两起小电阻接地系统继电保护动作事件分析

2021-12-29闫石,王伟

黑龙江电力 2021年5期

闫石, 王伟

(1.深圳市机场(集团)有限公司，广东深圳 518128; 2.中油电能有限公司电力技术服务公司，黑龙江大庆 163700)

0 引言

城市10～35 kV供电系统广泛采用中性点经小电阻接地方式以抑制大量使用电缆带来的诸多不良影响[1-7]。因小电阻接地系统通常采用Z联结接地变作为人造中性点[8]，使得继电保护的配置整定有其特殊之处，若整定不当，会导致事故的扩大。该文通过对某用户35 kV供电系统的两起继电保护动作事件的分析，提出小电阻接地系统继电保护整定的注意事项。

1 35 kV接地变保护动作

某110 kV变电站的35/0.4 kV ZNyn11接地变带站内负荷运行时35 kV侧电流速断保护动作跳闸。保护装置录得故障波形如图1所示，图1中的波形自上至下依次为接地变保护三相电流、35 kV母线三相电压。从故障波形可知，A、B相电流与C相电流反相，A、B相电流幅值相同且是C相电流的二分之一。三相电压变化不大，基本对称，说明故障点至母线之间的阻抗很大，这是典型的穿越性故障特征。判断为接地变0.4 kV侧B、C相间故障(见图2中K1处)。

图1 故障录波一Fig.1 Fault recording Ⅰ

图2 短路故障示意图Fig.2 Schematic diagram of short circuit fault

图3 ZNyn11接地变y侧B、C相短路复合序网Fig.3 Compound sequence networks of B to C phase fault in y side of ZNyn11 grounded transformer

(1)

接地变保护电流(TA1处)为

(2)

(3)

(4)

故障录波中的三相电流波形特征与式(2)～(4)吻合，35 kV母线电压变化不大，是由于接地变阻抗较大导致(399.33 Ω)。采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件仿真得出的故障电流波形(图4),与故障录波波形也相吻合。

图4 故障仿真一Fig.4 Fault simulation Ⅰ

但接地变0.4 kV侧出口故障应由其35 kV侧过电流保护动作切除，电流速断保护是不反映0.4 kV侧故障的，核对接地变保护定值为电流速断保护定值90 A，0 s；过电流保护定值60 A，1.7 s。忽略系统阻抗，将主变阻抗3.24 Ω、接地变阻抗399.33 Ω代入式(1)、(4),可得接地变0.4 kV侧相间故障时,35 kV侧保护处B、C相电流幅值约为50 A，而过电流保护定值为60 A，过电流保护对0.4 kV侧故障完全没有灵敏度。检查一次设备发现接地变0.4 kV侧B、C相绕组及引出线烧毁，这说明由于过电流保护无法切除0.4 kV侧相间故障，导致故障发展至接地变绕组烧毁，最终故障电流达到电流速断保护定值后，由电流速断保护动作切除故障。

2 35 kV线路保护动作

某110 kV变电站的35 kV母线空载时1回35 kV电缆线路送电时光纤电流差动保护动作跳闸。故障录波器录得故障波形如图5所示，图5中的波形自上至下依次为35 kV母线三相电压、故障35 kV线路三相电流、接地变35 kV侧三相电流。从故障波形可知A相电压幅值接近零，接地变35 kV侧三相电流幅值、相位相同，故障35 kV线路B、C相电流为零，A相电流幅值是接地变35 kV侧单相电流幅值的3倍，且相位相反，这是典型的小电阻接地系统单相接地故障特征。判断为35 kV线路单相接地故障(见图2中K2处)。

图5 故障录波二Fig.5 Fault recording Ⅱ

图6 35 kV线路A相接地故障复合序网Fig.6 Compound sequence networks of A phase grounding fault in 35 kV line

A相故障点电流为

故障35 kV线路三相电流(TA3处)为

(6)

(7)

(8)

接地变35 kV侧三相电流(TA1处)为

(9)

