小電流接地電網復雜接地故障保護動作特性分析

鮑有理，季東方

(1.無錫供電公司，江蘇無錫214061；2.國電南自股份有限公司，江蘇南京211100)

為了提高供電可靠性，在我國3～66 kV中低壓配電網廣泛采用中性點非有效接地系統[1-3]。中性點非有效接地系統單相接地故障時，由于線電壓不變，可以持續運行2小時。同時，非故障相電壓升高對線纜絕緣產生破壞，時常會造成新的接地點，形成不同線路異名相兩點接地故障[4]。此類復雜短路故障由于故障量眾多，往往會出現一些原因不明的動作行為[5，6]。本文分析了中性點經消弧線圈接地系統，發生35 kV不同線路異地不同名相兩點接地的復雜短路故障。現場初步分析以為保護拒動，事后通過實際故障錄波圖形及理論分析，雙向驗證了保護動作行為完全正確。進一步文章擴展分析了其他小電流系統中性點接地方式時，保護的動作行為及故障量特征，同時闡述了故障分析的方法及故障定位注意事項。

1 故障情況介紹

某220 kV變電站35 kV部分，中性點采用經過消弧線圈接地方式，Ⅰ，Ⅱ線均配置有典型35 kV出線三段式過電流保護，兩線的電流互感器（TA）變比均為600/5，具體變電站保護配置及接線圖如圖1所示。

圖1 變電站保護配置及接線圖

（1）故障過程：初期I線A相接地故障，此時可運行2小時。由于B相、C相電壓的升高，Ⅱ線絕緣水平下降，發生C相接地故障。此時發生不同線路異名相兩點接地故障，第一次只有Ⅰ線保護A相動作跳閘。此過程結束后，系統又轉化為Ⅱ線的C相單相接地狀態，故障電流驟減。一分鐘后，Ⅱ線的B相被擊穿造成Ⅱ線BC相間故障（真正的相間故障）引發Ⅱ開關保護跳閘。

（2）保護動作情況：

第一次故障，05∶14，35 kVⅠ，Ⅱ兩線異名相故障。Ⅰ開關保護動作跳閘，但Ⅱ開關保護僅啟動卻未動作跳閘；

第二次故障，05∶15，35 kVⅡ線相間故障，保護動作跳閘。

為了更好地說明故障發展歷程，做出保護動作時序，如圖2所示。

圖2 保護動作時序圖

故障電流錄波記錄如圖3—5所示。

圖3 Ⅰ線的故障波形

圖4 Ⅱ線的故障波形

圖5 Ⅱ線的再次故障波形

從圖3、 圖 4看，05∶14，35 kVⅠ開關保護動作跳閘，35 kV II保護未動作跳閘。

（3）Ⅰ保護定值：過流I段2352 A，0 s。波形A相電流幅值40×120/1.414=3400A。過流I段動作，正確。

（4）Ⅱ保護定值：過流I段2880A，0 s。波形的C相電流幅值為32×120/1.414=2710A。過流Ⅰ段不動作，正確。

（5）結合圖3、圖4的波形中2條線路故障電流及小電流系統故障電壓理論分析可知：Ⅰ線A相接地，引起35 kV系統B相、C相兩相母線電壓升高至線電壓，結果導致Ⅱ線的C相電纜接頭擊穿接地。即I線A相接地、Ⅱ線的C相接地造成了35 kV系統中產生了A相、C相兩相故障。但35 kV I開關保護中只有A相電流且達到Ⅰ段動作值而跳閘；Ⅱ開關保護C相電流沒有達到Ⅰ段動作值只有啟動狀態。

圖5顯示Ⅱ線C相一直處于接地狀態，B相電纜接頭由于承受不了長期線電壓而擊穿，導致Ⅱ線BC相間故障。第二次故障為Ⅱ線BC相間故障故障，Ⅱ線保護正確動作直接切除了故障。

2 疑問

（1）正常情況下，同一線路相間故障，兩故障相故障電流應相同。不同線路異名相兩點接地故障時，兩故障相故障電流不同是否合理；

（2）中性點經消弧線圈接地，對故障點是否注入電感電流，其對兩故障相的故障電流是如何影響的；

（3）本次異地異名相故障，故障線路并未同時跳閘，動作行為是否正確，定值設定是否合理；

（4）中性點其他接地方式時，不同線路異名相接地故障時，故障電流及保護動作行為如何。

3 不同接地方式故障電流流向分析

系統中廣泛應用的中性點非有效接地系統分為2類：中性點不接地系統，中性點經消弧線圈接地系統。如圖6所示。當1G斷開時，圖示為中性點不接地系統；當1G閉合時，圖示為中性點經消弧線圈接地系統。

