110kV输电线路单相短路继而断线的故障分析

110kV输电线路单相短路继而断线的故障分析
发表时间：2018-06-08T10:44:10.373Z 来源：《电力设备》2018年第1期作者：马小军王鹏欧碧云张源[导读] 摘要：介绍了一起110kV输电线路B相短路接地进而断线的故障，通过分析故障录波图并结合故障现场实际查巡结果，来检验继电保护装置和故障录波装置是否正确动作，另外，通过理论计算和现场实际对比，论证了单相断线后两侧变电站母线电压的变化特点，并对调度监控界面的上传信号提出改进意见。

（宁夏电力有限公司检修公司宁夏银川 750011）摘要：介绍了一起110kV输电线路B相短路接地进而断线的故障，通过分析故障录波图并结合故障现场实际查巡结果，来检验继电保护装置和故障录波装置是否正确动作，另外，通过理论计算和现场实际对比，论证了单相断线后两侧变电站母线电压的变化特点，并对调度监控界面的上传信号提出改进意见。

关键词：短路；断线；继电保护；故障录波；调度 0 引言
电力系统输电线路的短路研究和应用已有很多，但大都只是就故障后保护装置的动作信息来判断故障类型，有时线路两侧保护装置的部分测量信息并不一致，给故障定性和故障点定位带来麻烦。

其实通过故障录波图可以了解很多故障后的真实信息，然后参照继电保护装置提供的信息来判断故障类型和性质，提高了专业人员判断的准确性，再结合现场实际查巡情况反过来检验保护和录波装置动作的正确性，还能够发现一些二次设备的隐蔽性缺陷。

在电力系统实际运行中，断线故障出现的概率很小，因此110kV及以下电压等级的线路保护在整定时没有考虑断线故障，这导致系统出现断线故障时继电保护会出现不可预知的动作情况[1]，分析和总结线路断线故障发生时的相关电气规律，对保护人员尤其是调度人员在故障发生后及时做出正确判断和事故处理有重要意义。

本文以某110kV输电线路发生短路继而断线的故障来分析探讨故障发生后的保护、故障录波以及母线电压的变化情况。

1 故障情况介绍
如图1，故障前，330kV甲站110kV母线通过111x断路器向110kV乙站110kV 11x断路器送电。

甲站主变压器中压侧直接接地，乙站主变压器高压侧接地刀闸打开，经保护间隙接地，输电导线型号为LGJ-185，线路全长19.18km。

线路保护为长园深瑞继保自动化的PRS-753D 型线路保护。

零序电流二次整定值为：Ⅰ段36.8A/0s，Ⅱ段12.1A/0.9s，Ⅲ段2A/1.2s，Ⅳ段2A/10s。

重合闸延时1s，TA变比750/5，TV变比110/0.1。

图1 系统运行方式接线图（英文）
某年05月03日01时31分11秒571毫秒保护装置稳态量比率差动保护动作、突变量比率差动保护动作，接着零序过流保护I段动作、距离保护I段动作，三相跳闸，故障测距11.46km，经延时重合闸动作，线路转运行。

随后调度员发现乙站B相母线电压降低至20kV左右,判断为断线故障，遥控断开11x,111x断路器。

故障后经巡线发现故障原因为线路48号杆塔处B相挂接塑料薄膜，导致B相经杆塔接地瞬时故障。

因线路年久老化，加之短路后电动力和电热力的冲击，导致B相跳弧线断裂，但未接地，如图2。

图2 跳弧线断裂现场 2 故障分析
2.1 从故障录波图分析短路故障[2]
图3 B相短路的故障录波图
下面通过波形估算故障点位置。

已知LGJ-185线路正序阻抗，零序阻抗。

B相接地测量阻抗一次值为
其中, 为短路点到保护安装处的正序阻抗，为接地电阻。

将测量阻抗在复平面上表示，如图4.
图4 保护装置测量阻抗的复平面矢量图
由图可得
所以保护安装处到故障点的距离估计值为
故障录波与保护装置测距信息一致。

至此，可以基本断定保护装置为正确动作。

2.2 单相断线故障特点的理论分析
2.2.1 单相断线后零序电流的决定因素
图1 B相断线后简化得图5系统接线图。

图5 简化系统接线图
系统M侧向N侧送电，M侧直接接地，N侧不接地，设B相断线，断口为mn，因断线前线路上有负荷电流，所以在断口mn上会产生纵向压降，断线后电流为0.对于A、C相因无断口，纵向压降为0，负荷电流存在。

