一起35 kV系統(tǒng)非金屬性三相短路保護(hù)動(dòng)作行為分析

戴網(wǎng)虎，湯大海，曹 斌，陳永明

（鎮(zhèn)江供電公司，江蘇鎮(zhèn)江 212001）

2010年5月，鎮(zhèn)江供電公司某110 kV變電所35 kVⅡ段母線系統(tǒng)（不接地系統(tǒng)）曾發(fā)生了一起由于B相單相接地，引起2號(hào)主變35 kV復(fù)合電壓過流一段保護(hù)動(dòng)作跳閘，而35 kV出線保護(hù)一套未動(dòng)作。為什么單相接地時(shí)主變35 kV后備保護(hù)動(dòng)作而35 kV出線保護(hù)不動(dòng)作？通過調(diào)查和短路電流分析發(fā)現(xiàn)這是一起由于B相單相接地而引起其他兩相電壓升高造成這兩相絕緣下降，引發(fā)了非金屬性三相短路造成的。由于35 kV出線采用兩相兩繼電器方式接線，且所有電流互感器（TA）接于出線A相、C相兩相，雖然在單相接地的出線B相電流很大，但B相無TA不能反映該線路故障，同時(shí)分到本線路和其他線路A相、C相的短路電流卻很小，而主變后備保護(hù)電流采用三相星型方式接線，B相單相接地引起的非金屬性三相短路，因而造成上述保護(hù)的動(dòng)作行為。

1 事故經(jīng)過及繼電保護(hù)動(dòng)作情況

1.1 事故發(fā)生經(jīng)過

2010年5月31日5時(shí)47分31秒，某110 kV變電站2號(hào)主變35 kV后備保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)，648 ms后35 kV側(cè)復(fù)壓過流一段出口，跳開主變中壓側(cè)302開關(guān)；在保護(hù)啟動(dòng)時(shí)35 kV小電流接地選線系統(tǒng)報(bào)368線路接地。故障發(fā)生后，經(jīng)現(xiàn)場檢查一、二次設(shè)備，各保護(hù)設(shè)備經(jīng)試驗(yàn)無異常，35 kVⅡ段母線查無異常，后經(jīng)巡線發(fā)現(xiàn)368線路B相接地。處理好接地故障后系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行方式。

1.2 事故時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行方式

故障前系統(tǒng)一次接線如圖1所示，110 kV 730線路供2號(hào)主變，700開關(guān)熱備用，35 kV母線分列運(yùn)行，302開關(guān)供35 kVⅡ段母線。

2 短路電流和保護(hù)動(dòng)作行為分析

如果故障點(diǎn)在母線及主變中壓側(cè)引線上,那么主變保護(hù)的動(dòng)作行為正確。但經(jīng)現(xiàn)場認(rèn)真檢查母線及主變中壓側(cè)引線，排除了此處發(fā)生故障的可能性，并且線路接地處理好后系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2.1 保護(hù)裝置動(dòng)作錄波圖分析

為什么單相接地，主變35 kV側(cè)復(fù)壓過流一段動(dòng)作跳閘，而35 kV出線保護(hù)沒有跳閘呢？故障發(fā)生后，繼電保護(hù)專業(yè)人員立即趕往現(xiàn)場，調(diào)閱了2號(hào)主變保護(hù)裝置動(dòng)作記錄，裝置動(dòng)作報(bào)文顯示：

打印故障時(shí)2號(hào)主變中壓側(cè)后備保護(hù)錄波圖，如圖2所示。

根據(jù)錄波圖，B相二次故障電流7.175 A明顯達(dá)到并超過中壓側(cè)復(fù)壓過流Ⅰ段定值6.9 A（二次值），2號(hào)主變中壓側(cè)后備保護(hù)裝置動(dòng)作正確。由于35 kV出線錄波數(shù)據(jù)很小與負(fù)荷電流差不多，故沒有參考價(jià)值。取故障時(shí)某一時(shí)刻相關(guān)錄波矢量值（二次值），如表1所示。

表1 故障時(shí)各錄波故障量

2.2 保護(hù)TA配置分析

本變電站35 kV出線安裝兩相TA，采用兩相兩繼電器方式接線，且所有TA接于出線A相、C相；主變后備保護(hù)電流采用三相星型方式接線。這樣接線方式滿足規(guī)程要求，是可行的。

