一起方向过流保护误动作的原因分析及对策

一起方向过流保护误动作的原因分析及对策
陈龙;叶影;杨晓林
【摘要】介绍了一起35 kV开关站所供用户侧变压器充电时产生励磁涌流导致系统侧含有分布式电源的35 kV开关站进线方向过流保护误动作经过.从原理上详细分析了事故发生的原因,并对今后如何预防这类事故提出了有效的解决方案.
【期刊名称】《电力与能源》
【年(卷),期】2018(039)006
【总页数】5页(P773-776,800)
【关键词】保护误动;励磁涌流;方向过流保护;分布式电源
【作者】陈龙;叶影;杨晓林
【作者单位】国网上海市电力公司金山供电公司 ,上海 200540;国网上海市电力公司金山供电公司 ,上海 200540;国网上海市电力公司金山供电公司 ,上海 200540【正文语种】中文
【中图分类】TM77
随着国家鼓励新能源发电政策的实施以及资源的综合利用，风电、天然气三联供及光伏发电等小电源发电项目逐步接入配电网。

与此同时也不可避免地对电网的调度运行、保护配置等诸多方面产生不利影响。

传统的35 kV配电网线路配置了电流速断、过电流保护[1]。

随着分布式电源的大量接入，目前配电网已从单侧电源转变成为了双侧电源，这势必增加了继电保护配置的难度和复杂程度[2-4]。

为了适
应分布式电源的接入，在相应线路的两侧均需装设保护装置，为了防止保护的误动作必须在可能误动作的保护上增设功率方向闭锁元件。

该元件在短路功率方向由母线流向线路时可靠动作，而当短路功率方向由线路流向母线时可靠不动作，从而使继电保护的动作具有一定的方向性[5-6]。

1 事故简介
1.1 电网接线方式
某电网系统接线图如图1所示。

甲站为系统侧35 kV开关站，其一次主接线采用单母线分段接线方式；乙厂为35 kV分布式光伏发电站，分别通过102、202线路经与甲开关站相联接并网；丙厂为一家35 kV双电源用户站，分别通过103、203线路与甲站相联接；丁站为为甲站的上级电源变电站，分别通过101、201线路与甲站相联接。

其中，甲站内101和201开关使用配置了纵联差动和方向过流保护作为线路保护的主保护以及小电源供电的时的后备保护，采用南瑞继保的PCS-9613D型微机装置；35 kV分段100开关装设配置了备自投装置，采用南瑞继保的PCS-9651D型微机保护装置；此外甲站35 kV一、二段母线还装设有故障解列装置，为南瑞继保的PCS-9658D型微机装置。

图1 某电网系统接线图
1.2 事故前电网的运行方式
(1)系统开关站甲站101、102、103、201、202、203开关闭合，100开关热备用，35 kV分段备自投投入，其中103出线无负荷。

(2)小电源光伏发电站乙厂正常发电，102、103两条线路发电功率为10 MW；用户站丙厂内103开关在冷备用，203开关正常运行带有1 MW负荷；电源站丁站101、201开关运行状态。

1.3 事故发生过程
当日用户站丙厂103开关所供1号主变检修完毕，操作人员执行丙厂103开关改运行操作对丙厂内的1号主变进行充电。

在丙厂内103开关改运行时，甲站101
线路方向过流I段AB相动作，开关跳闸，35 kV分段备自投动作；备自投联跳102开关(光伏发电小电源乙厂)，合35 kV分段开关；瞬时甲站201线路方向过
流I段AB相动作，开关跳闸，35 kV二段母线失电，35 kV二段母线故障解列动作，202开关(光伏发电小电源乙厂)跳闸。

此时系统开关站甲站全站失电，甲站两路电源进线101、201线路处于空载充电运行状态。

甲站内开关动作具体情况如
图2所示。

图2 事故发生后电网接线图
2 35 kV方向过流保护误动作原因分析
2.1 方向过流保护
过电流保护一般称为III段电流保护，是一种以躲过线路的最大负荷电流来整定的
保护装置[6]。

正常运行时不应该启动，电网发生故障时能反应于电流增大而动作。

一般情况下，它不仅能够保护本线路的全场全长，也能保护相邻线路的全长，起到后备保护的作用。

过电流保护的定值：
(1)
式中 Kk——可靠系数，一般取1.15～1.25；Kzq——电动机自起动系数，数值大于1，由网络具体接线和负荷性质决定；Kh——电流继电器的返回系数，一般取0.85；Imax——流过线路的最大负荷电流。

在双侧电源网络接线中，由于线路两侧都有电源，为了合上和断开线路，在每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。

过电流保护中，反方向短路一般很难以电流整定值躲开，而需要在每个保护上加装功率方向元件。

该元件只当功率方向由母线
流向线路时动作，而当短路功率方向由线路流向母线时不动作，从而使保护继电器的动作具有一定的方向性。

按照这个要求配置的功率方向元件及规定的动作方向如图3所示，即构成了方向过流保护。

图3 方向过电流保护原理接线图
利用判别短路故功率的方向或电流、电压之间的相位关系，就可以判别发生故障的方向。

用以判别功率方向或测定电流、电压间相位角的继电器称为功率方向继电器。

由于它主要反应于加入继电器中电流和电压之间的相位而工作，因此用相位比较方式最为简单。

一般的功率方向继电器当输入电压和电流幅值不变时，其输出(转矩
或电压)值随两者间相位差的大小而改变，输出为最大时的相位差称为继电器的最
大灵敏角。

为了在最常见的短路情况下使继电器动作最灵敏，采用接线的功率方向继电器应做成最大灵敏角φsen.max=φk。

又为了保证当短路点有过渡电阻、线路阻抗角φk在0°～90°范围内变化情况下正方向故障时，继电器都能可靠动作，继电器动作的角度范围通常取为(电压超前电流)φsen.max±90°。

