一起雷击引起的系统稳定破坏事故保护动作行为分析

一起雷击引起的系统稳定破坏事故保护动作行为分析耿卫星 1，刘春玲1，孟祥萍2（1.宁夏电力公司超高压分公司,宁夏 银川 750001； 2. 长春工程学院，吉林 长春 130001）摘要：论文以某110kV电网线路受雷击作用后，所有主变中性点被击穿，系统中两台主变压器差动保护先后动作跳闸的事件为素材，介绍系统运行方式，分析并评价保护装置动作行为，并针对此事件从线路防雷、变压器差动保护元件性能改善、装置运行整定和反事故措施四个角度提出了相应的改进措施。论文对于电力系统的安全稳定运行具有一定的参考价值和积极意义。关键词：雷击线路 中性点击穿 差动元件动作 跳闸 改进措施Analysis on protection action of an accident that the system stability disruption caused by thunderstrikeWeixing Geng 1，Chunling Liu 1，Xiangping Meng 2(1. Ningxia Electric Power Corporation EHV Branch，Yinchuan City, Hui Nationality Autonomous Region, Ningxia 750001；2. Changchun Institute of Technology，Changchun City, Jilin Province 130001)Abstract: There is an accident that all main transformerss neutral point dielectric punctured and two transformers differential protection operate to trip after lines be struck by lightning in certain 110kV network. The paper introduce system maneuvering patterns, analyse and appraise protectors motor behaviour. Innovative approaches are proposed from nether four angles: line lightning protection, differential protective elements performance improvements for transformer, appliance working setting and anti-accident measures. The thesis has determinate reference value and positive meaning for safety and stable running in power system.Key words: Lightning stroke on line; Neutral point puncture; Differential component motion; Tripping operation; Improvement measure0 引言雷电是自然界频发的一种高强度电磁脉冲和巨大能量释放现象，其特点是电压高、电流大、能量释放时间短，具有很强的危害性，受到了气象、交通、电力、矿业等诸多部门的广泛关注。其中，高压电力线路由于具有距地面位置高、所经地域跨度大、地形复杂等特点，遭受雷击的机率更大。据统计，我国高压输电线路由于雷击引发的跳闸事件占总跳闸次数的4070%。雷电已经成为严重影响电网安全稳定运行的重要因素之一。电力系统继电保护技术发展和保护装置不断改进，在防雷击破坏、避免大面积停电和维护系统稳定方面发挥着积极作用。由于系统具有很多不可预见因素，雷击引起的系统稳定破坏事故时有发生。论文基于某110kV局部电网受雷击影响，所有主变中性点击穿，系统由一点接地变为多点接地的事故，分析并评价保护装置动作行为；同时论文还讨论了线路防雷措施及装置运行整定改进，对电力系统的安全稳定运行具有一定的积极意义。1 事故描述1.1事故前电网运行方式220kV芦花变电站正常运行时#2主变110kV侧图1. 事故前110kV系统运行方式Fig.1 Maneuvering patterns of 110kV system before fault中性点接地，25100母联开关在合位。110kV各出线所带变电站的主变压器中性点不接地运行。事故发生前110kV水泥变电站#1、#2主变分列运行，三侧母联断路器1800、300、600在分位。35kV、6kV分段备用电源自动投入装置投入,主变中性点不接地运行。110kV暖泉变电站161、1602、302、502、300断路器在合位，#2主变单独投入工作，主变中性点不接地运行。110kV系统为一点接地方式，如图1所示。1.2 保护配置220kV芦花变电站110kV 线路：25120花水线、25123花暖线均装设由南瑞继保电气有限公司生产的RCS-941A型高压输电线路成套保护装置。