根据边界条件可得B相断线后的各序电压、电流分量为：
（1）
（2）由（2）可得
（3）另由（1）（2）式可得图6单相断线序网图。

图6 单相断线序网图由叠加原理可得断线后的电气量等于断线后的故障量叠加断线前的正常量，因此令图6中的，则在故障电压作用下的故障电流分量为：
（4）
其中分别为两侧的三序阻抗之和。

再令则在正常情况下的负荷电流为：
（5）叠加的断线后B相电流为0，即
（6）由（1）（3）（4）（5）（6）可得系统最终的零序电流为
（7）由（7）可知，在系统运行方式确定的情况下，单相断线后系统的零序电流只与故障前的负荷电流有关，而与断线位置无关。

这一点和两相接地短路有很大区别。

本次断线事故中，由于乙站变压器中性点未接地，无零序电流通路，零序阻抗等效为无穷大，由（7）得零序电流为0，两侧保护均不动作。

若乙站中性点也接地，则系统中出现零序电流，此时两侧的零序功率方向均判为正方向，只要二次零序电流大于整定值，就会动作。

2.2.2单相断线后母线电压的变化特点[3] 图1各元件参数如下：
断口电压
330kV变电站110kV母线电压：
B相电压序分量为
因为甲站中性点接地，所以。

110kV母线电压为
可见，单相断线时供电侧的母线相电压下降并不明显。

110kV变电站110kV母线电压：
可见受电侧的B相母线电压严重下降至正常运行电压的20%左右，当时调度员正是根据这一现象判断B相断线，进而拉开两侧开关的。

3 结语
（1）在电力系统的运行中，各种短路故障时有发生，单相接地故障更为常见，在保护装置出现误动，特别是发生复杂故障或区域性电网事故时，仅由保护装置来判断是不全面的，甚至会出现前后矛盾的情况，在这种情况下，借助故障录波图可以较为准确、全面的判断故障类型、保护动作情况、是否正确动作，甚至能发现二次设备的一些隐蔽性缺陷。

（2）系统断线时相当于高阻接地，此时能起作用的只有零序保护，但由于系统一侧中性点不接地，零序电流为零，零序保护不能动作。

断线故障虽然不会引起像短路那样的危害，但在断线期间非故障相会出现负序电流，这会影响到发电机、变压器和用户异步电动机的正常运行，同时因为保护装置整定值没有考虑断线情况，这可能会造成继电保护出现不可预知的动作，给保护人员带来困惑。

本文论证了断线情况下系统零序电流只与系统接线方式和负荷电流有关，并论证了两侧母线电压的变化规律，了解断线后这些电气量的变化特点能够帮助保护人员尤其是调度人员快速、准确的判断故障，及时处理。

（3）目前330kV和110kV的变电站大部分都是无人值守变电站，就110kV侧中性点不接地系统而言，单相断线后由于没有保护动作，对于此类故障的判断和处理全靠调度人员遥控断开断路器。

在本次故障中从B相断线到最终调度人员遥控断开两侧开关，中间持续时间长达一个小时，在此非全相运行期间可能会造成故障范围的扩大或将现有故障发展成其他类型的故障，这对重要用户的供电和电网稳定运行是很不利的。

因此调度人员在平时应该进行小概率事故的模拟演练，熟悉各类故障的电气特征和告警信号，做到临危不乱，处理及时；再者，建议对调度自动化系统进行升级，监控界面上应能显示三相电流、电压和负荷突变等电气量信息，便于调度人员实时监控。

参考文献
[1] 薛峰. 怎样分析电力系统故障录波图[M].北京：中国电力出版社，2014：12-25
[2] 彭建宁，魏莉.110KV输电线路单相断线故障分析[J].继电器.2007年9月16日.第35卷18期
[3] 曹国宝.一起110KV线路单相断线故障分析与思考[J].电气工程与自动化.2011年第27期。