一起35 kV系统非金属性三相短路保护动作行为分析

2011-06-07戴网虎汤大海陈永明

电力工程技术 2011年6期

戴网虎，汤大海，曹斌，陈永明

（镇江供电公司，江苏镇江 212001）

2010年5月，镇江供电公司某110 kV变电所35 kVⅡ段母线系统（不接地系统）曾发生了一起由于B相单相接地，引起2号主变35 kV复合电压过流一段保护动作跳闸，而35 kV出线保护一套未动作。为什么单相接地时主变35 kV后备保护动作而35 kV出线保护不动作？通过调查和短路电流分析发现这是一起由于B相单相接地而引起其他两相电压升高造成这两相绝缘下降，引发了非金属性三相短路造成的。由于35 kV出线采用两相两继电器方式接线，且所有电流互感器（TA）接于出线A相、C相两相，虽然在单相接地的出线B相电流很大，但B相无TA不能反映该线路故障，同时分到本线路和其他线路A相、C相的短路电流却很小，而主变后备保护电流采用三相星型方式接线，B相单相接地引起的非金属性三相短路，因而造成上述保护的动作行为。

1 事故经过及继电保护动作情况

1.1 事故发生经过

2010年5月31日5时47分31秒，某110 kV变电站2号主变35 kV后备保护动作启动，648 ms后35 kV侧复压过流一段出口，跳开主变中压侧302开关；在保护启动时35 kV小电流接地选线系统报368线路接地。故障发生后，经现场检查一、二次设备，各保护设备经试验无异常，35 kVⅡ段母线查无异常，后经巡线发现368线路B相接地。处理好接地故障后系统恢复正常运行方式。

1.2 事故时系统运行方式

故障前系统一次接线如图1所示，110 kV 730线路供2号主变，700开关热备用，35 kV母线分列运行，302开关供35 kVⅡ段母线。

2 短路电流和保护动作行为分析

如果故障点在母线及主变中压侧引线上,那么主变保护的动作行为正确。但经现场认真检查母线及主变中压侧引线，排除了此处发生故障的可能性，并且线路接地处理好后系统恢复正常。

2.1 保护装置动作录波图分析

为什么单相接地，主变35 kV侧复压过流一段动作跳闸，而35 kV出线保护没有跳闸呢？故障发生后，继电保护专业人员立即赶往现场，调阅了2号主变保护装置动作记录，装置动作报文显示：

打印故障时2号主变中压侧后备保护录波图，如图2所示。

根据录波图，B相二次故障电流7.175 A明显达到并超过中压侧复压过流Ⅰ段定值6.9 A（二次值），2号主变中压侧后备保护装置动作正确。由于35 kV出线录波数据很小与负荷电流差不多，故没有参考价值。取故障时某一时刻相关录波矢量值（二次值），如表1所示。

表1 故障时各录波故障量

2.2 保护TA配置分析

本变电站35 kV出线安装两相TA，采用两相两继电器方式接线，且所有TA接于出线A相、C相；主变后备保护电流采用三相星型方式接线。这样接线方式满足规程要求，是可行的。

2.3 保护定值配合正确性分析

保护装置无异常，那么是不是保护配置存在问题?且查阅相关定值单。

（1）2号主变35 kV侧配置后备保护（TA变比为1 500/5）。复压过流Ⅰ段整定电流6.90 A（一次值为2 070 A），时间0.6 s，跳2号主变35 kV侧302开关；复压过流Ⅱ段整定电流3.90 A（一次值1 170 A），时间1.7 s，跳2号主变35 kV侧302开关；其中2号主变35 kV复压过流Ⅰ段主要按35 kV母线故障有≥1.5倍的灵敏度整定[1]。

（2）35 kV各出线保护。电流速断保护整定电流最大1 800 A，时间为0 s；延时电流速断保护整定电流最大1 780 A，时间为0.3 s；过电流保护整定电流最大700 A，时间为1.4 s。其中电流速断保护主要按躲过出线上最大供电变压器低压母线故障流过本保护的最大短路电流整定；延时电流速断保护主要按线路末端故障有一定的灵敏度整定；过电流保护主要按躲过出线上最大负荷电流整定[1]。

