35 kV 集电线路单相接地故障扩大至接地变压器保护越级动作的事件分析

张庆波，王 宇，腾依海，潘冬慧

(1. 吉林龙源风力发电有限公司，长春 130022；2. 吉林建筑大学，长春 130118)

0 引言

目前，风电场变电站35 kV 集电线路多采用加装接地变压器(下文简称“接地变”)构成低阻接地的接线方式，形成1 条零序电流通道，以便当主变低压侧35 kV 母线及其所带集电线路(下文简称“35 kV 系统”)发生接地故障时，可根据接地点所在位置，由相应零序保护有选择性地动作，将接地故障隔离，以防电弧重燃引发过电压，从而保证电网设备的安全[1]。

当变电站运行正常时，35 kV 集电线路接地保护处于正常投入状态；一旦发生接地故障，35 kV集电线路保护装置能够快速隔离接地故障点，保证设备的安全。本文以某风电场为例，通过该风电场发生的一起35 kV 集电线路单相接地故障扩大至接地变保护越级动作的事件，结合现场的实际情况对此类故障进行了分析，并提供了解决办法。

1 事件分析

2016 年11 月23 日，某风电场发生了35 kV集电线路单相接地故障，详细情况的后台报文如表1 所示。表中，SOE 为事件顺序记录(sequence of event)，记录故障发生的时间和事件的类型。

表1 35 kV 集电线路单相接地故障的后台报文Table 1 Background messages of single phase ground fault of 35 kV collecting line

通过表1 的报文可看出，21:00:10.072 时，35 kV 1 号接地变零序过流I 段保护动作使35 kV 1 号接地变开关跳闸；经过约35 s， 35 kV 集电01 线过流I 段保护动作，35 kV 集电01 线开关跳闸；35 kV 集电01 线开关跳闸后，故障消除，全站事故总信号复归。

1.1 保护定值的分析

针对此事件进行讨论，保护定值情况如表2所示。

表2 保护定值表Table 2 Protection setting

从表2可以看出，各段零序保护定值逻辑正确。

1.2 故障报文分析

对该事件的故障报文进行分析，主要从保护装置保护动作准确性、逻辑关系正确性方面进行深入分析，分析结果如下：

1)对35 kV 1 号接地变保护装置的报文进行检查，该保护装置的报文如表3 所示。

表3 35 kV 1 号接地变保护装置的报文Table 3 35 kV No.1 ground transformer protection device message

保护装置的报文显示，35 kV 1 号接地变故障零序电流大于零序过流I 段保护定值，零序过流I 段保护正确动作。

2)对35 kV 集电01 线保护装置的报文进行检查，该保护装置的报文如表4 所示。

保护装置的报文显示，35 kV 集电01 线没有零序保护动作，35 kV 集电01 线故障电流大于过流I 段保护定值，过流I 段保护正确动作。

表4 35 kV 集电01 线保护装置的报文Table 4 35 kV collecting 01 line protection device messages

3)故障录波显示，35 kV 1 号接地变跳闸前，35 kV 母线的三相电压分别为UA=33.9 kV、UB=2.8 kV、UC=35.2 kV，35 kV 集电01 线零序电流为0.69 A；在35 kV 集电01 线跳闸后，母线电压恢复正常。

4)故障录波显示，35 kV 集电01 线跳闸前，35 kV 集电01 线BC 相之间最大电流达到30.451 A。

由此推断，单相接地故障发生在35 kV 集电01 线B 相的某一点，由于35 kV 集电01 线环形零序电流互感器(CT)未能有效检测到零序电流，35 kV 集电01 线零序过流保护未能有效动作，导致35 kV 1 号接地变越级跳闸。35 kV集电01 线B 相对C 相电缆持续放电，导致C相电缆绝缘被破坏，发生相间短路，35 kV 集电01 线过流I 段保护动作，35 kV 集电01 线开关跳闸。

经现场检查确认，35 kV 集电01 线开关柜内高压电缆B、C 相绝缘被破坏，发生相间短路，与推断结论相符。

1.3 35 kV 集电01 线环形零序CT 的运行情况分析

35 kV 集电01 线环形零序CT 基于基尔霍夫电流定律(KCL)，即：假设流入某节点的电流为正值，流出电流为负值，则此节点的电流的代数和等于零。图1 为35 kV 系统接地电流分布图。图中，G 点和H 点为电缆两端外铠接地点，G 点、H 点以上部分代表电缆两端外铠，G 点、H 点以下部分代表大地良导体；Id为环形零序CT 检测到的零序电流；Idp、Idq为电缆两端外铠接地点至接地故障点所流经的电流。

如图1 所示，正常情况下，当D 点发生金属性接地故障时，35 kV 集电01 线环形零序CT 检测到的零序电流Id=3I0=Idp+Idq。而当35 kV 集电01 线环形零序CT 把外铠也套住时，环形零序CT 检测到的零序电流Id=3I0－Idp=Idq，该值远小于实际零序电流值。此种情况时零序保护的灵敏度会大幅降低， 容易造成保护拒动的情况[2]。

图2 为故障前环形零序CT 与电缆金属屏蔽接地线位置图。现场检查发现，电缆金属屏蔽接地线与环形零序CT 处于同一水平位置(见图2)，使35 kV 集电01 线环形零序CT 检测到的零序电流包含电缆金属屏蔽接地线的部分电流，且检测到的零序电流远小于35 kV 1 号接地变所检测到零序电流，进而导致发生单相接地故障时，35 kV 集电01 线零序保护拒动，而35 kV 1 号接地变零序保护越级动作的发生。

2 解决方案

调整电缆金属屏蔽接地线及环形零序CT 相对位置：重新制作35 kV 集电01 线电缆终端，先将35 kV 集电01 线电缆接地点调整到环形零序CT 上方，然后将电缆接地线穿过环形零序CT 接地。整改后的环形零序CT 与电缆金属屏蔽接地线位置图如图3 所示。

整改后，对35 kV 集电01 线环形零序CT进行升流试验，验证零序CT 变比150/50 正常，伏安特性正常。通过外加与故障电流大小相等的电流，即外加1.96 A 零序电流，测量零序保护动作时间，35 kV 集电01 线环形零序CT 保护试验采样值的测量结果如表5 所示。

表5 35 kV 集电01 线环形零序CT 保护试验采样值的测量结果Table 5 Measurement results of 35 kV collecting 01 line annular zero sequence CT protection test value

从表5 的测量结果可以看出，35 kV 集电01线零序过流I 段保护动作时间均小于35 kV 1 号接地变零序过流I 段保护动作时间约500 ms，符合保护动作逻辑。

3 结论

本文对某风电场发生的一起35 kV 集电线路单相接地故障扩大至接地变保护越级动作的事件进行了分析，结果表示，环形零序CT 把电缆外铠套住时，零序CT 检测到的零序电流会大幅降低，严重影响了零序过流保护的灵敏度，容易造成保护拒动。当现场发生环形零序CT 把电缆外铠套住的情况时，可以采取重新制作35 kV 集电01 线电缆终端，调整电缆金属屏蔽接地线及零序CT 相对位置的方式，从而可解决35 kV 集电01 线零序电流保护拒动的问题。