含分布式电源变电站雷击跳闸事故案例分析
张瑞程 孙英洲 李雪晨 王鑫
摘要：分布式电源并网数量与日俱增给电网第一道防线带来冲击与挑战，原有的继电保护配置急需进一步优化和改进。针对110kV成家楼变电站进线段遭雷击跳闸，导致35kV侧Ⅱ段母线甩负荷事故，着重对事故中暴露的线路重合闸及备自投装置未动作问题进行分析和研究。研究表明，110kV线路距离保护配置和35kV侧分布式电源反送电形成的孤岛效应是本次雷击跳闸的关键问题所在。针对存在问题及隐患，提出将原距离保护替换成纵联差动保护作为线路主保护，并利用其远跳功能切除分布式电源的并网线，进而提高保护装置可靠性，保障大电网安全稳定运行。
关键词：分布式电源;重合闸;备自投;距离保护;纵联差动保护
随着光伏、风力、生物质能发电等几十千瓦到几十兆瓦的分布式电源不断接入电网系统，原有的单侧电源放射状供电网络逐步变为含中小型电源的多侧电源供电网络[1，2]。然而多端供电网络会对原有的线路保护配置、重合闸及备自投装置动作产生重要影响，容易扩大故障范围甚至母线甩负荷造成大面积停电[3]。本文以含分布式电源的110kV成家楼终端变电站雷击跳闸事故为例，详细描述了事故前后经过及紧急处置措施，着重剖析了进线线路重合闸及110kV备自投装置未动作原因，最后结合相关规程提出针对性改进措施。
1 110kV变电站雷击跳闸事故概况
1.1 110kV变电站系统运行方式
本次事故主要涉及220kV南流泉和110kV成家楼两座变电站。如图1所示，南流泉站110kV南成线带成家楼站2#主变运行，110kV成家楼站采用分段备投配置，站内35kV良庄电厂通过35kV成良线并网，35kVI、Ⅱ母线分列运行。
1.2 雷击跳闸事故过程
2018年5月16日凌晨4点110kV南成线9号塔落雷，南流泉站110kV南成线距离I段、零序I段保护动作，重合闸及备自投装置未动作。电网失去负荷30MW，导致200多户停电，其中不乏化工、冶金等重要用户。
事故变电站运行方式图
运维部门结合保护装置给出的故障点参考距离立即展开巡视，最终确定故障点距离南流泉站1.5km。故障发生17分钟后，地调令良庄电厂解列。随后成家楼站35kV备自投动作，全站负荷备投至#1主變供电。故障发生25分钟后，地调强送110kV南成线成功。110kV成家楼站逐步恢复原有运行方式，良庄电厂也恢复并网。本次事故影响范围的扩大与35kV侧良庄电厂并网有直接关系。
2 事故过程分析与研究
2.1 距离保护未完全动作原因
由1.1节可知，雷击跳闸瞬间，南流泉站110kV南成线距离I段、零序I段保护动作，但对侧成家楼站距离保护和零序保护均未动作，所以110kV南成线在整个事故过程中并未完全切除。
由于本次雷击跳闸为瞬时性故障，故只有距离I段保护动作，又因为落雷点距离220kV南流泉站近，离110kV成家楼站远，超出了成家楼站距离I段的保护范围，故只有南流泉站距离I段保护动作。零序保护动作原理类似。
2.2 分布式电源并网运行对供电可靠性影响
分布式电源并网联络线与系统解列后，与负载形成独立的孤岛系统。孤岛系统的危害性主要表现在三个方面，一是谐波较大，用户电能质量无法得到保证;二是电压和频率偏离额定值，容易损坏发电机叶片和用户电机;三是孤岛系统不受控制，随时可能全停，供电可靠性无法得到保证[4]。
2.2.1 对线路重合闸的影响
与主电网的联络线路故障时，线路保护动作跳闸，分布式电源通过并网线对联络线反送电，无法满足主网电源侧和分布式电源侧检无压、检同期重合闸条件。
2.2.2 对主变压器影响
对分布式电源侧有中性点接地的系统，由于分布式电源提供的短路电流可能使不带方向闭锁的主变复合电压闭锁过流动作，进一步扩大事故范围。
此次故障时，成家楼站南成线保护没有动作，良庄电厂无法切除，电厂通过并网线反送到南成线，线路电压保持因此重合闸和备自投装置均未动作，良庄电厂与35kV侧的Ⅱ段母线形成孤岛运行。故障跳闸后良庄电厂除了带自身负荷，还反带南成线的负荷，总负荷超过机组容量，电厂在甩掉部分负荷后达到了发供平衡，形成了孤岛系统，地调必需迅速将良庄电厂解列。