圖6 中性點非有效接地系統及單相接地電流流向圖

3.1 系統單點接地電流流向

假定線路L1發生B接地故障，且1G打開，此時，全網電容電流均流入惟一的接地點，并通過系統中性點與其他支路構成回路，電流流向由圖6的實心箭頭構成；當1G閉合時，接地點不僅流入全網的電容電流，而且增加流入了一個補償的電感電流，電感電流如圖6的空心箭頭所示。

3.2 系統兩點接地情況電流流向

如圖7所示。假定線路L1發生B接地故障，線路L2由于A相、C相電壓升高，C相絕緣擊穿，形成兩點接地。當1G打開時，線路L1的接地點與線路L2的接地點構成唯一通路，L1線B相電流與L2線C相電流大小相等方向相反，電流流向由圖7實心箭頭構成；當1G閉合時，中性點也向地注入電流，相當于L1線B相與L2線C相相間短路經由消弧線圈回到系統中性點，電流流向由圖7空心箭頭構成。

圖7 不同線路異名相兩點接地電流流向圖

從上分析可見，中性點不接地時，異名故障相中的故障電流始終相等。中性點經過消弧線圈接地時，由于中性點向共同的接地點注入了電感電流，這對于其中一條故障線為助增電流，對于另一條故障線為汲出電流，造成了2故障電流存在差異。

4 異名相兩點接地故障數學模型及求解

4.1 異名相兩點接地故障數學模型

同一母線引出的兩條線路上異地不同名相兩點接地如圖8所示。雖然異地不同名相發生兩點接地，對于線路來說，相當于單相接地短路，L1線路的零序電流為L2線路的零序電流為于是故障線路的壓降分別為

圖8 消弧線圈接地系統異地異名相兩點接地電流圖

4.2 電路疊加原理求解

為了求解方便，將圖8的故障電路等效，如圖9所示，分別以B相電源電動勢和C相電源電動勢單獨作用，最后疊加求解。

圖9 故障等效電路圖

ZC，ZB均為線路阻抗角 70°，由于 ZB旋轉了240°角，ZC與ZB之差的模值恒不等于0。可見由于中性點電抗補償電流的分流注入作用，一個故障相的故障電流得到增強，另一故障相的故障電流則減小了，相當于汲出作用。

5 結束語

（1）經理論分析，中性點經消弧線圈接地系統，不同線路異名相兩點接地故障時，無論故障點位置在保護區內何處，兩故障相的故障電流恒不相等。

（2）故障時，中性點經大地回路向兩故障線路注入感性補償電流，對于一條故障線路起增益作用，另一條則起汲出作用。35 kV線路一般采用三段式過電流保護，此時增益作用故障線路更易動作，汲出作用故障線路有很大可能因低于動作閥值而不動作。本文故障范例保護動作過程正確，符合實際現場故障情況。

（3）小電流接地系統中性點不接地，發生不同線路異名相兩點接地故障，由于兩故障相故障電流恒相等，兩故障線路三段式過電流保護必定同時動作。

（4）不同線路異名相兩點接地故障時，現場保護運行工作人員對保護動作行為分析，首先應考慮到小電流系統中性點接地方式。

[1]江蘇省電力公司.電力系統繼電保護原理與實用技術[M].北京：中國電力出版社，2006：116-118.

[2]陸于平，吳濟安，袁宇波.主設備數字式保護技術的討論[J].江蘇電機工程，2003，22(3)：6-9.

[3]徐青龍，吳 煒.兩起消弧線圈系統故障案例分析[J].江蘇電機工程，2013，32(4)：18-19，23.

[4]許小兵，董麗金，袁 棟.智能變電站小電流接地選線裝置的研究與實現[J].江蘇電機工程，2013，32(5)：55-58.

[5]程 華，王 靜.TLS1B保護在同桿并架雙回線異名相故障時的運用[J].四川電力技術，2007，30(5)：45-46.

[6]王 蘇，曾鐵軍，鄭茂然.中性點非有效接地電力系統異名相兩點接地短路時的選擇性跳閘決策[J].電網技術，2010，34(7)：195-199.