基于異常電壓分析的110 kV線路單相斷線故障快速判別及防治

袁士超,賀 旭,李巨山,蔡振華,張洪磊

(國(guó)網(wǎng)寧波供電公司,浙江 寧波 315010)

0 引 言

中性點(diǎn)接地系統(tǒng)線路單相斷線時(shí),會(huì)造成系統(tǒng)非全相運(yùn)行,出現(xiàn)負(fù)序電壓、電流,導(dǎo)致變電設(shè)備損傷、系統(tǒng)損耗增加,影響電能質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。一旦發(fā)生單相斷線故障,需立即作出判斷并正確處置,以減少對(duì)系統(tǒng)的影響。實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中,220 kV及以上線路配有斷線相關(guān)保護(hù),且為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式,斷線發(fā)生后保護(hù)能立即動(dòng)作,切除故障,不影響供電。110 kV系統(tǒng)終端開(kāi)環(huán)運(yùn)行[1],且線路未配置相關(guān)保護(hù)[2],斷線故障如未伴隨接地,則存在故障無(wú)法切除的情況。由于斷線故障發(fā)生概率較低[3-5],調(diào)度、運(yùn)維人員對(duì)于該類故障的特點(diǎn)、影響接觸較少,使得單相斷線故障發(fā)生后不能準(zhǔn)確判斷和及時(shí)處理[6]。因此,掌握110 kV單相斷線故障的原因、特點(diǎn)及判斷方法,避免誤判擴(kuò)大事故影響,不僅對(duì)保障電網(wǎng)正常運(yùn)行有著重要意義,也是面向新型電力系統(tǒng)建設(shè)的安全可控的基本要求[7]。

1 故障案例

1.1 故障現(xiàn)象

浙江某地區(qū)110 kV內(nèi)橋接線變電站M站正常運(yùn)行方式如圖1所示。A線主供,B線備供,兩線對(duì)側(cè)系統(tǒng)均為中性點(diǎn)接地系統(tǒng)。M站內(nèi)2臺(tái)主變?yōu)槿@組變壓器,接線方式110/35/10三側(cè)為Y/Y/△11,中性點(diǎn)不接地。某日15時(shí)39分,M站下級(jí)用戶反映車間車床運(yùn)行異常,調(diào)度遠(yuǎn)方排查發(fā)現(xiàn)M站110 kV母線電壓異常,A、B相電壓64 kV,C相電壓33 kV;10 kV側(cè)兩相電壓下降為3 kV,一相電壓不變;35 kV側(cè)A相電壓變?yōu)?,另外兩相稍有下降。

圖1 某地區(qū)110 kV變電站M站正常運(yùn)行方式

1.2 處置過(guò)程

運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)檢查M站壓變、站內(nèi)線路均正常,系統(tǒng)側(cè)變電站站內(nèi)設(shè)備正常,調(diào)度懷疑A線路存在故障。M站經(jīng)熱倒改至B線供電后,110 kV站內(nèi)電壓均恢復(fù)正常。后經(jīng)線路運(yùn)維人員巡線發(fā)現(xiàn),A線7號(hào)耐張塔上A相耐張線夾處由于發(fā)熱造成跳線燒斷,垂在空中,未與鐵塔和地發(fā)生觸碰,造成單相斷線故障。調(diào)度立即停役該線路,并于當(dāng)日協(xié)調(diào)完成線路搶修工作。

2 故障原理分析

一般情況下,系統(tǒng)側(cè)變電站220 kV主變110 kV側(cè)中性點(diǎn)接地,負(fù)荷側(cè)110 kV變電站主變中性點(diǎn)不接地。負(fù)荷側(cè)接有小電源的特殊情況下,兩側(cè)中性點(diǎn)均接地運(yùn)行。主變中性點(diǎn)不接地方式可等效為中性點(diǎn)接地方式下零序阻抗無(wú)窮大的特殊情況,線路單相斷線如伴隨接地會(huì)引起保護(hù)跳閘。為進(jìn)行更廣譜分析并得到未跳閘情況下的結(jié)論,此處以負(fù)荷側(cè)變壓器中性點(diǎn)接地方式下線路單相斷線未接地情況展開(kāi)分析,如圖2所示。正常運(yùn)行方式下,110 kV H線發(fā)生A相斷線未接地故障。

