基于系统合环引起的零序电流保护误动事件的分析及防范

赵博识，王迎来

（马鞍山钢铁股份有限公司能源环保部，安徽马鞍山 243000）

前言

马钢北区中压供配电系统均采用电缆供电线路，系统对地电容电流较大，在出现接地故障时为了能快速切除线路故障，在10 kV 母线上加装“Z”型接地变小电阻接地，为10 kV 系统提供中性点接地。当10 kV 电缆出线发生接地故障时系统中会出现零序电流，保护装置动作切除故障线路［1］，其特点是保护灵敏度高。双回路供电高配在不停电倒负荷时需进行合环操作，即把系统中的线路、变压器和断路器组成一个闭合的网络运行。针对两起合环时零序电流保护误动作原因进行查找，分析多并电缆阻抗不平衡对零序电流保护的影响。

1 事件现象

1.1 新烧变保护误动

马钢北区新烧变电所二级用户高配烧结B中控正常运行方式为开环运行，在烧结B 中控合环倒负荷过程中，上级新烧变110 kV 及10 kV 系统依次合环后，即700 和9506 开关合闸后，在烧结B 中控合10 kV 母联95506 开关时，上级新烧变电所烧结B 中控9533 开关零序Ⅱ段保护动作跳闸，动作值43 A，0.6 s（整定值35 A，0.6 s）。另一路烧结B 中控9532开关零序保护启动，在9533开关零序保护动作跳闸后，9532 开关零序保护启动返回，新烧变一次系统图如图1所示。

图1 新烧变一次系统图

1.2 炼钢变保护误动

马钢北区炼钢变电所二级用户高配3#排涝泵房正常运行方式同为为开环运行，在3#排涝泵房合环倒负荷过程中，上级炼钢变10 kV 系统合环后，即9256 开关合闸后，在3#排涝泵房合10 kV 母联931106 开关时，上级炼钢变电所3#排涝泵房9275开关零序Ⅱ段保护动作跳闸，出现与新烧变烧结B中控9532开关类似跳闸事件，炼钢变一次系统图如图2所示。

图2 炼钢变一次系统图

2 事件原因分析

通常情况下，导致开关零序电流保护动作的原因有：系统内发生接地故障、保护装置有缺陷导致保护误动、零序电流互感器接线不规范或故障、系统有不平衡电流等。下面以烧结B 中控9533 开关跳闸为例，针对这几种原因进行逐一排查。

2.1 检查电缆的绝缘性能

9533 线路电缆型号为双并ZR-YJV-10 kV（3×240 mm2），9532线路电缆型号为三并ZR-YJV-10 kV（3×240 mm2）。使用1 万伏兆欧表遥测电缆的相间及对地绝缘电阻均合格，排除电缆故障可能。

2.2 动作波形检查

根据新烧变电所综自后台故障录波分析，各相电压、相电流波形对称，幅值无明显异常，可以验证无实质接地现象发生。在合环期间，零序电流始终存在，并且其波形呈工频正弦波，有效值无变化，故障录波如图3 所示。在合环期间，除9532、9533 保护启动外，新烧变电所接地变、PT 等保护均未启动动作，再次验证无实质接地发生。

图3 故障录波

2.3 检查零序电流互感器

检查零序电流互感器安装是否规范，二次端子有无松动，电缆屏蔽接地安装是否正确，对零序电流互感器进行伏安特性测试和绝缘电阻检测，数据结果显示均为正常。

2.4 检查保护定值及装置的可靠性

核对9532开关零序电流互感器变比，检查保护装置二次电流值均正确。9533 开关跳闸时动作电流大于保护定值，属于正常开关零序保护动作。用继电保护仪模拟电流通过零序电流互感器校验动作值和动作时限，均合格。

