作后，不僅使系統(tǒng)電壓短時(shí)嚴(yán)重降低，對(duì)整個(gè)220kV系統(tǒng)電網(wǎng)造成很大沖擊，還導(dǎo)致另一個(gè)220kV變電所全所失壓，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另外，雷暴事故對(duì)變電站設(shè)備損害較大，本側(cè)塘山4336線斷路器本體A相外瓷瓶有明顯燒灼痕跡，C相瓷瓶裙邊爆裂，碎片散落在四周；塘劍4335線斷路器C相斷口被擊穿；塘劍4335線B相、塘山4336線A相電流互感器損壞。同時(shí)還造成對(duì)側(cè)變電站塘山4336線斷路器本體損壞，塘劍4335線B相、C相以及塘山4336線C相電流互感器損壞。

圖1 事故前220kV系統(tǒng)運(yùn)行方式

2 繼電保護(hù)優(yōu)化的探討

2.1 配置220kV斷路器斷口擊穿保護(hù)

在本次雷暴事故中，220kV正、副母Ⅰ段的失電原因均是由于線路在前一次雷擊后已跳開(kāi)三相斷路器，但在線路再次遭到強(qiáng)雷電襲擊時(shí)，雷擊造成設(shè)備的損壞部位有差異，繼電保護(hù)動(dòng)作行為也有所不同。220kV正母Ⅰ段失電原因在于，塘劍4335線斷路器斷口發(fā)生擊穿重燃，最終通過(guò)220kV斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作來(lái)切除故障，故障切除時(shí)間（400 ms）偏長(zhǎng)，導(dǎo)致220kV電壓嚴(yán)重跌落，對(duì)系統(tǒng)造成很大沖擊。220kV副母Ⅰ段失電則因線路斷路器A，C兩相瓷套外絕緣被擊穿，造成A，C兩相接地，而故障點(diǎn)處于220kV副母Ⅰ段母差保護(hù)范圍內(nèi)，母差保護(hù)動(dòng)作快速切除故障，相對(duì)而言，對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊也較小。

鑒于上述情況，有必要考慮通過(guò)優(yōu)化繼電保護(hù)，使220kV正母Ⅰ段線路斷路器斷口被擊穿重燃后也能同220kV副母Ⅰ段一樣在盡可能短的時(shí)間內(nèi)快速切除故障。但是，在目前所配置的220kV系統(tǒng)繼電保護(hù)功能條件下，220kV線路斷路器斷口被擊穿重燃后只能依靠斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作切除，故障時(shí)間偏長(zhǎng)。為快速切除斷路器斷口發(fā)生擊穿的特殊故障，可以借鑒發(fā)電機(jī)斷路器斷口閃絡(luò)保護(hù)的設(shè)計(jì)理念，在每個(gè)220kV線路斷路器保護(hù)中增設(shè)1套斷路器斷口擊穿保護(hù)，以縮短切除類型故障所需的時(shí)間。

220kV線路斷路器斷口擊穿保護(hù)原理為：當(dāng)斷路器單相或多相斷路器斷開(kāi)后，若仍有該線路保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，且斷開(kāi)相故障電流判別元件啟動(dòng)不返回，則斷路器斷口擊穿保護(hù)動(dòng)作經(jīng)母線的隔離開(kāi)關(guān)位置開(kāi)入相應(yīng)的母線保護(hù)，再經(jīng)該段母線的復(fù)合電壓閉鎖元件閉鎖，經(jīng)100 ms延時(shí)后，通過(guò)母差出口回路跳開(kāi)該段母線上的母聯(lián)、母分、所有線路和主變的三相斷路器，并閉鎖上述線路斷路器的重合閘，以達(dá)到快速切除故障的目的。其動(dòng)作邏輯可以通過(guò)圖3實(shí)現(xiàn)。

為了防止斷路器輔助接點(diǎn)誤開(kāi)入導(dǎo)致斷路器擊穿保護(hù)不正確動(dòng)作，需同時(shí)引入斷路器三相常開(kāi)輔接點(diǎn)和常閉輔接點(diǎn)，兩者相互校驗(yàn)以提高保護(hù)的可靠性，其中常開(kāi)接點(diǎn)取“反邏輯”，當(dāng)斷路器閉合后閉鎖斷路器斷口保護(hù)。

斷路器斷口擊穿保護(hù)功能可在220kV斷路器保護(hù)裝置中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗c斷路器失靈保護(hù)相比，兩者啟動(dòng)判據(jù)的主要區(qū)別在于斷路器斷口保護(hù)增加了分相斷路器的分閘位置判別條件，其他判據(jù)與失靈保護(hù)判據(jù)相同，所以在保護(hù)硬件上可充分利用斷路器失靈保護(hù)的動(dòng)作開(kāi)入和故障相電流判別元件，只要在斷路器微機(jī)保護(hù)中增加1個(gè)斷口擊穿保護(hù)的邏輯功能模塊即可實(shí)現(xiàn)。

圖3 斷路器斷口擊穿保護(hù)及失靈保護(hù)智能化跳閘方式邏輯功能圖

雖然斷路器斷口擊穿保護(hù)與失靈保護(hù)啟動(dòng)后都將保護(hù)開(kāi)出信號(hào)送至母線保護(hù)內(nèi)，但由于失靈保護(hù)出口后需延時(shí)200 ms跳開(kāi)母聯(lián)和母分?jǐn)嗦菲?，并重?次本斷路器，若故障點(diǎn)仍無(wú)法切除，則再延時(shí)200 ms跳開(kāi)連接于該母線上的所有線路斷路器和主變斷路器；而斷路器斷口擊穿保護(hù)因?yàn)橐延懈鞣窒鄶嗦菲鞯姆珠l位置判別條件，故無(wú)需重跳1次本斷路器，經(jīng)100 ms延時(shí)后出口直接跳開(kāi)連接于該母線上的母聯(lián)和母分?jǐn)嗦菲?、所有線路斷路器和主變斷路器。由于出口跳閘的延時(shí)時(shí)間和跳閘的方式的不同，因此兩者的出口回路必須分開(kāi)。

