220kV线路故障过程中零序电流保护动作分析

王沁洋

国网江苏省电力有限公司海安市供电分公司，江苏南通，226000

0 引言

220kV线路零电流保护通常设置三段式，其中第I段按照躲过本线路末端接地短路时的最大零序电流整定，只能保护本线路的一部分；零序电流保护Ⅱ段与相邻线路的零序Ⅰ段配合，并带有动作延时。考虑到单相重合闸所造成的非全相运行时，对于零序电流保护需设置零序电流保护不灵敏Ⅰ段和不灵敏Ⅱ段。灵敏Ⅰ段、Ⅱ段在单相重合闸过程中退出运行，不灵敏Ⅰ段、Ⅱ段在故障及重合过程中不退出运行[1]。零序Ⅲ段电流保护动作时间一般长于重合闸周期，非全相运行时无需退出，主要保护线路的全长，按躲过相邻线路出口处相间短路时的最大不平衡电流，在线路末端金属性接地时有一定的灵敏系数。

1 故障经过

某日15时30分，220kV HS4989线发生A相接地故障后断线，S变侧线路保护CSC103A、WXH-803纵联差保护动作，三相跳闸，重合闸为三重方式，重合成功后，HS4989线CSC103A保护零序Ⅲ段动作，ABC相跳闸。WXH-803保护零序电流保护未动作。H变侧线路保护CSC103A和WXH-803纵联差保护均动作，开关三相未跳闸。

事故发生时，S站通过220kV HS4989线向H变供电，H变侧220kV HS4989线为线路-变压器组接线，S站与H站间接线如图1所示，HS4989线开关两侧保护配置相同，分别配置WXH803A和CSC103A保护装置，主保护为光纤纵联差动保护，S侧线路主保护和后备保护均投入[2]。

图1 S 站与H 站联络接线图

S侧线路差动保护定值为500/0.2A，零序保护过流Ⅱ段、Ⅲ段投入，零序过流Ⅱ段定值2400/0.96A，时间1.1s，零序过流Ⅲ段定值250/0.1A，时间2.6s，经方向元件控制。零序保护过流加速段定值与零序过流Ⅱ段相同。采用三相重合闸，时间为1s，三跳方式。

2 故障分析

2.1 保护动作情况

S站侧故障录波如图2所示，可以看出，0-60ms时刻故障发生，第一次故障期间，S站侧：A相电流有较大突变，B、C相电流突变量不大。3I0超前3U0约97°，正方向故障。Ua超前Ia约75°，无过渡电阻。可以看出，本侧HS4989开关在故障发生后，60ms两套主保护均动作，开关三相跳闸。故障类型为A相金属性接地故障。60-1147ms：重合闸时间约为1s，线路采用三相重合闸。两套保护装置重合闸均动作。1147-3925ms：三相重合后，S站侧三相电压正常，A相无流，B、C相电流和第一次故障期间相当。重合后，因断线非全相运行，出现零序电流，经过2.6s后，零序Ⅲ段动作，跳开三相开关，永跳同时闭锁重合闸[3]。

图2 S 站侧录波

S站侧HS4989开关CSC103A保护动作信息如表1所示。

表1 S 站HS4989 开关合闸时CSC103A 保护动作信息

S站侧HS4989开关WXH803保护动作信息如表2所示。S站侧零序和A相电流电压相量图如图3所示。

表2 S 站侧HS4989 开关WXH803 保护动作报文

H站侧故障录波如图4所示，可以看出，0-70ms时刻故障发生，第一次故障期间，H站侧：A相电压降低至接近零，B、C相电压下降较小，出现零序电压3U0，三相电流均有突变，突变幅值相当。3I0超前3U0约97°，正方向故障。Ua跌落至接近零，如果以Ub作为电压参考，Ia超前Ub约44°，即滞后Ua约76°（如图5所示），为正向出口A相金属性接地故障。

图4 H 站侧录波

图5 H 站侧零序和A 相电流B 相电压相量图

综上所述，SH4989线在H站侧发生正向出口A相金属性接地故障，线路纵联电流差动保护动作跳开S侧三相开关，重合闸动作，S侧三相开关合闸，接着故障转换为SH4989线A相断线非全相运行，同时H站侧A相金属性接地故障，S站重合闸动作后S侧103保护零序过流Ⅲ段动作跳开S侧4989开关。H站侧是受电侧，主保护设弱电应答方式，其他保护和重合闸均退出，开关无法跳闸，重合后A相故障电流0.13A，为非全相运行时的零序电流，未达到差动定值0.2A，所以第二次故障期间主保护未动作[4]。