2.5 零序电流检测

系统合环时9533开关零序保护动作跳闸，说明在系统合环中零序电流互感器检测到了零序电流，为验证其真实性，将9533、9532 开关零序电流保护解除，系统合环期间用钳形电流表测烧结B 中控多并电缆中每条电缆的不平衡电流，见表1。

表1 检测零序电流记录表 单位：A

3 零序保护误动作原因分析

经过上述分析，可以排除系统接地故障、保护装置问题、零序CT故障等原因引起零序电流保护误动作。而零序电流保护在运行中可能存在以下问题：当电力系统出现三相电压不对称运行时，也会出现零序电流。例如变压器三相参数不同引起的不对称运行，断路器正常环并运行情况下，由于断路器接触电阻三相不一致而出现的零序环流［2］，都可能导致零序电流保护启动并动作。

在合环运行时，经过检测9533、9532 馈线电缆的每一根均存在零序电流，说明在多并电缆中电流并不平衡，用钳形电流表测新烧变其它多并电缆中每根电缆的不平衡电流，除极个别大于1 A 外，均在1 A 以下，说明不平衡电流的出现并不多见。正常情况下线路零序电流3I0=Ia+Ib+Ic=0，多并电缆中运行电流的分配与线路阻抗成反比，9532、9533 线路电缆长度为0.8 km，电缆的运行参数受敷设环境、电缆布置排列、接线电阻、周围回路干扰等因素的影响，导致9532、9533多并电缆各相阻抗不平衡，电流通过多并电缆时出现不对称运行，从而导致零序电流的产生。

合环运行时，可等效成9533、9532 共5 条电缆并联运行，5 条线路总零序电流为零，其中各条线路各相电流按阻抗反比分配，9533 开关的零序电流等于连接该开关柜双并电缆各相电流之和，即3I0=IL1a+IL2a+IL1b+IL2b+IL1c+IL2c，无论是上述哪一相出现不平衡电流都会使9533 开关零序电流3I0＞0，9532 出现与其大小相等方向相反的零序电流。而三相不平衡电流与负荷电流或系统环流成正比关系，随着烧结B 中控新增设备的投运，负荷增大、电流增加，导致合环时零序电流放大，大于整定值后跳闸。

在开环运行时，9533 线路多并电缆每只零序电流互感器二次侧串联抵消了各条电缆产生的不平衡电流，零序电流3I0基本为0，这也是正常开环运行时能够保证保护可靠不动作的原因。

针对3#排涝合环时出现的炼钢变9275 开关零序电流保护动作跳闸，分析为，其线路电缆型号为ZR-YJV-10 kV（1×400 mm2），检查发现该单芯电缆为电缆隧道和直埋敷设，敷设路径环境复杂，由于电缆敷设不规范，互感不一致导致电流分配不均造成合环时保护动作跳闸。

4 应对措施

（1）在烧结B 中控及3#排涝泵房系统合环倒负荷时，先退出两路出线零序电流保护，待解环后，再重新投入零序电流保护，以防止零序保护误动作造成房所停电事件。

（2）合环前，观察系统电压，通过调节主变压器有载调压分接头调整10 kV母线电压，减少10 kV母线电压差，减小环流，避免环流引起的不平衡电流放大。

（3）对于从保护装置动作逻辑上优化避免出现误动作，将零序电流保护增加零序电压闭锁条件，若零序电压大于零序电压门槛值、零序电流大于零序电流门槛值，则允许零序保护动作，否则，闭锁零序电流保护。在零序保护中加入了零序电压闭锁条件，可以防止电缆阻抗不平衡造成无故障线路保护误动，提高了零序保护的可靠性。

（4）针对单芯电缆要严格规范施工，要采用“品”字形或三相电缆交替敷设，减少互感不一致出现的电流分配不均匀现象。

5 结论

通过分析系统合环时零序电流保护误动作事件，发现了多并电缆运行时不平衡电流的问题，并提出了防止合环时开关零序电流保护误动的有效措施，避免类似事件的再次发生，确保系统安全稳定运行。