2.2 220kV失靈保護(hù)智能化跳閘方式

按照目前失靈保護(hù)的功能配置，只要滿足有電氣量保護(hù)動(dòng)作和故障相電流判別元件啟動(dòng)這2個(gè)條件，220kV失靈保護(hù)無(wú)論由于什么原因啟動(dòng)，均經(jīng)母線隔離開(kāi)關(guān)位置判別和復(fù)合電壓閉鎖開(kāi)放后出口，第1時(shí)限跳開(kāi)母聯(lián)和母分?jǐn)嗦菲?，并重?次本斷路器，第2時(shí)限跳開(kāi)連接于該母線上的所有線路斷路器和主變斷路器。當(dāng)線路斷路器被油壓或氣壓閉鎖在先，系統(tǒng)發(fā)生故障在后，若斷路器失靈保護(hù)仍經(jīng)上述跳閘邏輯第1時(shí)限先跳母聯(lián)、母分?jǐn)嗦菲骱椭靥緮嗦菲骱?，?時(shí)限再跳相鄰斷路器切除故障，則會(huì)造成切除故障時(shí)間偏長(zhǎng)的結(jié)果，這顯然不利于220kV系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，可以考慮將失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯按照斷路器拒動(dòng)的原因不同，智能化地采用不同的跳閘出口邏輯。

若線路斷路器被閉鎖在先，系統(tǒng)發(fā)生故障在后，斷路器失靈保護(hù)不經(jīng)過(guò)常規(guī)的失靈保護(hù)動(dòng)作時(shí)間（400 ms）延時(shí)，直接經(jīng)斷口擊穿保護(hù)出口回路，經(jīng)100 ms延時(shí)后跳開(kāi)相鄰斷路器。因?yàn)樵诰€路斷路器已被閉鎖的情況下，系統(tǒng)再發(fā)生故障，繼電保護(hù)動(dòng)作出口，肯定無(wú)法將已閉鎖的斷路器跳開(kāi)，再重跳1次本斷路器和先切除母聯(lián)和母分?jǐn)嗦菲饕褵o(wú)任何意義。而對(duì)于系統(tǒng)發(fā)生故障保護(hù)動(dòng)作在先，但斷路器無(wú)法跳閘（如保護(hù)跳閘出口回路斷線、壓板漏放，因跳閘瞬間振動(dòng)引起的油壓、氣壓瞬間降低等原因）在后，則仍按常規(guī)的失靈保護(hù)動(dòng)作邏輯延時(shí)出口跳閘。上述動(dòng)作邏輯可以通過(guò)圖4實(shí)現(xiàn)。

其原理為：當(dāng)本斷路器先被（油壓或氣壓）閉鎖時(shí)，它送1個(gè)輸入給與門3，與門3有輸出，作為與門1的一個(gè)輸入，同時(shí)送1個(gè)否邏輯閉鎖與門2，與門2被閉鎖后無(wú)輸出，經(jīng)否邏輯后送1個(gè)輸入給與門3作為自保持。這種情況下系統(tǒng)又發(fā)生故障，失靈保護(hù)啟動(dòng)，作為與門1的1個(gè)輸入，與門1收到它和與門3的輸入后，直接通過(guò)斷路器斷口擊穿保護(hù)跳閘出口邏輯經(jīng)100 ms延時(shí)后快速跳開(kāi)連接于該母線上的母聯(lián)和母分?jǐn)嗦菲?、所有線路斷路器和主變斷路器。而不經(jīng)失靈跳相鄰斷路器時(shí)間400 ms延時(shí)后跳開(kāi)相鄰斷路器切除故障。

圖4 220kV失靈保護(hù)智能化跳閘方式邏輯功能圖

若系統(tǒng)有故障，失靈保護(hù)動(dòng)作在先時(shí)，作為與門1的1個(gè)輸入，同時(shí)送1個(gè)輸入給與門2，由于此時(shí)斷路器未被閉鎖，即無(wú)輸出，經(jīng)否邏輯后送1個(gè)輸入給與門2，這樣與門2就有1個(gè)輸出，經(jīng)否邏輯閉鎖與門3，與門3保持無(wú)輸出且自保持，那么與門1一直無(wú)輸出，則失靈保護(hù)動(dòng)作不能經(jīng)斷路器斷口擊穿保護(hù)出口，只能經(jīng)常規(guī)的失靈跳閘回路第1時(shí)限（200 ms）重跳1次本斷路器，并跳開(kāi)母聯(lián)和母分?jǐn)嗦菲?，?時(shí)限（400 ms）跳開(kāi)連接于該母線上的所有線路斷路器和主變斷路器。

3 結(jié)語(yǔ)

增設(shè)220kV斷路器斷口擊穿保護(hù)、220kV失靈保護(hù)智能化跳閘方式等繼電保護(hù)改進(jìn)方案，可以彌補(bǔ)在極端故障條件下傳統(tǒng)的斷路器失靈保護(hù)切除故障時(shí)間偏長(zhǎng)的不足，降低故障對(duì)系統(tǒng)的沖擊和設(shè)備的損害程度，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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