风电场35 kV集电线路零序电流保护拒动分析

李占龙

(中国三峡新能源(集团)股份有限公司，河北 张家口 075000)

0 引言

零序电流是由零序电压产生的，零序功率方向与正序功率方向相反，是由线路流向母线。

零序电流可通过零序电流过滤器来获取，是将三相互感器同极性并联，流入继电器的电流为三相电流之和，正好相当于3倍的零序电流，此种方法因为三相电流互感器的励磁特性不同，二次回路负载阻抗不均衡导致获取的零序电流受不平衡电流影响较大。

对于纯电力电缆线路或由电缆引出的架空线路，通常采用外接零序电流互感器获得零序电流，外接零序电流互感器的主要优点是不会因互感器励磁特性或者二次负载阻抗的大小对测得的零序电流产生影响。

但是，如果电力电缆金属护层接地线安装方式出现错误，在电缆出现对地故障时，将会导致零序电流保护拒动，致使事态扩大。

1 故障简述

1.1 风电场主接线

某风电场风力发电机组总装机容量150 MW，通过一台150 MW主变压器将电压升至220 kV送出，35 kV集电线路6条，静态无功电容器2台，动态无功装置SVG 2台，接地变压器通过小电阻接地方式运行。

1.2 跳闸前运行工况

跳闸前，该220 kV 5号母线运行正常，1号主变运行正常，发生故障的312线路带10台风电机组处于满发状态，所带负荷约25 MW。

1.3 故障工况

2021-11-21T10：51：06：857，312开关保护装置整组启动后返回。

10：51：06：865，接地变整组启动，604 ms后，零序电流I段一时限动作跳开831接地变，随后跳开1号主变低压侧301开关。现场进一步检查发现，312开关所带的集电线路56号铁塔B相跌落保险烧毁，35 kV 5号母线PT三相一次保险均烧毁。

2 事故原因分析

2.1 保护定值及动作情况

35 kV 5号母线接地变和312集电线路的零序保护定值见表1。

表1 5号母线接地变和312集电线路的零序保护定值

根据故障录波和故障报文分析可知，312集电线路是带10台2.5 MW风机满负荷运行，18号风机B相跌落保险烧断，因该跌落保险后带3台2.5 MW风机满负荷运行，B相跌落保险熔断后3台风机持续缺相运行，故与A， C相负荷电流相差约0.12 kA。B相跌落熔丝熔断后保险并未从铁塔上掉落而是随着大风摇摆，在经过894.5 ms后B相熔断保险对铁塔发生弧光接地，再由弧光接地发展为金属性接地故障，金属性接地持续120 ms后转变为非金属接地。接地故障发生656.5 ms后，831接地变零序电流I段动作831开关跳闸，经

21.8 ms后1号主变低压侧301开关跳开。

2.2 越级跳闸原因分析

当集电线路发生单相接地故障时，接地变压器通过接地电阻R向接地点提供附加阻性电流，接地点的阻容性电流是电容性电流与电阻性电流的相量和，此时接地点电流相比中心点不接地系统时的接地电流要大。但是，由于电压和电流间的相位角减小，使得接地处的电弧容易自行熄灭，从而保证产生的弧光接地过电压不超过2.6倍的相电压。B相接地时稳态情况下的零序电流分布如图1所示，等效零序网络如图2所示。

图1 稳态时零序电流分布

图2 接地时零序等值网络

图2中，是集电线路发生单相接地故障产生的零序电压，是流过故障线路零序电流互感器的零序电流，是接地变通过接地电阻提供的阻性电流，XC总是35 kV母线上所有线路和电气设备的对地电容，XB是接地变压器的电抗值。选择接地变压器中性点接地电阻值的原则是使流经接地点的阻性电流是容性电流的1～1.5倍，即：IR=(1～1.5)IC。

根据现场实际参数计算，流过接地变压器接地电阻和故障线路的零序电流比值为K=IR/IC=1.11，两者相差不大。接地变零序动作电流一次值为0.21×400=84 A，动作时限0.6 s，312开关零序动作电流一次值为0.56×150=84 A，动作时限0.3 s。两者的一次定值是一样的，发生接地故障后，线路零序保护应该先动作，从故障录波文件查看，312线路的零序保护在完全发展为金属性接地故障时达到了动作定值，在故障发展为非金属接地时未达到312线路零序电流保护定值，312线路零序保护返回，而接地变外接零序CT测得的零序电流一直达到零序保护动作值。

312开关柜的自产零序和外接零序电流互感器测得零序电流理论上应该是一样的。按故障录波发生时刻测得的二次电流进行相关计算。

开关自产3I0=3×0.097×900=261.9 A (一次值)，外接零序CT故障录波测得3I0二次值为0.787 A，一次值为0.787×150=118 A，小于自产值。