保护功能包括三段相间和接地距离保护、四段零序方向过流保护和低周保护；配有三相一次重合闸功能、过负荷告警功能、频率跟踪采样功能；还带有跳合闸操作回路以及交流电压切换回路。110kV线路所带水泥变电站#2主变、暖泉变电站#2主变使用的保护装置配置情况如表1所示：表1. 变压器保护配置情况Tab.1 Relay system configuration status for transformer厂站名称一次设备保护装置保护装置生产厂家110kV水泥变#2主变SEL-387广东普瑞110kV暖泉变#2主变CST-31AE北京四方1.3 保护动作行为2008年8月28日18时49分57秒403毫秒，220kV芦花变电站25124花洪线、25123花暖线5860杆之间遭受雷击，造成线路AB相间短路。花洪线保护测距为2.0km，花暖线保护测距为2.8km，110kV故障录波器测距为3.17km，保护动作过程如表2所示：表2. 保护动作过程Tab.2 Action process of protective device厂站GPS绝对时间保护动作及跳闸情况220kV芦花变18:49:57:420花暖线距离I段动作18:49:57:421花洪线距离I段动作18:49:57:421花洪线零序过流I段动作18:49:57:422花暖线零序过流I段动作18:49:58:569花洪线重合闸动作18:49:58:600花暖线重合闸动作110kV水泥变18:49:57:483#2主变差动保护动作，跳开1802、302、602断路器110kV暖泉变18:49:58:879#2主变差动保护动作，跳开1602、302、502断路器110kV水泥变18:50:00:40335kV分段备自投动作，合上300断路器18:50:00:4036kV分段备自投动作，合上600断路器2 原因分析及动作评价2.1 事故诱因2008年8月28日18时49分57秒403毫秒，芦花变电站花洪线、花暖线5860杆之间遭雷击后，芦花变1主变、文萃变1主变、盈北变1、2主变、水泥变2主变、镇北堡2主变中性点被击穿，芦花变110kV系统由一点接地变为多点接地。故障后零序电流分布情况如图2所示：图2. 故障后零序电流分布图Fig.3 Zero-sequence current distribution map after fault2.2 保护动作行为分析及评价2.2.1 220kV芦花变电站雷击发生后17ms、19ms，花暖线距离保护I段和零序过流I段分别动作跳开25123断路器；18 ms花洪线距离保护I段和零序过流I段同时动作跳开25124断路器。1166ms，花洪线保护启动重合闸动作，线路重合成功；1197ms，花暖线保护启动重合闸动作，线路重合成功。 (a) 110kV I 母电压 (b) 110kV II 母电压 (c) 花暖线故障电流 (d) 花洪线故障电流图3. 芦花变故障录波参数图Fig.3 Fault recorder diagram of Luhua substation经过对两线路受雷击后的录波参数 (如图3所示)和动作情况分析， 220kV芦花变电站花暖线、花洪线保护装置动作行为符合装置动作逻辑，动作时间与定值整定时间一致。保护装置动作正确。2.2.2 110kV水泥变电站2008年8月28日18:49:57:483，水泥变#2主变差动保护动作，瞬时跳开1802、302、602断路器，保护动作结果如3所示：表3. 差动元件动作参数Tab.3 Motion parameter of differential componentA相IOP1IRT1IOP1/ IRT1087P SLP1 IRS1 0.681.0763.60.3401.3B相IOP1IRT1IOP1/ IRT1087P SLP1 IRS1 0.720.9972.70.3401.3C相IOP1IRT1IOP1/ IRT1087P SLP1 IRS1 0.680.581170.3401.3表3中数据显示，流过差动元件的电流约为0.7左右（数据来源于差动保护动作报文及故障录波参数，见图4）。而此时制动电流不够大，二次谐波、五次谐波在扰动的过程中很快衰减，无法有效闭锁保护，差动元件动作。在花暖线、花洪线线路遭雷击后，雷击过电压导致110kV系统多条线路末端变压器中性点击穿，水泥变#2主变差动继电器SEL387躲穿越性涌流能力较差，从而发生了区外故障时变压器差动保护误动事故。 （a）故障电流录波图 (b) 保护动作报文显示图4. 故障录波及故障报文Fig.5 Faults recorded and fault message水泥变#2主变差动保护动作后，35kV II母失压，302进线无流，满足35kV分段备自投动作条件，延时3秒合上300分段断路器，恢复35kV II母正常供电；同时6kV II母失压，602进线无流，满足6kV分段备自投动作条件，延时3秒合上600分段断路器，恢复6kV II母正常供电。备自投装置动作行为符合动作逻辑，动作时间与定值整定时间一致。35kV和6kV备自投装置动作正确。2.2.3 110kV暖泉变电站在花暖线故障跳闸重合后，暖泉变#2主变未能躲过穿越性励磁涌流，差动保护动作，也属于区外故障时的误动作。与水泥变的区别仅在于前者动作发生在线路重合前，而后者动作发生在线路重合后。限于篇幅，此处不再做详细分析。图5为花暖线重合后电流波形图。