小電流接地系統(tǒng)異名相接地故障分析及跳閘策略研究

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(江蘇省電力有限公司檢修分公司無錫分部，江蘇 無錫 214000)

0 引 言

在中國3～66 kV城市配電網(wǎng)絡(luò)中大量采用電纜供電方式的小電流接地系統(tǒng)[1-3]。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)，故障相電壓降低，非故障相電壓升高為線電壓且相間電壓保持不變，不影響系統(tǒng)正常供電。非故障相電壓升高對線纜絕緣產(chǎn)生破壞，時(shí)常會(huì)造成新的接地點(diǎn)，形成不同線路異名相兩點(diǎn)接地故障。此時(shí)，快速準(zhǔn)確切除兩條故障線路，防止絕緣擊穿事件擴(kuò)大化成為關(guān)鍵。

針對中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)的故障選線，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究[4-7]。選線方法集中針對故障的第一階段，即未發(fā)生絕緣擊穿導(dǎo)致異名相兩點(diǎn)接地故障，長期保持在一點(diǎn)接地的情況。實(shí)際上，隨著電纜運(yùn)行年限增加，線纜的絕緣強(qiáng)度逐步下降。同時(shí)，單相接地故障時(shí)伴隨的電弧現(xiàn)象，可能使非故障線路的最高暫態(tài)電壓達(dá)到相電壓的3～3.5倍左右，容易發(fā)生非故障相絕緣擊穿或絕緣子閃絡(luò)。因此，單相接地故障時(shí)常伴隨有其他線路絕緣擊穿，形成兩點(diǎn)接地故障[8]。文獻(xiàn)[9]僅從供電可靠性角度出發(fā)，不考慮異名相故障電流差異，以過電流保護(hù)為跳閘判據(jù)，通過改變動(dòng)作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)有選擇性跳閘。文獻(xiàn)[10]同樣未考慮消弧線圈接地系統(tǒng)異名接地故障相電流的差異，并且僅從供電可靠性的角度考慮，提出了一種選擇性切除故障線路的新方案。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，兩點(diǎn)接地異名相故障電流始終相等，相當(dāng)于線路異名相相間短路[11]；中性點(diǎn)經(jīng)過消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于中性點(diǎn)消弧線圈補(bǔ)償電流的影響，且異名相電動(dòng)勢的相角差異，異名相故障電流始終不相等。

同一線路不同相別絕緣老化程度基本相同，單相故障引發(fā)其他線路異名相絕緣擊穿時(shí)，該線路正常相絕緣基本也在破壞邊緣。此時(shí)，應(yīng)快速切除故障線路，如僅切一條繼續(xù)維持單點(diǎn)接地狀態(tài)，極有可能引發(fā)三相擊穿或CT靠主變壓器側(cè)絕緣擊穿，造成故障范圍擴(kuò)大。因此，從設(shè)備絕緣耐受的角度考慮，應(yīng)快速切除兩條故障線路。

考慮到這種差異，這里首先建立了消弧線圈接地電網(wǎng)不同線路異名相兩點(diǎn)接地故障的數(shù)學(xué)分析模型，基于電路疊加原理，給出了不同故障線路故障相電流及電流差值的解析式。同時(shí)以過電流模塊為啟動(dòng)元件，以接地距離模塊為選相元件，實(shí)現(xiàn)異名相兩點(diǎn)接地故障快速切除。

1 中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)及故障分析

1.1 系統(tǒng)單一接地故障情況

系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)分為兩類：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。如圖1所示，當(dāng)1G斷開時(shí)，圖示為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，線路L1發(fā)生B相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)故障電流為系統(tǒng)電容電流之和，圖1中實(shí)心箭頭表征此時(shí)的故障電流流向；當(dāng)1G閉合時(shí)，圖示為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，圖中空心箭頭電流為消弧線圈提供的感性注入電流，該電流與系統(tǒng)電容電電流共同構(gòu)成了新的故障電流。

1.2 系統(tǒng)異名相異地兩點(diǎn)接地故障情況

如圖2所示，L1線B相單相接地運(yùn)行過程中，非故障相A相與C相電壓升高為線電壓，實(shí)際運(yùn)行過程中，存在A相與C相絕緣降低而擊穿接地可能。以L2線C相絕緣降低而擊穿情況分析，此時(shí)系統(tǒng)存在L1線B相與L2線C相兩個(gè)接地點(diǎn)，因此，中性點(diǎn)消弧線圈提供的感性注入電流會(huì)在兩個(gè)接地點(diǎn)分流，并通過兩條線路共同掛載母線構(gòu)成故障電流流通路徑(如圖2空心箭頭所示)。