故障录波中的三相电流波形特征与式(5)～(9)吻合。考虑故障线路较短(不足1 km)及送电时系统空载，忽略系统阻抗、对地容抗、线路阻抗、过渡电阻，按主变阻抗3.216 Ω、接地变阻抗62.72 Ω、接地电阻33.68 Ω仿真得出的故障电流波形见图7，与故障录波波形也相吻合。核对保护定值为35 kV线路零序电流保护定值100 A，0.9 s；35 kV接地变零序电流保护定值30 A，第一时限1.4 s跳分段断路器，第二时限1.7 s跳主变变低断路器。可以看出由于故障线路配置了光纤电流差动保护及电缆线路接地故障时的过渡电阻通常较小，线路保护与接地变保护的零序电流保护不完全配合才没有导致保护误动。

图7 故障仿真二Fig.7 Fault simulation Ⅱ

3 继电保护的整定

3.1 零序电流保护

结合第2节分析可知，接地变零序电流保护作为接地变和母线单相接地故障的主保护和系统各元件的总后备保护，应与母线各连接元件的零序电流保护完全配合。如第二个动作事件中，为躲区外单相接地故障时本线路的电容电流，故障线路的零序电流保护定值整定为100 A，则接地变零序电流保护定值至少为110 A，防止其越级误动。对于城市轨道交通供电系统，其线路电容电流远大于城市10 kV配电线路仅数十安培的电容电流，可能高达上百安培，若线路零序电流保护按躲区外单相接地故障时本线路的电容电流整定可能导致保护的灵敏度降低，此时应综合考虑接地电阻的选择，单相接地故障电流不宜过小，DL/T 584—2017《3 kV～110 kV电网继电保护装置运行整定规程》建议以1 000 A左右为宜[9-11]。

当接地变接于主变变低母线时，其零序电流保护2时限跳主变变低断路器时应联跳主变变高断路器。若主变变低引出线发生单相接地故障(见图2中K4处)，接地变零序电流保护动作跳主变变低断路器后仍无法切除故障。而主变后备保护无法及时切除故障，如40 MVA、110/35 kV、10.5%主变及50 MVA、110/10 kV，16%主变的后备保护定值按主变额定电流整定，对500 A左右的单相接地故障是没有灵敏度的，只能由单相接地故障发展至相间故障后动作切除。该变电站电源侧的线路接地距离Ⅲ段四边形保护也无法切除故障，其测量阻抗为

(10)

(11)

(12)

图8 主变d侧小电阻接地系统单相接地故障，Y侧接地距离保护的测量阻抗Fig.8 Measuring impedance of distance protection for a phase grounding fault in d side of main transformer

接地变零序电流保护必须采用其中性点零序TA(图2中的TA0)，否则采用接地变Z侧TA(图2中的TA1)，接地变Z侧引出线发生单相接地故障时(见图2中K3处)，因接地变零序电流保护仅反映系统电容电流而不反映单相接地故障电流，而导致无法切除故障，其复合序网如图9所示。

图9 接地变Z侧引出线A相接地故障复合序网Fig.9 Compound sequence networks of A phase grounding fault in Z side of grounder transformer

3.2 相间电流保护

小电阻接地系统中母线连接元件的相间电流保护与常规整定相同，但接地变的相间电流保护整定则与系统单相接地故障相关。结合第2节分析可知，为了保持零序通道有较大单相接地故障电流，让零序电流保护灵敏反映单相接地故障，接地变相间电流保护在区外接地故障时不能误动，否则失去接地中性点后故障变为不接地系统的接地故障，将导致接地故障无法及时切除、弧光接地过电压等不良后果。小电阻接地系统的相间故障电流远大于单相接地故障电流，接地变电流速断保护可以躲过区外接地故障时流过接地变的最大故障相电流。但过电流保护按此原则整定，则无法满足对接地变0.4 kV故障的灵敏度，会导致故障扩大。如第一个动作事件中，接地变过电流保护按33 A整定，是无法躲过区外接地故障时流过接地变的约200 A相电流。工程实践中，按躲过接地变额定电流，并保证对0.4 kV侧故障有灵敏度整定，而通过延长动作时间来兼顾上述要求，动作时间大于接地变零序电流保护的动作时限。