一起220_kV线路纵联零序保护动作原因分析_陈坤.pdf

24|2023年第42卷第4期理论分析|Theoretical Analysis一起220 kV线路纵联零序保护动作原因分析陈坤，钟著辉，刘星(国网湖南省电力有限公司常德供电分公司，湖南 常德 415000)摘要：首先介绍了一起 220 kV 线路纵联零序保护误动作的事件，通过对保护装置录波进行分析，还原了保护整个动作过程。结合现场检查发现相关二次回路存在问题是导致本次事故发生的根本原因。最后根据分析结果提出了相应整改措施和检修建议，以降低继电保护不正确动作风险，提高电网安全稳定运行水平。关键词：二次回路；零序电流；纵联零序保护；故障录波；误动作Cause analysis of a 220 kV line longitudinal zero sequence protection operationCHEN Kun,ZHONG Zhuhui,LIU Xing(Changde Power Supply Company of State Grid Hunan Electric Power Co.,Ltd.,Changde 415000,China)Abstract:A misoperation event of longitudinal zero sequence protection of 220 kV line is introduced.The whole operation process of protection is restored by analyzing the recording wave of protection device.Combined with the on-site inspection,it was found that the problem of the related secondary circuit was the root cause of the accident.Finally,according to the analysis results,the corresponding rectification measures and maintenance suggestions are put forward to reduce the risk of incorrect operation of relay protection and improve the safe and stable operation level of power grid.Key words:secondary circuit;zero sequence current;zero-sequence pilot protection;fault recording;misoperation0 引言继电保护作为电力系统安全稳定运行的第一道防线，承担着快速、准确切除故障的重要作 用1-3。一直以来，输变电工程中始终将继电保护的可靠性作为“四性”中最优先考虑的指标，并贯穿于规划、设计、施工和运行等各个阶段4。在现场实际中，继电保护无故障动作跳闸的事件时有发生，导致继电保护的可靠性备受挑战5-6。在220 kV及以上系统中，为提高继电保护的可靠性，绝大部分输电线路均采用双重化配置全线速动保护，如高频保护、光纤差动保护。双重化配置能提高系统发生故障时继电保护动作的可靠性，但也在一定程度上增加了二次回路的复杂度。虽然现阶段微机继电保护具有强大的自检功能，能够实时发现采样异常及装置内部软件故障，但对保护定值、外部二次回路缺陷等问题尚无有效监测手段。根据相关事故案例分析表明，继电保护装置定值整定不当、外部二次回路缺陷以及人员因素是引发继电保护误动作的主要原因7-9。本文介绍了一起因继电保护二次回路缺陷而引发220 kV线路单侧纵联零序方向保护误动作的事件。结合故障录波和现场调查结果对保护动作全过国网湖南省电力有限公司科技项目（5216J0220003）2023年4月|25Theoretical Analysis|理论分析一起 220 kV 线路纵联零序保护动作原因分析程进行了详细分析，并提出相关整改措施和现场二次检修建议，以降低继电保护误动作风险，提高电网安全稳定运行水平。