2.3 保護(hù)定值配合正確性分析

保護(hù)裝置無異常，那么是不是保護(hù)配置存在問題?且查閱相關(guān)定值單。

（1）2號(hào)主變35 kV側(cè)配置后備保護(hù)（TA變比為1 500/5）。復(fù)壓過流Ⅰ段整定電流6.90 A（一次值為2 070 A），時(shí)間0.6 s，跳2號(hào)主變35 kV側(cè)302開關(guān)；復(fù)壓過流Ⅱ段整定電流3.90 A（一次值1 170 A），時(shí)間1.7 s，跳2號(hào)主變35 kV側(cè)302開關(guān)；其中2號(hào)主變35 kV復(fù)壓過流Ⅰ段主要按35 kV母線故障有≥1.5倍的靈敏度整定[1]。

（2）35 kV各出線保護(hù)。電流速斷保護(hù)整定電流最大1 800 A，時(shí)間為0 s；延時(shí)電流速斷保護(hù)整定電流最大1 780 A，時(shí)間為0.3 s；過電流保護(hù)整定電流最大700 A，時(shí)間為1.4 s。其中電流速斷保護(hù)主要按躲過出線上最大供電變壓器低壓母線故障流過本保護(hù)的最大短路電流整定；延時(shí)電流速斷保護(hù)主要按線路末端故障有一定的靈敏度整定；過電流保護(hù)主要按躲過出線上最大負(fù)荷電流整定[1]。

以上保護(hù)定值完全按DL/T 584—2007規(guī)程進(jìn)行整定，符合逐級(jí)配合的整定原則，正常情況下，當(dāng)線路上發(fā)生了短路故障時(shí)，線路保護(hù)一般能先于主變后備保護(hù)動(dòng)作，所以保護(hù)TA配置及相互配合上是沒有問題的。

2.4 短路故障計(jì)算分析

通過上面保護(hù)動(dòng)作行為分析，發(fā)現(xiàn)不管是保護(hù)裝置，還是保護(hù)定值及定值之間的配合，都符合規(guī)程規(guī)定的要求，那為什么B相單相接地，主變35 kV側(cè)復(fù)壓過流一段動(dòng)作跳閘，而35 kV出線保護(hù)卻沒有跳閘？通過對(duì)錄波數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)三相均有電流，且不對(duì)稱，其中B相電流最大，由此可見，這是一起典型的單相接地引起的非金屬性三相短路。

假設(shè)35 kV電源系統(tǒng)三相對(duì)稱，則EA=a EB=a2EC，其中a=ej120°。該35 kV系統(tǒng)發(fā)生非金屬性三相短路的等值電路如圖3所示。

表2 故障時(shí)各故障量

表2中35 kVⅡ段母線各相對(duì)地等值阻抗由各自35 kVⅡ段母線電壓和主變35 kV側(cè)各相電流算出。由圖3可得方程：

將表2數(shù)據(jù)代入方程式（2—4），得到下列方程：

由于35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地，零序電流為系統(tǒng)的電容電流，在進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)，由故障時(shí)的等值電路圖可以得出：++=0。同時(shí)通過主變保護(hù)錄波量可驗(yàn)證得到：++=0.014 1e-j123°。這就是說母線上的零序電壓等于故障點(diǎn)的零序電壓，即該電網(wǎng)中的零序電壓處處相等,與故障點(diǎn)的位置無關(guān)[4]。于是有：

將 U0結(jié)果代人方程式（5，6），得：

解式（8，9）得到短路時(shí)，EA=20.449ej1143.82°kV，電源線電壓為35.41 kV，Z0=3.784ej84.41°Ω。其中，Z0與理論短路電流計(jì)算用的35 kV母線的系統(tǒng)電源等值阻抗3.45～5.48 Ω的結(jié)果很接近，且角度也接近90°，證明上述假設(shè)與電網(wǎng)實(shí)際發(fā)生的情況是一致的。由短路電流分析與錄波圖可以得出，這是一個(gè)典型的非金屬性三相短路[2，3]。

2.5 保護(hù)動(dòng)作行為分析

由ZB=1.649 4 Ω可以確定，B相接地點(diǎn)離母線較近，查閱線路資料，B相接地的368線路的首端線路為電纜，長度為0.512 km，短路阻抗和角度均符合該電纜發(fā)生短路的情況；同時(shí)由ZA=15.589 7 Ω，ZC=31.704 6 Ω可以確定，A相和C相對(duì)地等值電阻較小，聯(lián)系到此變電站地處化工園區(qū)，35 kV出線較多；同時(shí)根據(jù)小電流接地系統(tǒng)單相金屬性接地，另外兩相對(duì)地電壓升高為線電壓的特性，進(jìn)一步加劇A相和C相對(duì)地絕緣下降，由此可判斷這是一起由于小電流接地系統(tǒng)B相接地，A相和C相對(duì)地整體絕緣下降，由多條35 kV出線A相和C相多點(diǎn)提供短路電流的一起非典型短路故障。據(jù)此可畫出如圖4所示的B相接地時(shí)的電網(wǎng)圖。