其动作方程可表示为
φsen.max+90°≥≥φsen.max-90°
(2)
为了减小和消除死区，在实际应用中广泛采用90°接线方式，即采用非故障的相间电压作为接入功率方向元件的参考相量来判别故障相电流的相位。

此动作特性在复数平面上是一条直线，如图4所示，阴影部分为动作区。

图4 功率方向继电器的动作特性
特别指出，在正常运行情况下，位于线路送电侧的功率方向继电器，在负荷电流的作用下，一般都是处于动作状态，其触点是闭合的。

2.2 变压器励磁涌流特性
当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，可能出现数值很大的励磁电流
[7-8]。

这是因为如果变压器在空载合闸时，正好在电压瞬时值u=0时接通电路，则铁心中具有磁通-φm。

但是由于铁心中的磁通不能突变，因此将出现一个非周
期分量的磁通，其幅值为+φm。

这样在经过半个周期以后铁心中的磁通就达到了
2φm。

如果铁心中还有剩余磁通φr，则总磁通将为2φm+φr。

此时变压器的铁
心严重饱和，根据铁心磁化曲线，此时励磁电流IE将急剧增大，此电流就称为变
压器的励磁涌流IEF，其数值最大可达额定电流的6～8倍，同时包含有大量的非
周期分量和高次谐波分量。

三相变压器由于三相电压之间有120°的相位差，因此
在任何情况下空载投入变压器，至少在两相中要出现不同程度的励磁涌流[9]。

2.3 方向过流保护误动原因分析
系统开关站甲站101、201线路方向过流保护配置为PCS-9613D方向过流保护，采用90°接线方式，三相方向元件动作边界误差在2°范围内，最大灵敏角
φsen.max=45°。

电流元件在0.95倍整定值不动作，1.05倍整定值可靠动作；方向过流保护所用流变极性为减极性。

事故发生后，继保人员对甲站的保护装置、二次回路接线、35 kV一段压变极性进行了检查。

通过试验排除了由于压、流极性错误导致的保护动作的可能性，与此同时调阅了继电保护故障录波并进行了比较(见图5、图6)。

图5 甲站101开关保护动作故障录波
图6 甲站201开关保护动作故障录波
通过对比分析可知，甲站101和201保护动作后，保护安装处所采集到的A、B、C三相电流具有如下特点：(1)均偏于时间轴的一侧；(2)有很大的间断角度；(3)利用软件分析均含有较高的直流分量和谐波分量；(4)在同一时刻三相电流之和近似
为零，PCS-9613中零序电流几乎为0；由此可以得出故障录波所采集到的电流具有励磁涌流特性。

此外甲站35 kV母线电压在事故过程中线电压一直正常，并未
发生过存在短路故障时的电压急剧下降[6]，因此可以基本排除由于电网故障造成
保护动作的可能性。

进一步以甲站进线101开关A相方向过流继电器为例进行分析(如图7所示)。

图7 A相功率方向继电器动作情况分析
小电源乙厂通过102线并网容量为10 MW，为了保证方向过流保护的灵敏性，整定值按1.2倍的机组最大出力电流来进行整定，时限为0 s，且在最小运行方式下
无法保证灵敏性[10]。

正常运行时，IA为流经甲站进线101线的电流，由于小电
源乙厂处于并网发电状态，且甲站母线所带负荷较小；正常运行方式下，IA方向
均为母线指向线路，即IA与UA同向(忽略线路阻抗)，所以功率方向继电器一直
处于开放状态，其触点是闭合的。

在用户站丙厂操作103开关对主变进行冲击时
产生的励磁涌流IE(纯感性)使得流经甲站101线的合成电流IK′=IA+IE幅值超过
了整定值，且功率方向处于动作区内，进而使得甲站101进线方向过流保护动作，101开关跳闸。

同理甲站102进线方向过流保护动作致使102开关跳闸亦是如此。

通过比较故障录波装置所采集到的电流IA、电压UA波形可以看出UA超前IA近90°，这也验证了功率方向继电器处于动作区内[11-12]。

通过分析，基本上可以确认本次方向过流保护动作系为用户变压器空投时产生的励磁涌流叠加小电源并网电流达到保护定值引起保护误动作。

3 结语
本文阐述了一起正常运行方式下，分布式电源接入电网受励磁涌流的影响，造成的方向过流保护误动。

(1)加强电网规划管理，对分布式电源特别是光伏发电系统接入电网的可靠性进行
科学合理评估，确保分布式电源并网容量适度[13-15]。

(2)为避免类似事故重演，一方面保护整定要确定合理的保护定值，考虑不同运行
方式对保护装置的影响并加入时间延时来躲过励磁涌流；一方面应增加电压闭锁元件进行辅助判别，正常运行时线路电压正常，电压闭锁元件闭锁保护，防止保护误
动，存在电网故障时，线路电压下降，电压闭锁元件开放保护。

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