1 事故概述220 kV甲乙线为甲水电站与乙变电站之间的一条联络线（乙站还有其他电源线路），系统接线示意如图1所示。乙站电压互感器安装于母线侧，甲站为线变组接线，电压互感器安装在线路侧。线路两侧保护均双重化配置，A套为PSL603G型纵联电流差动保护，B套为PSL602G型闭锁式纵联方向保护。图 1甲乙线联络示意图Fig.1 Schematic diagram of line A and line B某日甲乙线甲侧A相断路器跳闸，分相操作箱第二组A相跳闸信号灯亮。大约9 s后，甲侧断路器机构三相不一致保护动作，跳开剩余两相。整个过程中，甲侧两套保护均无任何动作报文。在甲侧A相断路器跳开约280 ms后，乙侧B套PSL602G型闭锁式纵联保护动作跳A相断路器，而后开关重合成功。整个过程中乙侧A套PSL603G保护仅有启动信号。2 两侧线路保护动作行为分析2.1 现场保护录波分析事 故 后 二 次 专 业 人 员 立 即 到 达 现 场，对相关保护装置动作波形进行检查分析。甲乙线两侧B套PSL602G型保护装置录波如图2、图3所示。对比图2和图3可以看出，大约在50 ms时甲乙线两侧保护A相电流消失，此时线路两侧A相电压却没有明显的变化，说明系统此时没有发生接地故障。结合甲侧操作箱指示以及线路两侧同时出现零序电流，可以确定甲侧A相断路器首先跳开，两侧零序电流因甲乙线非全相运行所引起。甲侧断路器三相不一致保护由机构实现，时间继电器整定为9 s，因此，大约9 s后甲侧三相不一致保护动作切除剩余两相断路器。由于线路非全相运行期间，乙侧保护中出现超过1 V（零序电压最低门槛）的零序电压，零序电流也达到启动定值，且两侧收发信机均停信，满足本侧PSL602G型纵联保护动作条件。于是乙侧B套保护动作跳开A相断路器。由于线路实际并无故障，该侧线路重合闸成功。图 2甲侧线路 B 套保护录波Fig.2 B set of protection recording on side A26|2023年第42卷第4期理论分析|Theoretical Analysis图 3乙侧线路 B 套保护录波Fig.3 B set of protection recording on side B2.2 甲侧断路器跳闸原因分析通过甲侧分相操作箱第二组A相跳闸信号灯被点亮，可以排除断路器机构偷跳的可能。初步怀疑甲侧B套线路保护第二组A相跳闸回路存在问题。经现场试验发现B套保护操作板A相出口继电器触点绝缘击穿，导致甲侧A相断路器跳闸回路导通。A相跳闸后，机构三相不一致时间继电器启动计时，到达整定时间后，三相不一致保护动作跳开B、C相断路器。2.3 乙侧PSL603G型保护动作行为乙侧A套PSL603G型保护采用矢量差动原理，甲乙线两侧A套启动时刻三相电流相量如图4所示。图 4线路两侧电流相量图Fig.4 Phasor of current on both sides of line A and line B甲侧电流互感器电流比补偿系数为0.5，折算角度为232，虚线为该侧折算后的电流。根据保护启动时刻乙侧差动数据及保护定值，计算出两侧电流及差流见下表。由下表和图4可知，两侧IB、IC和3I0幅值相等，方向相反，表现为穿越性电流特征。同时，结合故障录波发现两侧同时出现零序电流，且保护三相电压基本无变化，因此判定甲乙线A相发生了一次断线。表甲乙线两侧保护电流采样Tab.Protection current sampling on both sides of line A and line B（单位：A）乙侧电流甲侧电流差流折算前折算后IA0.028116.570.006180.000.00352.000.029IB0.67045.001.3062.970.653229.03 0.049IC0.64339.17 1.298 88.100.649143.900.0353I00.9634.761.914 45.520.957186.480.029乙侧A套PSL603G型保护零序电流启动定值为0.5 A，差动动作电流定值为1.00 A。根据上表可以看出，甲侧A相跳闸后，乙侧线路A套保护零序电流超过了保护启动电流定值，但差流却远小于动作电流定值。因此，乙侧A套PSL603G型保护仅启动而不动作。