圖2 線路斷口分析圖

2.1 負(fù)荷側(cè)110 kV電壓分析

(1)

(2)

(3)

其中:

(4)

斷線處負(fù)荷側(cè)三序電壓分別為

(5)

電壓數(shù)值與系統(tǒng)各序參數(shù)有關(guān),斷口處電壓:

(6)

系統(tǒng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備距離終端110 kV線路電氣距離較遠(yuǎn),對(duì)負(fù)序阻抗影響較小,正負(fù)序阻抗近似相等Z1=Z2得負(fù)荷側(cè)電壓:

(7)

圖3 負(fù)荷側(cè)110 kV電壓向量圖

當(dāng)T1主變110 kV中性點(diǎn)不接地時(shí),零序電流無(wú)通路,等效于Z0趨于無(wú)窮大,各序電壓標(biāo)幺值:

(8)

各相電壓標(biāo)幺值:

(9)

此時(shí)負(fù)荷側(cè)110 kV母線斷線相電壓變?yōu)樵妷?/2,相位相差180°,斷口兩側(cè)電壓達(dá)到1.5倍相電壓,非斷線相相電壓保持不變。

2.2 負(fù)荷側(cè)△接線10 kV電壓分析

三繞組變壓器110/10為Y/△-11接線方式,忽略T1變壓器壓降并設(shè)變比為1,結(jié)合式(5)可得:

(10)

(11)

(12)

式中:下標(biāo)a、b、c為中低壓側(cè)相別;下標(biāo)(10)為10 kV側(cè)。

可得電壓向量圖如圖4所示,10 kV側(cè)兩相電壓下降明顯。

圖4 負(fù)荷側(cè)△接線10 kV電壓向量圖

當(dāng)T1主變110 kV中性點(diǎn)不接地時(shí),各相電壓標(biāo)幺值:

(13)

此時(shí)一相電壓不變,兩相電壓降為原值1/2。

2.3 負(fù)荷側(cè)Y接線35 kV電壓分析

由于35 kV側(cè)星型接線為不接地系統(tǒng),零序分量無(wú)法傳遞,且35 kV側(cè)與110 kV側(cè)電壓之間無(wú)角差,設(shè)變比為1,結(jié)合式(5)可得:

(14)

(15)

(16)

式中:下標(biāo)(35)為35 kV側(cè)。

電壓向量圖如圖5所示。雖然110 kV側(cè)A相斷線,但由于高壓側(cè)零序感應(yīng)電壓的存在,35 kV側(cè)A相存在電壓和電流,數(shù)值與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān),一般情況下較小。

圖5 負(fù)荷側(cè)Y接線35 kV電壓向量圖

當(dāng)T1主變110 kV中性點(diǎn)不接地時(shí),各相電壓標(biāo)幺值:

(17)

3 不同類型輸電線路單相斷線故障情況

3.1 220 kV及以上系統(tǒng)線路

保護(hù)方面:220 kV及以上電壓等級(jí)為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的中性點(diǎn)接地系統(tǒng),輸電線路發(fā)生斷線故障時(shí)保護(hù)會(huì)檢測(cè)到零序電流,零序保護(hù)動(dòng)作三相跳閘,故障點(diǎn)隔離[9]。

系統(tǒng)方面:作為聯(lián)系較為緊密的電網(wǎng)系統(tǒng),終端系統(tǒng)也要求雙回線路。對(duì)于系統(tǒng)而言,此時(shí)線路如三相跳閘,潮流將轉(zhuǎn)移至另外一條線路,按照N-1的原則,系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行,如線路維持兩相運(yùn)行對(duì)保證系統(tǒng)供電也有著重要的意義。