831接地变外接零序电流CT测得二次值3I0=0.727 A，一次值为0.727×400=290.8 A。

综上判定，312开关柜外接零序CT测得的零序电流不准确。

通过对现场设备和故障录波定值进行检查发现，故障录波831接地变外接零序CT的变比设置有误(实际为400/1，设置为150/1，故障录波CT变比设置错误对保护的动作行为没有影响，但故障录波测得电流值一次值是错误的)；通过对312开关柜外接零序CT电缆的金属护层接地线检查，发现接地线接错：未回穿零序CT后接地，如图3所示。

图3 312开关外接零序CT错误接线

35 kV系统接地变压器经小电阻接地，由于接地变压器一次侧采用曲折型接线(z接)，二次侧一般采用y接，该接法正序阻抗很大、零序阻抗较小，在没有故障的情况下相当于中性点不接地系统，当接地故障有零序电流时相当于小电阻接地系统。

当发生接地短路故障时，故障点零序电压最高，离故障点越远，零序电压越低；电源处零序电压最低，接地故障点电容电流实际流向是从故障点流向母线，再经集电线路对地电容流回故障点；接地故障点电流亦经故障线路流回接地变。按规定三芯电力电缆金属护层两端接地，正常运行时三相电流平衡，金属护层中几乎没有感应电流流过；但当线路发生接地、断线或断线且接地复故障等故障时，三相电流不再平衡。设三相电流的相量和为其在金属护层感应出的电流为，由楞次定律可知，二者方向是相反的，式中，M为三相导线与金属护层间的互感系数，Z为金属护层阻抗与大地接地电阻之和，Z=r+jx。

电流经金属护层两端接地与大地构成回路。当忽略r时该电流数值较大，且方向与相反。因此，当电缆金属护层接地错误，接地线未穿回零序CT而直接接地，零序电流互感器二次侧感应的零序电流为零序电流互感器变比)将会减小很多(极端情况下可能接近零)，不能正确反应故障电流，从而使线路的零序保护装置拒动。而接地变压器的外接零序电流互感器可以正确地测到该零序电流，使接地变和主变低压侧开关跳闸，导致事故停电范围扩大。

为了防止电力电缆施工中这种接线错误，GB 50168—2018《电缆线路施工及验收标准》7.2.8规定：电力电缆金属护层接地线未随电缆芯线穿过互感器时，接地线应直接接地；随电缆芯线穿过互感器时，接地线应穿回互感器后接地。上述两种正确接法的零序电流互感器电缆金属护层接地线和接地故障发生时电流分析如图4，5所示。图中，为金属护层中的感应电流，为故障点接地电流。

图4 金属护层接地线在零序CT上方接法

图4为金属护层接地线在零序CT上方的接法，零序电流互感器的测量电流为

图5为金属护层接地线在零序CT下方的接法，零序电流互感器的测量电流为

图5 金属护层接地线在零序CT下方接法

2.3 母线PT三相保险熔断原因分析

单相接地故障发生时，35 kV系统在接地变压器跳开后，运行方式突然改变，由小电阻接地系统变为中心点不接地系统。

由于电流和电压互感器铁芯电感的磁通之间是非线性关系，非接地相电压互感器绕组两端电压升高导致铁芯电感饱和，电压互感器感抗降低，励磁电流增大，而电压互感器一次接地点未安装消谐电阻，电压互感器一次熔断器额定电流只有0.5 A，一般铁磁谐振过电压幅值可达到3倍以上的相电压，在起始暂态中过电压幅值会更高，从而导致了电压互感器一次绕组保险烧毁。

3 结论与建议

3.1 结论

该故障直接原因是35 kV铁塔跌落保险熔断后未完全掉落随风摇摆造成的B相接地故障。由于35 kV 312开关进线电缆金属护层接地线接地方式错误，线路零序保护采用的是外接零序电流互感器的电流值，线路发生接地故障时，外接零序电流互感器测得的零序电流值较真实值小，导致35 kV 312开关零序保护拒动，最终接地变压器零序保护动作越级跳开主变低压侧301开关。

3.2 建议

为避免此类故障，应当做好以下工作。

(1) 对全站的零序电流互感器进行排查，对电缆金属护层接地线接地错误的零序电流互感器进行整改，以消除故障隐患。

(2) 按照要求定期对一、二次设备进行预防性试验，定期检查保护设备的定值，将设备隐患消除在萌芽阶段。

(3) 在PT高压绕组中性点接地处接入一次消谐电阻器，无论是铁磁谐振还是低频振荡，在接地故障切除时，可以将大部分电压降加在消谐电阻器上，使PT高压熔丝不易熔断。

(4) 选用励磁特性较好的电压互感器或电容式电压互感器，改变母线对地电容值，破坏谐振条件。