2.4 乙侧PSL602G型保护动作原因分析甲乙线B套PSL602G型纵联保护采用闭锁式原理。该型保护动作条件为：保护启动；正方向元件动作，反方向元件不动作；本侧发信机启信又停信，且收不到对侧发的闭锁信号时，本侧保护动作。下面分别对这几个条件进行分析。首先分析甲侧A相跳闸后，乙侧线路保护相关电气量变化情况。当甲侧A相断路器跳闸时，类似于甲侧出口线路发生A相断线故障，系统出现纵向不对称故障。由于故障前线路存在负荷电流，在断口电动势UA的作用下，系统中存在负序和零序分量。甲乙线A相断线后的边界条件为(1)式中，IkAi为A相的序电流；UkAi为断口处的序电压；i取1、2、0时，分别表示正、负、零序分量。2023年4月|27Theoretical Analysis|理论分析一起 220 kV 线路纵联零序保护动作原因分析根据式（1）可得甲乙线甲侧A相跳闸后系统故障序网，如图5所示。图5中，EPA为甲侧系统A相电动势；ESA为乙侧系统A相电动势；ZPi为甲侧系统序阻抗；ZLi为甲乙线序阻抗；ZSi为乙侧系统序阻抗；i取1、2、0时，分别表示正序、负序分量、零序分量。图 5A 相断线复合序网图Fig.5 Compound sequence network diagram of A disconnection line假设甲乙线正常运行时A相负荷电流为Iloa.A，根据图5可得甲侧线路各相电流表达式为(2)式中，故障前A相负荷电流IloaA=(EPAESA)/Z1；系统综合正序阻抗Z1=Z2=ZP1+ZL1+ZS1；系统综合零序阻抗Z0=ZP0+ZL0+ZS0。根据图2和图3中的电流故障录波可以看出，在甲侧A相断路器跳闸后，B、C相电流变大，结合式（2）可知系统综合零序阻抗Z0小于综合正序阻抗Z1，系统零序电流大于故障前的负荷电流。由于乙侧线路保护采用母线TV电压，根据图4可得乙侧线路保护安装处零序电流与零序电压关系为(3)一般系统零序阻抗角约为80。由式（3）可知，甲侧断路器A相跳闸后，在乙侧线路保护中的零序电压滞后于零序电流一系统阻抗角，滞后角度为100 110。在甲侧A相断路器跳开59 ms后，乙侧保护的零序电压已达到1.2 V，超过纵联零序保护方向元件零序电压动作门槛，满足纵联零序方向元件投入条件。同时乙侧保护自产零序电流也达到了1.08 A，大于保护启动电流定值，本侧零序电流保护满足启动条件。图6为甲侧A相断路器跳闸后乙侧某时刻PSL602G型保护采集到零序电压与零序电流的相量图。图6中，3U0幅值为1.335 V，3I0幅值为1.172 A，3U0滞后3I0的角度约为110。图 6零序分量相量图Fig.6 Zero-order component phasor diagram查阅说明书，PSL602G型线路保护零序方向元件动作条件为(4)因此，乙侧PSL602G型纵联零序方向保护正方向元件能够动作，且零序电流达到定值条件。结合图2、图3可知，乙侧保护收信和发信脉宽时间基本一致。即乙侧发信机停信前，甲侧发信机已经停信。乙侧PSL602G保护之所以停信，是因为该侧纵联保护正方向元件满足动作条件。观察甲侧线路保护收发信机录波可以看出，在甲28|2023年第42卷第4期理论分析|Theoretical Analysis侧启信机启动发信约70 ms后立即停止发信。由于甲侧保护采用三相线路TV，甲侧零序电压与零序电流相量关系表达式为(5)由式（5）可知，甲侧PSL602G型纵联保护的零序电压超前零序电流一阻抗角（约80），不满足正方向元件动作条件。因此，甲侧收发信机并不是因为正方向元件动作而停信。再次对甲侧保护装置故障录波进行分析，发现在本侧A相跳位开入15 ms后，PSL602G型纵联保护即已停信。并且甲侧保护断路器三相跳位开入量TWJa、TWJb和TWJc同时动作，如图7所示。图 7甲侧保护开关量录波Fig.7 A side protection switch volume recording由此可以确定，甲侧PSL602G型保护是由于满足了三相跳闸位置停信逻辑，才导致纵联保护收发信机停信，进而引起乙侧PSL602G纵联零序保护满足动作条件。由于系统一次部分实际未发生故障，故乙侧A相断路器重合闸成功。整个过程中，乙侧线路保护动作行为满足保护逻辑。