這種情況下,輸電線路單相斷線對(duì)電網(wǎng)影響較小。

3.2 110 kV終端系統(tǒng)線路

保護(hù)方面:110 kV系統(tǒng)線路呈終端放射狀分布,一般情況下終端變電站中性點(diǎn)未接地,斷線后未接地不形成零序回路,零序保護(hù)不動(dòng)作,由于斷線故障發(fā)生概率較小,DL/T 584—2017《3～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》中保護(hù)配置也未作要求[10]。

系統(tǒng)方面:110 kV系統(tǒng)對(duì)處于電網(wǎng)末端非環(huán)網(wǎng)運(yùn)行,一般為線變組或互為備用的雙回線結(jié)構(gòu)的終端變電站,如果系統(tǒng)非全相運(yùn)行會(huì)對(duì)變壓器設(shè)備產(chǎn)生不利影響。

這種情況下,輸電線路單相斷線對(duì)電網(wǎng)影響較大。

4 終端系統(tǒng)線路單相斷線故障判據(jù)

4.1 基于異常電壓分析的快速判據(jù)

根據(jù)上述不同類型輸電線路單相斷線影響的比較,110 kV終端系統(tǒng)線路斷線對(duì)系統(tǒng)影響較大,僅斷線不接地故障無(wú)法通過(guò)保護(hù)切除,且110 kV開(kāi)關(guān)為三相機(jī)構(gòu),不會(huì)出現(xiàn)非全相運(yùn)行、線路斷線故障概率低,調(diào)度、運(yùn)維人員相關(guān)故障案例與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)缺乏,單相斷線故障的判斷耗時(shí)較多。

為準(zhǔn)確判別、及時(shí)處理終端系統(tǒng)單相斷線故障,基于上述異常電壓分析,提出斷線后終端變?nèi)齻?cè)電壓見(jiàn)表1。

表1 終端系統(tǒng)線路A相斷線故障電壓值

若終端系統(tǒng)為110 kV電壓等級(jí),主變高壓側(cè)為典型中性點(diǎn)不接地運(yùn)行,進(jìn)一步簡(jiǎn)化提出110 kV終端系統(tǒng)線路單相斷線故障快速判據(jù)見(jiàn)表2。

表2 110 kV終端系統(tǒng)線路單相斷線故障電壓快速判據(jù)

4.2 判據(jù)及保護(hù)情況與實(shí)際案例對(duì)比

故障時(shí),M站110 kV母線A、B相電壓64 kV,C相電壓33 kV,35 kV母線和10 kV母線電壓錄波如圖6所示。根據(jù)表2快速判據(jù),可直接判定該故障為線路A相斷線,與實(shí)際A線7號(hào)耐張塔上跳線A相斷線情況一致。

圖6 M站35 kV母線和10 kV母線電壓錄波圖

A線系統(tǒng)1側(cè)配置完整的三段相間和接地距離保護(hù)、四段零序方向過(guò)流保護(hù)。實(shí)際案例終端側(cè)中性點(diǎn)未接地,耐張塔跳線斷線線路未接地,無(wú)零序電流產(chǎn)生,零序元件未啟動(dòng),保護(hù)不動(dòng)作,與110 kV終端系統(tǒng)線路故障保護(hù)分析相同。

5 線路斷線原因及防治

5.1 線路斷線原因

線路斷線主要由人為或自然界外力等因素造成。

1)外力引起。吊機(jī)、車輛違章施工導(dǎo)致碰線、異物碰導(dǎo)線、車輛碰撞、盜竊造成主材變形或缺失從而引發(fā)倒塔斷線、火災(zāi)引起線路斷線。

2)接續(xù)處斷裂。導(dǎo)線接續(xù)處壓接質(zhì)量不良,在運(yùn)行過(guò)程中受振動(dòng)和舞動(dòng)影響產(chǎn)生疲勞,進(jìn)而發(fā)生斷股現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)造成斷線。