以上保护定值完全按DL/T 584—2007规程进行整定，符合逐级配合的整定原则，正常情况下，当线路上发生了短路故障时，线路保护一般能先于主变后备保护动作，所以保护TA配置及相互配合上是没有问题的。

2.4 短路故障计算分析

通过上面保护动作行为分析，发现不管是保护装置，还是保护定值及定值之间的配合，都符合规程规定的要求，那为什么B相单相接地，主变35 kV侧复压过流一段动作跳闸，而35 kV出线保护却没有跳闸？通过对录波数据分析，发现三相均有电流，且不对称，其中B相电流最大，由此可见，这是一起典型的单相接地引起的非金属性三相短路。

假设35 kV电源系统三相对称，则EA=a EB=a2EC，其中a=ej120°。该35 kV系统发生非金属性三相短路的等值电路如图3所示。

表2 故障时各故障量

表2中35 kVⅡ段母线各相对地等值阻抗由各自35 kVⅡ段母线电压和主变35 kV侧各相电流算出。由图3可得方程：

将表2数据代入方程式（2—4），得到下列方程：

由于35 kV系统中性点不接地，零序电流为系统的电容电流，在进行短路电流计算时可以忽略不计，由故障时的等值电路图可以得出：++=0。同时通过主变保护录波量可验证得到：++=0.014 1e-j123°。这就是说母线上的零序电压等于故障点的零序电压，即该电网中的零序电压处处相等,与故障点的位置无关[4]。于是有：

将 U0结果代人方程式（5，6），得：

解式（8，9）得到短路时，EA=20.449ej1143.82°kV，电源线电压为35.41 kV，Z0=3.784ej84.41°Ω。其中，Z0与理论短路电流计算用的35 kV母线的系统电源等值阻抗3.45～5.48 Ω的结果很接近，且角度也接近90°，证明上述假设与电网实际发生的情况是一致的。由短路电流分析与录波图可以得出，这是一个典型的非金属性三相短路[2，3]。

2.5 保护动作行为分析

由ZB=1.649 4 Ω可以确定，B相接地点离母线较近，查阅线路资料，B相接地的368线路的首端线路为电缆，长度为0.512 km，短路阻抗和角度均符合该电缆发生短路的情况；同时由ZA=15.589 7 Ω，ZC=31.704 6 Ω可以确定，A相和C相对地等值电阻较小，联系到此变电站地处化工园区，35 kV出线较多；同时根据小电流接地系统单相金属性接地，另外两相对地电压升高为线电压的特性，进一步加剧A相和C相对地绝缘下降，由此可判断这是一起由于小电流接地系统B相接地，A相和C相对地整体绝缘下降，由多条35 kV出线A相和C相多点提供短路电流的一起非典型短路故障。据此可画出如图4所示的B相接地时的电网图。

由于本变电站35 kV线路保护采用A相和C相两相不完全星型电流接线，根据2号主变35 kV后备保护录波图可以看到，A相和C相两相最大电流为A相4.93 A（二次值），虽然368线路B相故障电流很大，但B相没有装设TA，不能反映本线路发生故障了；同时本线路和其他线路A相和C相两相各自分得的电流却很小（共有7条线路，假设每条线路均相等，则每条线路分得的电流为1 481/7=212 A；即使每条线路不均衡，但每条线路分得的电流也不是很大，可以肯定，线路越多，每条线路分得的电流就越小，由35 kV出线保护录波证明了这一结论），加上该线路负荷电流后可以看出远小于线路延时电流速断保护定值（最小1 200 A，0.3 s），因此线路保护不会动作。

而主变保护采用了三相电流完全星型接线，B相故障电流7.175 A（二次值）大于主变中复压过流Ⅰ段6.9 A（二次值）的定值，因此故障达到2号主变35 kV复压过流Ⅰ段时间定值后动作跳闸，该保护动作行为是正确的。