一起方向過流保護(hù)誤動作的原因分析及對策

陳 龍，葉 影，楊曉林

(國網(wǎng)上海市電力公司金山供電公司, 上海 200540)

隨著國家鼓勵新能源發(fā)電政策的實(shí)施以及資源的綜合利用，風(fēng)電、天然氣三聯(lián)供及光伏發(fā)電等小電源發(fā)電項(xiàng)目逐步接入配電網(wǎng)。與此同時也不可避免地對電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行、保護(hù)配置等諸多方面產(chǎn)生不利影響。傳統(tǒng)的35 kV配電網(wǎng)線路配置了電流速斷、過電流保護(hù)[1]。隨著分布式電源的大量接入，目前配電網(wǎng)已從單側(cè)電源轉(zhuǎn)變成為了雙側(cè)電源，這勢必增加了繼電保護(hù)配置的難度和復(fù)雜程度[2-4]。為了適應(yīng)分布式電源的接入，在相應(yīng)線路的兩側(cè)均需裝設(shè)保護(hù)裝置，為了防止保護(hù)的誤動作必須在可能誤動作的保護(hù)上增設(shè)功率方向閉鎖元件。該元件在短路功率方向由母線流向線路時可靠動作，而當(dāng)短路功率方向由線路流向母線時可靠不動作，從而使繼電保護(hù)的動作具有一定的方向性[5-6]。

1 事故簡介

1.1 電網(wǎng)接線方式

某電網(wǎng)系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

甲站為系統(tǒng)側(cè)35 kV開關(guān)站，其一次主接線采用單母線分段接線方式；乙廠為35 kV分布式光伏發(fā)電站，分別通過102、202線路經(jīng)與甲開關(guān)站相聯(lián)接并網(wǎng)；丙廠為一家35 kV雙電源用戶站，分別通過103、203線路與甲站相聯(lián)接；丁站為為甲站的上級電源變電站，分別通過101、201線路與甲站相聯(lián)接。其中，甲站內(nèi)101和201開關(guān)使用配置了縱聯(lián)差動和方向過流保護(hù)作為線路保護(hù)的主保護(hù)以及小電源供電的時的后備保護(hù)，采用南瑞繼保的PCS-9613D型微機(jī)裝置；35 kV分段100開關(guān)裝設(shè)配置了備自投裝置，采用南瑞繼保的PCS-9651D型微機(jī)保護(hù)裝置；此外甲站35 kV一、二段母線還裝設(shè)有故障解列裝置，為南瑞繼保的PCS-9658D型微機(jī)裝置。

圖1 某電網(wǎng)系統(tǒng)接線圖

1.2 事故前電網(wǎng)的運(yùn)行方式

(1)系統(tǒng)開關(guān)站甲站101、102、103、201、202、203開關(guān)閉合，100開關(guān)熱備用，35 kV分段備自投投入，其中103出線無負(fù)荷。

(2)小電源光伏發(fā)電站乙廠正常發(fā)電，102、103兩條線路發(fā)電功率為10 MW；用戶站丙廠內(nèi)103開關(guān)在冷備用，203開關(guān)正常運(yùn)行帶有1 MW負(fù)荷；電源站丁站101、201開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 事故發(fā)生過程

當(dāng)日用戶站丙廠103開關(guān)所供1號主變檢修完畢，操作人員執(zhí)行丙廠103開關(guān)改運(yùn)行操作對丙廠內(nèi)的1號主變進(jìn)行充電。在丙廠內(nèi)103開關(guān)改運(yùn)行時，甲站101線路方向過流I段AB相動作，開關(guān)跳閘，35 kV分段備自投動作；備自投聯(lián)跳102開關(guān)(光伏發(fā)電小電源乙廠)，合35 kV分段開關(guān)；瞬時甲站201線路方向過流I段AB相動作，開關(guān)跳閘，35 kV二段母線失電，35 kV二段母線故障解列動作，202開關(guān)(光伏發(fā)電小電源乙廠)跳閘。此時系統(tǒng)開關(guān)站甲站全站失電，甲站兩路電源進(jìn)線101、201線路處于空載充電運(yùn)行狀態(tài)。甲站內(nèi)開關(guān)動作具體情況如圖2所示。

圖2 事故發(fā)生后電網(wǎng)接線圖

2 35 kV方向過流保護(hù)誤動作原因分析

2.1 方向過流保護(hù)