图5. 花暖线故障重合后电流录波图Fig.5 Current recorder of Huanuan line after reclosing3 措施及改进此次受雷击影响，两起变压器差动保护区外故障时动作的情况，应该引起系统相关部门和继电保护工作者的充分重视。考虑从装置本身动作特性、科学合理的整定计算以及严格执行反事故措施等角度进行改进，以提高装置动作可靠性。3.1 改进变压器差动元件动作特性为提高故障时的动作灵敏度和可靠躲过外部故障时的不平衡电流，变压器微机保护装置最好采用具有比率制动特性的差动元件，原则上在区外故障时绝对不会发生误动作现象。三段折线式比率制动特性曲线和动作方程分别如图6和公式3-1所示：图5. 比率制动特性曲线Fig.5 Ration restrain characteristic curve 式中：Id为差动电流，Ir为制动电流，Icd0为差动启动电流，Izd0和Izd1为拐点电流，K1、K2为比率制动系数。结合图形和公式不难看出，在比率制动系数和拐点电流一定的情况下，启动电流越小，差动元件的动作区越大，差动保护的灵敏度越高；在比率制动系数和启动电流不变的情况下，拐点电流越大，其动作区越大，差动元件的灵敏度越高；在启动电流和拐点电流不变的情况下，比率制动系数越小，其动作区越大，差动元件的灵敏度越高。所以，为避免区外误动，可以适当抬高起动电流，即抬高差动电流门槛值。3.2 改进线路防雷性能架设避雷线或安装线路避雷器，可以提高线路防雷性能。架设避雷线可以引导雷电向避雷线放电，通过杆塔和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击，有效防止雷电直接击中导线；安装线路避雷器，使之并联连接在被保护设备附近，当作用电压超过避雷器的放电电压时，避雷器先放电，限制过电压发展，同时通过分流作用减少经杆塔入地电流，降低塔顶感应过电压。另外，避雷线和外侧导线的连线与垂线之间的夹角越小，防绕击雷的效果越好，在实际中应该尽量减小线路保护角。3.3 科学合理地进行整定计算在对变压器纵差保护各元件的定值进行整定时，应根据变压器的容量、结构、在系统中的位置以及系统特点，合理而灵活地选择定值，以确保保护动作的灵敏度和可靠性。建议在运行允许的范围内牺牲一定灵敏度，抬高差动启动电流定值，这样可以有效防止差动元件区外故障时误动作。3.4 严格执行反措要求所有差动CT二次回路只能有一个公共接地点，且该接地点应设在保护屏上；保护装置安装调试之后或变压器大修后投运之前，要仔细检查CT二次回路，拧紧二次回路中各接线端子，严防二次回路接触不良或开路；定期检查差动CT二次电缆各芯线对地及各芯线之间的绝缘；配线过程中，不要损伤电缆芯线外层绝缘；对于长电缆连接的二次回路，铜质电缆芯线的截面应不小于4mm2。根据以上分析，为提高变压器差动保护动作可靠性，既要保证一次设备和保护装置技术成熟、质量优良，又要确保二次回路正确及良好性，同时还要求对各元件动作值进行合理整定。4 结论运行实践表明，过分追求差动保护动作灵敏度及动作的快速性，是一种误区。论文结合一起由雷击引起的系统稳定破坏事故，分析并评价了各相关保护装置的动作行为；同时论文讨论了线路防雷措施改进及装置运行整定改进，以及从反事故措施角度应做的工作。作为经验交流对电力系统的安全稳定运行具有一定的积极意义。参考文献1 国家电力调度通信中心.电力系统继电保护典型故障分析M.北京：中国电力出版社，2000.2 贺家李.电力系统继电保护原理(增订版)M.北京：中国电力出版社，2004.3 赵杰.输电线路地线对注入变压器中性点直流电流的影响J.电网技术，2005, 29(19）.Zhaojie. Influence on DC Current Through Transformer Neutrals by Earth Line of Transmission System J. Power System Technology, 2005, 29 (19).4 谢耀恒,谢伟,谷山强等.应用雷电参数统计分析220kV同塔双回输电线路绕击性能 J.高电压技术，2009, 35(11）.Xie yaoheng, Xie wei, Gu shanqiang, et al. Lightning Performance Analysis of Shielding Failure for 220kV Transmission Lines with Double Circuit on the Same Tower Using Lightning Parameters StatisticsJ. High Voltage Engineering, 2009, 35 (11).5 孙志劲,司马文霞,蒋兴良等.超/特高压输电线路雷电绕击防护性能研究J.中国电机工程学报，2005, 25(10）.Sun zhijin, Sima wenxia, Jiang xingliang, et al. Study on the lightning protection performance of shielding failure for EHV&UHV transmission linesJ. Proceedings of the CSEE, 2005, 25 (10).