2.2 零序电流保护动作分析

2.2.1 S站侧两套保护动作行为不一致分析

SH4989线S站侧CSC103A保护零序过流Ⅲ段动作，WXH-803保护零序过流Ⅲ段未动作。《线路保护及辅助装置标准化设计规范》（QGDW 1161—2014）中第5.2.4条对零序过流保护有以下要求，即在线路保护判别非全相运行时将零序过流Ⅲ段动作时间缩短0.5s，并取消方向元件，取消线路非全相投入运行的零序电流保护的其他段[5]。保护动作行为不一致是否与之相关，整理各型号线路保护非全相判别逻辑如表3。

表3 不同厂家非全相运行识别逻辑

SH4989线S站侧两套保护重合闸动作合上SH4989开关时，接地故障点处A相已发生断线，S站侧A相无电流，同时此时无保护动作也无TWJ动作，意味着S站侧四方CSC-103和许继电气WXH-803保护均不会进入非全相判别逻辑。零序过流Ⅲ段保护动作时间不会缩短0.5s。

对于单相重合闸而言，重合加速时，为了躲过重合期间非全相运行时负荷电流造成的零序电流，会带有60ms的延时。三重方式下，为了躲过开关三相合闸不同期造成的零序电流，保护带有100ms的延时[6]。

开关重合后出现故障电流，零序电流为0.215A＞0.1A，零序电流超前零序电压约103°，为正方向，满足零序Ⅲ段动作条件。因为是三相重合闸方式，所以为了躲过三相开关合闸不同期，延时100ms。开关重合后从故障电流出现至保护发出永跳令，用时2729ms=2600+100+29（29ms为保护固有动作时间），CSC-103保护动作正确。根据许继厂家说明，WXH-803保护在重合闸动作之后，以200ms延时来躲开关三相不同期，其动作时间比CSC-103保护慢100ms，即2820ms左右WXH-803保护零序过流Ⅲ段能动作出口，但图7录波显示，由于CSC-103保护零序Ⅲ段动作，2776ms时故障电流已消失，WXH-803保护返回[7]。S站侧SH4989线CSC-103保护录波如图6所示。

图6 S 站侧SH4989 线CSC-103 保护录波

图7 SH4989 线S 侧重合后电流波形

2.2.2 两侧电流分析

SH4989线重合后S站侧B、C相电流如图7所示，大小相同，相位接近同相。此故障为复杂故障，将其分解为A相断线后的负荷状态和断口H站侧接地的附加状态，如图8所示。

图8 复杂故障的分解

先分析A相断线后的电流相量，假设故障前后负荷电流不变。断线后A相电流为零，所以。因为断口两侧均有接地点，所以零序网络通，序网图如图9所示。

图9 A 相断线后的序网图

S站SH4989线路A相正、负、零序电流如下：

图10 SH4989 线A 相断线后电流相量图

负荷状态下一相断线后的电流相量已经解出，还需要解出附加状态下的电流相量。附加状态等效电路图如图11所示。

图11 附加状态等效电路图

如图12，图中忽略了变压器的中、低压侧，只画出高压侧和内三角绕组。当高压侧A相断线后，由于高压侧中性点直接接地，B、C相能在三角绕组的b、c相感应正常电压和，因为是角接，头尾相连，所以A相绕组上的电压，即B、C相绕组电压在A相绕组上叠加出电压，A相绕组再往同铁心上的高压侧A相绕组上感应出正常电压。

图12 主变高压侧A 相非全相

图13 重合后S 侧电流相量图分析结果

H站侧第一次故障期间和重合后三相电流波形都比较接近，第一次故障时，由图14可知，第一次故障期间H站侧三相电流由对称负荷电流变为三相相位接近的零序性质的电流。

图14 H 站故障前后电流波形图

第一次故障时，SH4989线H站侧出口A相接地。由于H站是自耦变压器中性点接地，所以流过的故障分量电流是零序电流，如图15所示。

因为故障期间A相电压跌为零，以B相电压作为参考。故障点零序电压与A相电压反相，正方向故障，所以超前约105°，即超前大约45°。正常负荷电流叠加故障分量电流，如图16所示，与实际情况相符。

图16 第一次故障时电流相量图

S站SH4989线重合后，H站侧故障分量如下式：

A相断线后的负荷状态再叠加故障附加状态，因为A相断线后负荷电流为零，所以A相只有故障附加状态，绘制相量如图17所示，与实际情况相符。

3 结语

针对高压输电线路零序过流保护，在有可能发生非全相运行时，为了保证各保护装置动作逻辑一致，相关保护装置的判据应当一致，以便正确分析保护动作行为。针对断路器本体三相不一致保护的情况下，零序电流保护进入非全相运行逻辑和动作时限，均需与断路器本体三相不一致保护配合。