過電流保護(hù)一般稱為III段電流保護(hù)，是一種以躲過線路的最大負(fù)荷電流來整定的保護(hù)裝置[6]。正常運(yùn)行時不應(yīng)該啟動，電網(wǎng)發(fā)生故障時能反應(yīng)于電流增大而動作。一般情況下，它不僅能夠保護(hù)本線路的全場全長，也能保護(hù)相鄰線路的全長，起到后備保護(hù)的作用。

過電流保護(hù)的定值：

(1)

式中Kk——可靠系數(shù)，一般取1.15～1.25；Kzq——電動機(jī)自起動系數(shù)，數(shù)值大于1，由網(wǎng)絡(luò)具體接線和負(fù)荷性質(zhì)決定；Kh——電流繼電器的返回系數(shù)，一般取0.85；Imax——流過線路的最大負(fù)荷電流。

在雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)接線中，由于線路兩側(cè)都有電源，為了合上和斷開線路，在每條線路的兩側(cè)均需裝設(shè)斷路器和保護(hù)裝置。過電流保護(hù)中，反方向短路一般很難以電流整定值躲開，而需要在每個保護(hù)上加裝功率方向元件。該元件只當(dāng)功率方向由母線流向線路時動作，而當(dāng)短路功率方向由線路流向母線時不動作，從而使保護(hù)繼電器的動作具有一定的方向性。按照這個要求配置的功率方向元件及規(guī)定的動作方向如圖3所示，即構(gòu)成了方向過流保護(hù)。

圖3 方向過電流保護(hù)原理接線圖

利用判別短路故功率的方向或電流、電壓之間的相位關(guān)系，就可以判別發(fā)生故障的方向。用以判別功率方向或測定電流、電壓間相位角的繼電器稱為功率方向繼電器。由于它主要反應(yīng)于加入繼電器中電流和電壓之間的相位而工作，因此用相位比較方式最為簡單。一般的功率方向繼電器當(dāng)輸入電壓和電流幅值不變時，其輸出(轉(zhuǎn)矩或電壓)值隨兩者間相位差的大小而改變，輸出為最大時的相位差稱為繼電器的最大靈敏角。為了在最常見的短路情況下使繼電器動作最靈敏，采用接線的功率方向繼電器應(yīng)做成最大靈敏角φsen.max=φk。又為了保證當(dāng)短路點(diǎn)有過渡電阻、線路阻抗角φk在0°～90°范圍內(nèi)變化情況下正方向故障時，繼電器都能可靠動作，繼電器動作的角度范圍通常取為(電壓超前電流)φsen.max±90°。其動作方程可表示為

(2)

為了減小和消除死區(qū)，在實(shí)際應(yīng)用中廣泛采用90°接線方式，即采用非故障的相間電壓作為接入功率方向元件的參考相量來判別故障相電流的相位。此動作特性在復(fù)數(shù)平面上是一條直線，如圖4所示，陰影部分為動作區(qū)。

圖4 功率方向繼電器的動作特性

特別指出，在正常運(yùn)行情況下，位于線路送電側(cè)的功率方向繼電器，在負(fù)荷電流的作用下，一般都是處于動作狀態(tài)，其觸點(diǎn)是閉合的。

2.2 變壓器勵磁涌流特性

當(dāng)變壓器空載投入或外部故障切除后電壓恢復(fù)時，可能出現(xiàn)數(shù)值很大的勵磁電流[7-8]。這是因?yàn)槿绻儔浩髟诳蛰d合閘時，正好在電壓瞬時值u=0時接通電路，則鐵心中具有磁通-φm。但是由于鐵心中的磁通不能突變，因此將出現(xiàn)一個非周期分量的磁通，其幅值為+φm。這樣在經(jīng)過半個周期以后鐵心中的磁通就達(dá)到了2φm。如果鐵心中還有剩余磁通φr，則總磁通將為2φm+φr。此時變壓器的鐵心嚴(yán)重飽和，根據(jù)鐵心磁化曲線，此時勵磁電流IE將急劇增大，此電流就稱為變壓器的勵磁涌流IEF，其數(shù)值最大可達(dá)額定電流的6～8倍，同時包含有大量的非周期分量和高次諧波分量。三相變壓器由于三相電壓之間有120°的相位差，因此在任何情況下空載投入變壓器，至少在兩相中要出現(xiàn)不同程度的勵磁涌流[9]。

