兩起小電阻接地系統(tǒng)繼電保護(hù)動作事件分析

閆 石, 王 偉

(1.深圳市機(jī)場(集團(tuán))有限公司，廣東 深圳 518128; 2.中油電能有限公司 電力技術(shù)服務(wù)公司，黑龍江 大慶 163700)

0 引 言

城市10～35 kV供電系統(tǒng)廣泛采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式以抑制大量使用電纜帶來的諸多不良影響[1-7]。因小電阻接地系統(tǒng)通常采用Z聯(lián)結(jié)接地變作為人造中性點(diǎn)[8]，使得繼電保護(hù)的配置整定有其特殊之處，若整定不當(dāng)，會導(dǎo)致事故的擴(kuò)大。該文通過對某用戶35 kV供電系統(tǒng)的兩起繼電保護(hù)動作事件的分析，提出小電阻接地系統(tǒng)繼電保護(hù)整定的注意事項(xiàng)。

1 35 kV接地變保護(hù)動作

某110 kV變電站的35/0.4 kV ZNyn11接地變帶站內(nèi)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)35 kV側(cè)電流速斷保護(hù)動作跳閘。保護(hù)裝置錄得故障波形如圖1所示，圖1中的波形自上至下依次為接地變保護(hù)三相電流、35 kV母線三相電壓。從故障波形可知，A、B相電流與C相電流反相，A、B相電流幅值相同且是C相電流的二分之一。三相電壓變化不大，基本對稱，說明故障點(diǎn)至母線之間的阻抗很大，這是典型的穿越性故障特征。判斷為接地變0.4 kV側(cè)B、C相間故障(見圖2中K1處)。

圖1 故障錄波一Fig.1 Fault recording Ⅰ

圖2 短路故障示意圖Fig.2 Schematic diagram of short circuit fault

圖3 ZNyn11接地變y側(cè)B、C相短路復(fù)合序網(wǎng)Fig.3 Compound sequence networks of B to C phase fault in y side of ZNyn11 grounded transformer

(1)

接地變保護(hù)電流(TA1處)為

(2)

(3)

(4)

故障錄波中的三相電流波形特征與式(2)～(4)吻合，35 kV母線電壓變化不大，是由于接地變阻抗較大導(dǎo)致(399.33 Ω)。采用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件仿真得出的故障電流波形(圖4),與故障錄波波形也相吻合。

圖4 故障仿真一Fig.4 Fault simulation Ⅰ

但接地變0.4 kV側(cè)出口故障應(yīng)由其35 kV側(cè)過電流保護(hù)動作切除，電流速斷保護(hù)是不反映0.4 kV側(cè)故障的，核對接地變保護(hù)定值為電流速斷保護(hù)定值90 A，0 s；過電流保護(hù)定值60 A，1.7 s。忽略系統(tǒng)阻抗，將主變阻抗3.24 Ω、接地變阻抗399.33 Ω代入式(1)、(4),可得接地變0.4 kV側(cè)相間故障時(shí),35 kV側(cè)保護(hù)處B、C相電流幅值約為50 A，而過電流保護(hù)定值為60 A，過電流保護(hù)對0.4 kV側(cè)故障完全沒有靈敏度。檢查一次設(shè)備發(fā)現(xiàn)接地變0.4 kV側(cè)B、C相繞組及引出線燒毀，這說明由于過電流保護(hù)無法切除0.4 kV側(cè)相間故障，導(dǎo)致故障發(fā)展至接地變繞組燒毀，最終故障電流達(dá)到電流速斷保護(hù)定值后，由電流速斷保護(hù)動作切除故障。

2 35 kV線路保護(hù)動作

某110 kV變電站的35 kV母線空載時(shí)1回35 kV電纜線路送電時(shí)光纖電流差動保護(hù)動作跳閘。故障錄波器錄得故障波形如圖5所示，圖5中的波形自上至下依次為35 kV母線三相電壓、故障35 kV線路三相電流、接地變35 kV側(cè)三相電流。從故障波形可知A相電壓幅值接近零，接地變35 kV側(cè)三相電流幅值、相位相同，故障35 kV線路B、C相電流為零，A相電流幅值是接地變35 kV側(cè)單相電流幅值的3倍，且相位相反，這是典型的小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障特征。判斷為35 kV線路單相接地故障(見圖2中K2處)。

圖5 故障錄波二Fig.5 Fault recording Ⅱ

圖6 35 kV線路A相接地故障復(fù)合序網(wǎng)Fig.6 Compound sequence networks of A phase grounding fault in 35 kV line

A相故障點(diǎn)電流為

故障35 kV線路三相電流(TA3處)為

(6)

(7)

(8)

接地變35 kV側(cè)三相電流(TA1處)為

(9)

故障錄波中的三相電流波形特征與式(5)～(9)吻合?？紤]故障線路較短(不足1 km)及送電時(shí)系統(tǒng)空載，忽略系統(tǒng)阻抗、對地容抗、線路阻抗、過渡電阻，按主變阻抗3.216 Ω、接地變阻抗62.72 Ω、接地電阻33.68 Ω仿真得出的故障電流波形見圖7，與故障錄波波形也相吻合。核對保護(hù)定值為35 kV線路零序電流保護(hù)定值100 A，0.9 s；35 kV接地變零序電流保護(hù)定值30 A，第一時(shí)限1.4 s跳分段斷路器，第二時(shí)限1.7 s跳主變變低斷路器。可以看出由于故障線路配置了光纖電流差動保護(hù)及電纜線路接地故障時(shí)的過渡電阻通常較小，線路保護(hù)與接地變保護(hù)的零序電流保護(hù)不完全配合才沒有導(dǎo)致保護(hù)誤動。

