特高压荆门站串联变压器间单相接地故障分析

汪杨凯， 郑文琛， 雷 雨

(国网运行宜昌超高压管理处， 宜昌 443002)

特高压荆门站串联变压器间单相接地故障分析

汪杨凯， 郑文琛， 雷 雨

(国网运行宜昌超高压管理处， 宜昌 443002)

对特高压荆门站站用电两级变压器串联的接线方式下发生的小电流接地系统单相接地故障进行分析，指出故障原因是两级变压器之间连接电缆无保护，提出了通过在高压站用变10kV出线侧加装一个电压互感器的改进措施，以开口三角接线接入变压器后备保护，避免该段电缆无绝缘监测。两级变压器串联接线方式的保护配置，不仅需要将两个变压器看成一个整体进行考虑，还要关注故障发生在设备连接部分的情况，避免保护配置不完善的情况。

电压互感器； 不接地系统； 单相接地故障； 串联变压器； 特高压荆门站

晋东南-南阳-荆门特高压交流试验示范工程是我国建设特高压电网的起始工程，为实现跨大区、远距离、大范围的电能输送和交易，更好地调节电力平衡，促进全国范围的资源优化配置，奠定发展国家级电力市场提供了工程实践基础[1]。作为对全站设备运行供电的站用电，其供电的可靠性和安全性影响着特高压工程的稳定运行。

特高压荆门站Ⅰ回、Ⅲ回站用变为110/10.5 kV、10.5/0.4 kV两级变压器串联的接线方式，中间连接的10 kV系统为不接地系统[2～7]，对两级变压器的这段电缆进行各类故障分析发现，目前设备配置缺乏对该段电缆发生单相接地故障时的监测。为解决该段电缆单相接地故障时无监测的问题，在与设计院等各方讨论后，确定在串联的两级变压器之间处加装一个电压互感器，二次以开口三角接线接入变压器后备保护，监测该段电缆的绝缘。

1 荆门特高压站用电及站用变压器保护配置

荆门特高压站站用电源有三回，Ⅰ、Ⅲ回站用电接线图如图1，Ⅰ回站用电和Ⅲ回站用电为110/10.5kV、10.5/0.4kV两级变压器串联，中间用一段10kV电缆接线方式，其中Ⅰ回站用电电缆长177 m和Ⅲ回站用电电缆长470 m，放置于电缆沟中。

图1 荆门特高压站I回、Ⅲ回站用电接线图

Ⅰ回站用电和Ⅲ回站用电变压器保护均为南瑞继保公司生产的一套差动保护RCS-9671C组成主保护，一套高压侧速断保护RCS-9681C和一套低压侧零序保护RCS-9681C组成后备保护，一套RCS-9661C组成非电量保护，图2是Ⅰ回站用电保护配置图。其保护配置是将两级变压器看成一个110/0.4 kV变压器进行的配置，缺少对两级变压器连接的10 kV电缆段单相接地故障的监测。

图2 I回站用电保护配置图

从图1可以看出，两回站用电110 kV高压侧和400 V低压侧均安装有电压互感器(Ⅰ回站用电连接的110 kV母线安装有电压互感器)，串联变压器间10 kV电缆为不接地系统，无电压测量设备。对这段电缆进行各类故障分析发现，该段10 kV电缆在发生单相接地故障时，10 kV电缆段线电压仍保持对称，高低压侧电压互感器测量出的仍为三相对称电压，设备处于无保护状态，运行人员无法判断和处理，将会导致故障的进一步扩大。

2 站用电10 kV电缆段单相接地故障分析

以荆门特高压站Ⅰ回站用变为例分析，在高压变压器111B与低压变压器11B之间的10kV电缆上发生了单相(如A相)金属性接地故障，当单相(如A相)接地时，(设各相对地电容C0)，此时电流分布图及相量图如图3所示。

图3 不接地系统单相接地故障时的电流分布图

图4 不接地系统A相接地故障时的相量图

由图4可见，中性点的电压UN上升为相电压(-EA′)，A、B、C三相相电压为

(1)

(2)

保护安装处各相电流(未计及负荷电流)为

(3)

(4)

(5)

(6)

其有效值为

(7)

因此在两级变压器之间的10 kV电缆处发生单相接地故障时，B、C两相的零序电流I0的大小等于该段电缆的接地电容电流，而接地相A相的零序电流I0的大小等于B、C两相非故障线路的接地电容电流向量之和，如图3虚线所示。