由于本變電站35 kV線路保護(hù)采用A相和C相兩相不完全星型電流接線，根據(jù)2號(hào)主變35 kV后備保護(hù)錄波圖可以看到，A相和C相兩相最大電流為A相4.93 A（二次值），雖然368線路B相故障電流很大，但B相沒有裝設(shè)TA，不能反映本線路發(fā)生故障了；同時(shí)本線路和其他線路A相和C相兩相各自分得的電流卻很小（共有7條線路，假設(shè)每條線路均相等，則每條線路分得的電流為1 481/7=212 A；即使每條線路不均衡，但每條線路分得的電流也不是很大，可以肯定，線路越多，每條線路分得的電流就越小，由35 kV出線保護(hù)錄波證明了這一結(jié)論），加上該線路負(fù)荷電流后可以看出遠(yuǎn)小于線路延時(shí)電流速斷保護(hù)定值（最小1 200 A，0.3 s），因此線路保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

而主變保護(hù)采用了三相電流完全星型接線，B相故障電流7.175 A（二次值）大于主變中復(fù)壓過流Ⅰ段6.9 A（二次值）的定值，因此故障達(dá)到2號(hào)主變35 kV復(fù)壓過流Ⅰ段時(shí)間定值后動(dòng)作跳閘，該保護(hù)動(dòng)作行為是正確的。

3 關(guān)于35 kV線路保護(hù)TA配置的探討

由上述分析可知，非金屬性三相短路時(shí)，單相接地線路的B相故障電流很大，但由于35 kV出線保護(hù)沒有配置TA，而無法判斷故障的發(fā)生，那么可以通過改進(jìn)線路保護(hù)TA接線方式解決此問題。

3.1 兩相三繼電器方式

在線路開關(guān)只有兩相TA的情況下，是否可利用線路保護(hù)采A相、C相電流之和為-B相（即兩相三繼電器方式），將A相、C相電流短接反方向接入B相的采樣回路，此時(shí)若一條線路發(fā)生B相接地，在A相、C相絕緣降低的情況下，B相采樣電流是否能夠反映本線路短路故障由線路保護(hù)快速切除故障呢？

如圖4所示，由于B相短路電流是由多條線路的A相、C相提供，本線路的A相、C相短路電流卻很小，故兩相三繼電器方式還是不能完全避免在這種情況下的保護(hù)越級(jí)跳閘，但此接線方式僅能提高線路保護(hù)的靈敏度。

3.2 三相三繼電器方式

如果線路保護(hù)采用三相完全星型電流接線，則發(fā)生B相接地的線路會(huì)因?yàn)锽相電流大于線路保護(hù)動(dòng)作值而正確動(dòng)作，而不會(huì)由主變后備保護(hù)動(dòng)作而越級(jí)動(dòng)作擴(kuò)大停電范圍。

但是該接線方式缺點(diǎn)是不僅每條線路增加了1只TA，原理上還存在一定的缺陷，即不同線路異相單相接地故障會(huì)造成2條線路同時(shí)跳閘，增加了負(fù)荷損失。

4 結(jié)束語

根據(jù)錄波圖提供的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)短路電流反演分析計(jì)算結(jié)果可以得出：

（1）由于變電所地處化工區(qū)，B相單相接地而引起其他兩相電壓升高造成這兩相整體絕緣下降，引發(fā)非金屬性三相短路造成的；

（2）由于35 kV出線B相無TA不能反映故障的發(fā)生，所以2號(hào)主變35 kV后備保護(hù)的動(dòng)作行為是正確的；

（3）對(duì)于化工工業(yè)園區(qū)和污穢等級(jí)較高的變電所，條件許可情況下，建議小電流接地系統(tǒng)出線保護(hù)TA接線方式應(yīng)接成三相三繼電器方式，防止由于發(fā)生非金屬性三相短路時(shí)出線保護(hù)無法動(dòng)作而由主變后備保護(hù)動(dòng)作跳閘來切除故障；

（4）化工園區(qū)或污穢等級(jí)較高的電力線路，應(yīng)提高線路的防污等級(jí)設(shè)計(jì)；

（5） 根據(jù)計(jì)算，該小電流接地系統(tǒng)接地電容電流已超過了規(guī)程規(guī)定的小于10 A要求（短路電流分析中顯示的實(shí)際電容電流已達(dá)14.1 A），需在該系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)加裝消弧線圈。

[1]DL/T 584—2007，3 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)運(yùn)行整定規(guī)程[S].

[2]江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3]崔家佩，孟慶炎，陳永芳，等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算[M].北京：中國電力出版社，2000.

[4]許正亞.變壓器及中低壓網(wǎng)絡(luò)數(shù)字式保護(hù)[M].北京：中國水利水電出版社，2004.