圖7 故障仿真二Fig.7 Fault simulation Ⅱ

3 繼電保護(hù)的整定

3.1 零序電流保護(hù)

結(jié)合第2節(jié)分析可知，接地變零序電流保護(hù)作為接地變和母線單相接地故障的主保護(hù)和系統(tǒng)各元件的總后備保護(hù)，應(yīng)與母線各連接元件的零序電流保護(hù)完全配合。如第二個(gè)動作事件中，為躲區(qū)外單相接地故障時(shí)本線路的電容電流，故障線路的零序電流保護(hù)定值整定為100 A，則接地變零序電流保護(hù)定值至少為110 A，防止其越級誤動。對于城市軌道交通供電系統(tǒng)，其線路電容電流遠(yuǎn)大于城市10 kV配電線路僅數(shù)十安培的電容電流，可能高達(dá)上百安培，若線路零序電流保護(hù)按躲區(qū)外單相接地故障時(shí)本線路的電容電流整定可能導(dǎo)致保護(hù)的靈敏度降低，此時(shí)應(yīng)綜合考慮接地電阻的選擇，單相接地故障電流不宜過小，DL/T 584—2017《3 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程》建議以1 000 A左右為宜[9-11]。

當(dāng)接地變接于主變變低母線時(shí)，其零序電流保護(hù)2時(shí)限跳主變變低斷路器時(shí)應(yīng)聯(lián)跳主變變高斷路器。若主變變低引出線發(fā)生單相接地故障(見圖2中K4處)，接地變零序電流保護(hù)動作跳主變變低斷路器后仍無法切除故障。而主變后備保護(hù)無法及時(shí)切除故障，如40 MVA、110/35 kV、10.5%主變及50 MVA、110/10 kV，16%主變的后備保護(hù)定值按主變額定電流整定，對500 A左右的單相接地故障是沒有靈敏度的，只能由單相接地故障發(fā)展至相間故障后動作切除。該變電站電源側(cè)的線路接地距離Ⅲ段四邊形保護(hù)也無法切除故障，其測量阻抗為

(10)

(11)

(12)

圖8 主變d側(cè)小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障，Y側(cè)接地距離保護(hù)的測量阻抗Fig.8 Measuring impedance of distance protection for a phase grounding fault in d side of main transformer

接地變零序電流保護(hù)必須采用其中性點(diǎn)零序TA(圖2中的TA0)，否則采用接地變Z側(cè)TA(圖2中的TA1)，接地變Z側(cè)引出線發(fā)生單相接地故障時(shí)(見圖2中K3處)，因接地變零序電流保護(hù)僅反映系統(tǒng)電容電流而不反映單相接地故障電流，而導(dǎo)致無法切除故障，其復(fù)合序網(wǎng)如圖9所示。

圖9 接地變Z側(cè)引出線A相接地故障復(fù)合序網(wǎng)Fig.9 Compound sequence networks of A phase grounding fault in Z side of grounder transformer

3.2 相間電流保護(hù)

小電阻接地系統(tǒng)中母線連接元件的相間電流保護(hù)與常規(guī)整定相同，但接地變的相間電流保護(hù)整定則與系統(tǒng)單相接地故障相關(guān)。結(jié)合第2節(jié)分析可知，為了保持零序通道有較大單相接地故障電流，讓零序電流保護(hù)靈敏反映單相接地故障，接地變相間電流保護(hù)在區(qū)外接地故障時(shí)不能誤動，否則失去接地中性點(diǎn)后故障變?yōu)椴唤拥叵到y(tǒng)的接地故障，將導(dǎo)致接地故障無法及時(shí)切除、弧光接地過電壓等不良后果。小電阻接地系統(tǒng)的相間故障電流遠(yuǎn)大于單相接地故障電流，接地變電流速斷保護(hù)可以躲過區(qū)外接地故障時(shí)流過接地變的最大故障相電流。但過電流保護(hù)按此原則整定，則無法滿足對接地變0.4 kV故障的靈敏度，會導(dǎo)致故障擴(kuò)大。如第一個(gè)動作事件中，接地變過電流保護(hù)按33 A整定，是無法躲過區(qū)外接地故障時(shí)流過接地變的約200 A相電流。工程實(shí)踐中，按躲過接地變額定電流，并保證對0.4 kV側(cè)故障有靈敏度整定，而通過延長動作時(shí)間來兼顧上述要求，動作時(shí)間大于接地變零序電流保護(hù)的動作時(shí)限。

4 結(jié) 語

1)為避免線路零序電流保護(hù)因躲區(qū)外單相接地故障時(shí)本線路電容電流整定而導(dǎo)致的靈敏度差甚至無靈敏度的問題，對于電容電流較大的系統(tǒng)，應(yīng)綜合考慮接地電阻的選擇，單相接地故障電流不宜過小。

2)接地變零序電流保護(hù)應(yīng)與母線各連接元件的零序電流保護(hù)完全配合。接地變零序電流保護(hù)應(yīng)采用中性點(diǎn)接地電阻處的零序電流互感器，否則無法正確反映接地變Z側(cè)引出線單相接地故障。當(dāng)接地變接于主變變低母線時(shí)，接地變零序電流保護(hù)動作應(yīng)聯(lián)跳主變變高斷路器以避免死區(qū)故障。

3)接地變過電流保護(hù)應(yīng)保證對接地變0.4 kV側(cè)故障有靈敏度，通過動作時(shí)間與接地變零序電流保護(hù)動作時(shí)間的配合在區(qū)外單相接地故障時(shí)不誤動以保持零序通道。