在两级变压器之间的10 kV设备上发生单相接地故障的情况时，三相之间的线电压仍然对称，因而110 kV侧及400 V侧电压互感器测量出的仍为三相对称电压。而零序电流仅为线路的电容电流，数值很小，且由于10 kV侧与110 kV及400 V连接的高压、低压变压器均为三角形接线，110 kV侧和400 V侧没有零序回路，即110 kV侧和400 V侧无零序电流(Ⅲ回站用电低压变为星形接线，也没有零序电路)，以目前的设备配置，运行人员无法及时发现接地故障，导致故障扩大，危及特高压站的安全运行。

3 改进措施

针对该段电缆在发生单相接地故障时无保护的情况，与设计院讨论后，决定在该段线路10 kV进线侧各相加装一个电压互感器，该互感器的二次用开口三角形接线，接入站用变高压侧后备保护RCS-9681C，监视该段线路的零序电压，用以对电缆线路绝缘的监测。

正常时，该零序电压互感器上无零序电压。当一相(如A相)金属性接地时，则故障相的电压降到零，非故障相的电压升高到线电压，此时电压互感器开口三角处出现100 V电压，电压继电器动作，发出接地信号。当发生一相(如A相)非金属性接地时，即通过高电阻或电弧接地等，中性点电位偏移，这时故障相的电压降低，但不为零，非故障相的电压升高，它们大于相电压，但达不到线电压，电压互感器开口三角处的电压达到整定值，电压继电器动作，发出接地信号。通过加装进线电压互感器和增加该部分的零序过电压告警功能，提供了对单相接地故障的保护。

4 结语

由站用电两级变压器串联组成的接线方式，其保护配置将其看为一个整体进行配置是不够得，还需要考虑其连接部分的配置。在此接线方式下通过单相接地故障分析，得出两级变压器之间连接电缆无保护，影响站用电安全运行，通过在两级变压器之间10 kV电缆上加装一个电压互感器，监测该段电缆的绝缘，解决了两级变压器之间设备单相接地故障无保护的问题，保证了站内设备安全、可靠运行。两级变压器串联接线方式的保护配置，不仅需要将两个变压器看成一个整体进行考虑，还要关注故障发生在设备连接部分的情况，避免保护配置不完善的情况。

[1] 刘振亚．特高压电网 [M]．北京：中国经济出版社，2005.

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[3] 薛永端,徐丙垠,冯祖仁,等(Xue Yongduan, Xu Bingyin, Feng Zuren,etal). 小电流接地故障暂态方向保护原理研究(The principle of directional earth fault protection using zero-sequence transients in non-solid earthed network)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE),2003,23 (7) :51-56.

[4] 李孟秋，王耀南，王辉，等(Li Mengqiu, Wang Yaonan, Wang Hui,etal).小电流接地系统单相接地故障点探测方法的研究(A new approach on detecting the single-to ground fault location on power system with neutral unearthed) [J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2001，21(10): 6-9,23.

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[7] 宗剑,牟龙华,张鑫，等(Zong Jian,Mou Longhua,Zhang Xin,etal).配电网单相接地故障类型及程度的判据(Criterion of single-phase ground fault type and its degree for distribution network) [J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of The CSU-EPSA)，2004， 16(4):27-29.

AnalysisofSingle-phase-to-groundFaultBetweenTwo-stageSeriesTransformersinUHVJingmenSubstation

WANG Yang-kai， ZHENG Wen-chen， LEI Yu

(Yichang EHV Administration， State Grid Corporation of China， Yichang 443002， Hubei)

Based on the analysis of the single-phase-to-ground fault in power system with ungrounded neutral between the two-stage series transformers in UHV JingMen substation, this paper points out that the fault is due to non-protection for the cable between the two-stage series transformers. A solution to the problem is that a 10 kV PT with secondary windings as open-delta connection access to backup protection of the two transformers is installed at 10 kV side of high voltage transformer, which is used to avert the cable lack of isolation inspecting between the transformers. The protection set requires not only considering the two series as a unity, but also the fault condition in the connection, which is helpful to avoid the incomplete protection.

potential transformer； ungrounded system； single-phase-to-ground fault； series transformers； UHV JingMen substation

2010-01-21；

2010-05-04

TM77

A

1003-8930(2011)06-0141-04

汪杨凯(1981-)，男，硕士，工程师，研究方向为电力系统运行与规划、电力系统继电保护、特高压荆门站运检。Email:wang_yk_jmz@126.com 郑文琛(1981-)，男，硕士，研究方向为电力系统运行与规划、电力系统负荷预测、特高压荆门站运检。Email:zwc810324@yahoo.com.cn 雷 雨(1983-)，男，硕士，研究方向为电力系统运行与规划、电力系统继电保护、特高压荆门站运检。Email:tianzi_1096@163.com