2.3 结论
综上分析，雷击线路跳闸后导致的甩负荷及孤岛运行风险，本质原因是传统三段式距离保护不能快速保护线路全长。
3 解决方案与整改措施
3.1 解决方案
为了可靠并快速的切除故障线路及系统中已并网的分布式电源，杜绝恶性停电事故，本文提出以下两种解决方案。
方案1：在成家楼站的进线开关QF1处加装监控装置，该监控装置具备检测开关QF1处的电压、电流、功率方向等功能。
以本案例中的单母线分段运行方式为例，正常运行时，进线开关QF1处的功率方向为线路指向母线，当电源进线线路发生故障时，由于低压侧分布式电源的接入，此时流过QF1的功率方向为母线指向线路。当发生雷击等外部破坏导致对侧开关跳闸，进线电源消失，110kV母线有电压无流，接点动作出口跳开QF1，同时将分布式电源的并网接入开关QF7快速切除。
本方案的不足之处在于当上一级变电站中与系统电源相邻进的出线发生故障时功率元件将会误动，220kV南流泉站中与南成线相邻的110kV线路故障时，QF1处的功率方向为母线指向线路，当110kV母线负荷较低，流过QF1的电流低于电流动作门槛值将导致QF1误动，存在一定风险。本方案优势在于对原有变电站改动较小，改造成本较低且容易实现。
方案2：将原进线线路保护改造为全线速动的光纤纵差保护。一旦进线线路发生故障，线路两侧开关跳闸的同时，联跳分布式电源接入开关QF7。线路重合闸和备自投装置检无压启动，以最快速度切除故障线路并将故障线路所带负荷备投至相邻母线。
电流纵联差动保护具有诸多优点：能正确判别输電线路内部故障和外部故障，流入差动继电器的电流矢量和不受系统运行方式、非全相运行和系统振荡等影响，本身就具有选相功能，相比于传统的过电流和距离保护具有显著优势。
综合比较方案1与方案2，方案1改造成本低且易于实现，但其装置存在一定误动风险，不能完全满足继电保护装置的可靠性要求。方案2虽然存在改造成本偏高、工作量偏大的缺点，但纵联差动保护的本质特点决定了其在选择性和可靠性上的固有优势，是坚强智能电网发展的可靠保障。故选择方案二。
3.2 整改措施
本文以南瑞继保公司的PCS-943T系列高压输电线路成套保护装置为基础，对输电线路的纵联差动保护配置作进一步说明。
电流差动继电器作为线路主保护的核心元件，由变化量相差动继电器、稳态相差动继电器、零序差动继电器和差动联跳继电器等四部分组成。本侧跳闸联跳对侧功能是指本侧保护动作元件动作后立即发联跳信号给对侧，对侧收到联跳信号后启动保护，结合差动允许信号联跳保护。
4 结论
通过此次案例的分析研究可以认识到，在保护工作中要对新增线路严格按照省调《审查要点》要求配置纵差保护。编制《综合能源保护配置一览表》，对现存分布式电源并网还未配置纵差保护的线路，列计划尽快实施改造[5]。为综合能源推荐最优保护配置，协商共赢。做好设备管理，确保站内远动及故障录波器信息上送及时、准确，为地调部门快速判断故障情况提供有力的支撑。
参考文献：
[1]李晋民.继电保护和安全自动装置技术发展分析[J].电力学报，2008（01）：50-53.
[2]梁东明，黄智勇.备用电源自投装置在地区110kV电网的应用[J].高电压技术，2003（08）：57-59.
[3]曹润彬，董新洲，何世恩.事故过负荷情况下距离保护的动作行为分析[J].中国电机工程学报，2015，35（13）：3314-3323.
[4]黎瀚.小电源并网运行可靠性及故障解列问题探讨[J].广西轻工业，2009，25（11）：46-47.
[5]Mathieu Weil，Fabienne Remize，Noel Alter，Mathilde Hoarau，Jean Christophe Meile.Effect of processing on microbial safety of wild pepper（Piper borbonense）from Reunion Island[J].Elsevier Ltd，2020，111.