3)高負(fù)荷運(yùn)行。輸電線路長(zhǎng)期在高負(fù)荷或過(guò)載下運(yùn)行,可能會(huì)造成耐張線夾處發(fā)熱,嚴(yán)重時(shí)耐張線夾燒斷會(huì)導(dǎo)致線路跳閘。

4)舞動(dòng)和振動(dòng)。導(dǎo)地線在運(yùn)行過(guò)程中受到地形、氣候等外部環(huán)境影響下會(huì)發(fā)生舞動(dòng)、振動(dòng)等情況,造成導(dǎo)地線承受額外應(yīng)力而最終斷裂。在強(qiáng)風(fēng)地帶,導(dǎo)線彎折導(dǎo)致斷線的概率較大。

5)雷擊。對(duì)于絕緣架空線,雷電過(guò)電壓引起絕緣子閃絡(luò)并擊穿導(dǎo)線絕緣層,被擊穿的絕緣層為真空狀,在工頻續(xù)流電弧下導(dǎo)線燒斷。

6)金具腐蝕。導(dǎo)線長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,導(dǎo)線金具受雨水侵蝕,在金具連接部位極易產(chǎn)生電腐蝕,嚴(yán)重時(shí)易造成金具短串掉線,從而導(dǎo)致線路跳閘。

7) 覆冰引起。雨雪冰凍天氣時(shí),線路覆冰情況嚴(yán)重,鐵塔、導(dǎo)線覆冰厚度超過(guò)線路設(shè)計(jì)極限,從而導(dǎo)致線路倒塔斷線。

5.2 線路斷線防治

根據(jù)上述斷線原因,提出針對(duì)性的防治措施:

1)加大宣傳力度,營(yíng)造保電輿論氛圍,爭(zhēng)取相關(guān)部門的配合與支持。開(kāi)發(fā)新科技防盜產(chǎn)品,建立舉報(bào)、獎(jiǎng)勵(lì)制度等。

2)吊機(jī)違章操作是斷線故障的重要誘因,也是斷線防治的重點(diǎn),治理要求操作人員嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊車操作,派專人監(jiān)護(hù)吊車吊臂的動(dòng)作及運(yùn)轉(zhuǎn),防止吊車操作中吊臂接近或觸碰電線,造成斷線事故。

3)日常巡線過(guò)程中,加強(qiáng)關(guān)注電線相間搭接的異物,發(fā)現(xiàn)后及時(shí)清理,防止異物短路。同時(shí),定期開(kāi)展耐張塔紅外測(cè)溫工作,發(fā)現(xiàn)熱缺陷及時(shí)消缺處置。

4)制定輸電線路的防雷方式時(shí),綜合考慮線路的重要程度、系統(tǒng)運(yùn)行方式、線路經(jīng)過(guò)地區(qū)雷電活動(dòng)的強(qiáng)弱、地形地貌特征、土壤電阻率的高低等條件,確定出合理的保護(hù)措施。

5)定期開(kāi)展線路金具抽檢工作,及時(shí)更換腐蝕嚴(yán)重或抽檢不合格金具,保證輸電線路可靠性。

6)輸電線路設(shè)計(jì)階段合理范圍內(nèi)提升線路設(shè)計(jì)覆冰厚度,提升線路抗冰能力,減少倒塔、斷線事故。

6 結(jié) 語(yǔ)

110 kV線路單相斷線故障同時(shí)不伴隨接地的情況,可通過(guò)負(fù)荷側(cè)電壓的異常變化進(jìn)行判斷。負(fù)荷側(cè)主變不同接線方式電壓變化不同,可相互配合綜合判斷,有助加快故障定性,提升故障處置效率。此外,應(yīng)從防治層面減少斷線故障的發(fā)生、減少人為或自然界外力兩個(gè)防治角度出發(fā),制定合理的線路管理制度,真正減少該類故障對(duì)電網(wǎng)的影響。