3 存在问题及改进建议3.1 现场存在的问题在检查甲乙线保护二次回路时，发现甲侧存在以下问题。1）甲乙线PSL602G保护操作插件出口触点绝缘不良，这是导致本次事故发生的最直接原因。2）甲乙线PSL602G型保护的分相跳位开入回路在保护屏端子排处进行了三相短接，存在A相跳闸后三相跳位同时开入的现象。这是引起乙侧PSL602G型纵联保护误动作的主要原因。3）甲乙线三相不一致，时间继电器定值整定为9 s，整定时间不合理。甲乙线采用单相重合闸，线路重合闸定值为0.9 s，一般三相不一致保护只需与重合闸时间进行配合即可。若三相不一致时间整定过长，则线路长时间非全相运行所产生的负序电流会在发电机转子表面感生出二倍频分量。二倍频分量的存在会导致转子表面热效应增加，甚至在不平衡电动力的作用下引发水轮机叶片振动。3.2 整改建议为降低继电保护误动作风险，避免类似故障再次发生，本文提出以下几点整改建议。1）现场应再次重点检查甲乙线两侧线路保护二次回路接线的正确性，包括回路接线、反措整改等。由于甲侧断路器三相跳位误开入引起发信机停信，才导致本次乙侧PSL602G型纵联零序保护误动作。2）重点核实甲侧保护装置、操作箱插件及操作回路的绝缘情况，对超年限运行的插件应予以更换。3）建议优化甲侧断路器机构三相不一致时间继电器定值，尽量缩短线路单相跳闸且重合闸因故未动作时，线路非全相运行时间。4）建议尽快制定将甲乙线高频保护改换为光差保护的计划。光差保护在应对高阻接地、强磁弱电以及选相等问题时具有极大的优势，且光纤通道的稳定性越来越好。而高频保护通道受气候影响较大，稳定性和可靠性远逊于光差保护，因此有必要制定相关高频改光差的计划。5）在对保护设备进行定期检验时，对于采用分相跳闸机构的线路保护整组试验，应严格分相依次进行，确保保护跳闸相与断路器实际跳开相一一对应。另外，现阶段保护原理基本成熟，在现场二次检修过程中应将工作重心放在二次回路上。不仅要关注外部回路，而且不应忽视保2023年4月|29Theoretical Analysis|理论分析一起 220 kV 线路纵联零序保护动作原因分析护装置内部回路。对二次定检现场应严格按照标准化作业指导书进行，遵循“应检必检、检必修好”的原则。4 结束语随着现代化电网建设的快速发展，电网中可能出现的各种故障势必会给继电保护的可靠性带来一定挑战。介绍了一起由二次回路缺陷引发220 kV线路纵联保护误动作的案例。通过对案例的剖析可知，目前现场仍存在许多制约继电保护动作可靠性的因素。二次回路作为继电保护的重要组成部分，实际应用中还存在许多不合理的地方，且缺乏必要的检测手段。因此，有必要对继电保护二次回路实时在线监测技术进行深入研究，进而为继电保护创造良好的工作条件，降低继电保护误动作风险。参考文献 1 林一峰，王增平，王彤，等构建更加坚强电网安全“第一道防线”的探讨J电力系统保护与控制，2022，50(16)：170-178 2 陈国平，王德林，裘愉涛，等继电保护面临的挑战与展望J电力系统自动化，2017，41(16)：1-11 3 丁晓兵，杨军，余江，等基于微服务架构的继电保护信息主站数据服务方案J电气应用，2021(10)：87-93 4 罗皓文一起主变保护装置无故障跳闸事故原因分析J电气技术，2017，18(10)：101-104 5 冉茂兵，师刘俊，马运亮电流二次回路两点接地造成母线差动保护误动作分析及防范措施J电工技术，2022(3)：62-64 6 卫琳，张健康，粟小华，等电流二次回路缺陷造成线路保护误动作分析及防范措施J电力系统自动化，2019，43(19)：194-199 7 陈明泉继电保护二次回路绝缘现状分析及对策J电气技术，2022，23(3)：98-102，108 8 娄玲娇，侯永春出口矩阵设置错误导致保护误动分析J电气技术，2021，22(11)：47-50 9 夏玉裕，宛杨，奚汉江PT二次回路多点接地引起线路过电压保护事故分析J电工技术，2021(9)：94-96，98_作者简介陈坤（1989），男，硕士，工程师，主要从事电力系统继电保护工作。钟著辉（1966），男，高级工程师，主要从事电力系统继电保护工作。刘星（1992），男，硕士，工程师，主要从事电力系统继电保护工作。（收稿日期：2022-10-20）