2.3 方向過流保護(hù)誤動原因分析

系統(tǒng)開關(guān)站甲站101、201線路方向過流保護(hù)配置為PCS-9613D方向過流保護(hù)，采用90°接線方式，三相方向元件動作邊界誤差在2°范圍內(nèi)，最大靈敏角φsen.max=45°。電流元件在0.95倍整定值不動作，1.05倍整定值可靠動作；方向過流保護(hù)所用流變極性為減極性。

事故發(fā)生后，繼保人員對甲站的保護(hù)裝置、二次回路接線、35 kV一段壓變極性進(jìn)行了檢查。通過試驗(yàn)排除了由于壓、流極性錯誤導(dǎo)致的保護(hù)動作的可能性，與此同時調(diào)閱了繼電保護(hù)故障錄波并進(jìn)行了比較(見圖5、圖6)。

圖5 甲站101開關(guān)保護(hù)動作故障錄波

圖6 甲站201開關(guān)保護(hù)動作故障錄波

通過對比分析可知，甲站101和201保護(hù)動作后，保護(hù)安裝處所采集到的A、B、C三相電流具有如下特點(diǎn)：(1)均偏于時間軸的一側(cè)；(2)有很大的間斷角度；(3)利用軟件分析均含有較高的直流分量和諧波分量；(4)在同一時刻三相電流之和近似為零，PCS-9613中零序電流幾乎為0；由此可以得出故障錄波所采集到的電流具有勵磁涌流特性。此外甲站35 kV母線電壓在事故過程中線電壓一直正常，并未發(fā)生過存在短路故障時的電壓急劇下降[6]，因此可以基本排除由于電網(wǎng)故障造成保護(hù)動作的可能性。

進(jìn)一步以甲站進(jìn)線101開關(guān)A相方向過流繼電器為例進(jìn)行分析(如圖7所示)。

圖7 A相功率方向繼電器動作情況分析

小電源乙廠通過102線并網(wǎng)容量為10 MW，為了保證方向過流保護(hù)的靈敏性，整定值按1.2倍的機(jī)組最大出力電流來進(jìn)行整定，時限為0 s，且在最小運(yùn)行方式下無法保證靈敏性[10]。正常運(yùn)行時，IA為流經(jīng)甲站進(jìn)線101線的電流，由于小電源乙廠處于并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)，且甲站母線所帶負(fù)荷較小；正常運(yùn)行方式下，IA方向均為母線指向線路，即IA與UA同向(忽略線路阻抗)，所以功率方向繼電器一直處于開放狀態(tài)，其觸點(diǎn)是閉合的。在用戶站丙廠操作103開關(guān)對主變進(jìn)行沖擊時產(chǎn)生的勵磁涌流IE(純感性)使得流經(jīng)甲站101線的合成電流IK′=IA+IE幅值超過了整定值，且功率方向處于動作區(qū)內(nèi)，進(jìn)而使得甲站101進(jìn)線方向過流保護(hù)動作，101開關(guān)跳閘。同理甲站102進(jìn)線方向過流保護(hù)動作致使102開關(guān)跳閘亦是如此。通過比較故障錄波裝置所采集到的電流IA、電壓UA波形可以看出UA超前IA近90°，這也驗(yàn)證了功率方向繼電器處于動作區(qū)內(nèi)[11-12]。

通過分析，基本上可以確認(rèn)本次方向過流保護(hù)動作系為用戶變壓器空投時產(chǎn)生的勵磁涌流疊加小電源并網(wǎng)電流達(dá)到保護(hù)定值引起保護(hù)誤動作。

3 結(jié)語

本文闡述了一起正常運(yùn)行方式下，分布式電源接入電網(wǎng)受勵磁涌流的影響，造成的方向過流保護(hù)誤動。

(1)加強(qiáng)電網(wǎng)規(guī)劃管理，對分布式電源特別是光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行科學(xué)合理評估，確保分布式電源并網(wǎng)容量適度[13-15]。

(2)為避免類似事故重演，一方面保護(hù)整定要確定合理的保護(hù)定值，考慮不同運(yùn)行方式對保護(hù)裝置的影響并加入時間延時來躲過勵磁涌流；一方面應(yīng)增加電壓閉鎖元件進(jìn)行輔助判別，正常運(yùn)行時線路電壓正常，電壓閉鎖元件閉鎖保護(hù)，防止保護(hù)誤動，存在電網(wǎng)故障時，線路電壓下降，電壓閉鎖元件開放保護(hù)。