圖1 中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)及單相接地電流流向

圖2 不同線路異名相兩點(diǎn)接地故障

以上分析可見，中性點(diǎn)不接地時(shí)，僅僅用過電流保護(hù)即可同時(shí)切除兩條故障線路。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，由于中性點(diǎn)向共同的接地點(diǎn)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，僅用過電流保護(hù)只能切除起著助增作用的那條故障線。因此，建立中性點(diǎn)消弧線圈接地系統(tǒng)異名相兩點(diǎn)接地故障數(shù)學(xué)模型，求解并分析故障相電流及其差別，是進(jìn)一步提出合理保護(hù)配置方案的重要基礎(chǔ)。

2 異地非同名相兩點(diǎn)接地故障量化分析數(shù)學(xué)模型(經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng))

2.1 異地非同名相兩點(diǎn)接地量化分析數(shù)學(xué)模型

圖3 雙線不同相別同時(shí)單點(diǎn)接地故障

根據(jù)圖3中不同電氣量之間的關(guān)系，可列以下4個(gè)求解方程式：

(1)

2.2 線性電路疊加求解

將圖3故障電路圖等效為圖4，將式(1)求解方程轉(zhuǎn)化為對兩個(gè)單電源回路故障電流求解，即以系統(tǒng)僅有B相或C相單一電源求解故障電流。

圖4 故障系統(tǒng)等效圖

假定ZB=ZM1+(1+K)Z1l1，ZC=ZM1+(1+K)Z1l2，則方程求解如下：

(2)

(3)

ZC、ZB表示線路阻抗，一般其復(fù)數(shù)角度為70°～80°，由于ZB旋轉(zhuǎn)了240°，ZC與ZBej240°必然存在相量角度差，兩者的矢量差也必然不為0。可見，兩故障相故障電流必然存在差異，表征為一者因助增而增大，一者因汲出而減小。現(xiàn)有的35 kV及以下中壓配電網(wǎng)均只裝設(shè)過電流保護(hù)，此時(shí)，如果均以電流閾值為動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)，必然會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)作用的故障線更容易動(dòng)作，而減小作用的故障線極大可能會(huì)不動(dòng)作。因此，必須尋找到一種保護(hù)配置方案，可以可靠切除故障電流被減小的線路。

3 故障雙線跳閘方案

3.1 保護(hù)安裝處電壓電流關(guān)系

對于線路來說，相當(dāng)于發(fā)生了單相接地短路。接地點(diǎn)為零電位點(diǎn)，保護(hù)安裝處母線電壓滿足式(4)：

(4)

因此，可以直接用線路保護(hù)中成熟的接地距離保護(hù)模塊來選擇故障線路。

3.2 保護(hù)配置方案

國家電網(wǎng)公司現(xiàn)有35 kV及以下供電線路，基本配置國電南自的PSL641系列或南瑞繼保的RCS9611系列保護(hù)，這些保護(hù)均只有電流判別模塊，無法選出異名相接地時(shí)故障電流較小的故障線路。同時(shí)考慮到成本優(yōu)化，采用集中分析選擇故障線路的方式比較合理。

為此，提出按母線單位配置選線裝置的方式。母線電壓直接通過屏頂小母線采集，各個(gè)間隔電流通過以太網(wǎng)絡(luò)從總控交換機(jī)采集，選線配置CPU1過電流模塊與CPU2接地距離模塊。CPU1以原有間隔的過電流一段定值為判據(jù)，當(dāng)某一間隔電流突破定值，跳開故障線路一，并啟動(dòng)CPU2接地距離模塊。CPU2以CPU1動(dòng)作時(shí)刻所有間隔的采樣數(shù)據(jù)為分析數(shù)據(jù)，通過接地距離選相元件，選出故障線路并出口跳開故障線路二。

4 仿真實(shí)例

江蘇某地區(qū)電網(wǎng)累計(jì)發(fā)生多起不同線路異名相兩點(diǎn)接地故障。以其中一起故障的實(shí)際故障錄波數(shù)據(jù)來仿真分析。變電站保護(hù)配置及接線見圖1。

圖5 變電站保護(hù)配置及接線

故障過程：初期Ⅰ線A相接地故障，此時(shí)可運(yùn)行2 h。由于B、C相電壓的升高，Ⅱ線絕緣水平下降，發(fā)生C相接地故障。此時(shí)發(fā)生不同線路異名相兩點(diǎn)接地故障，第1次只有Ⅰ線保護(hù)動(dòng)作跳閘。此過程結(jié)束后，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)化為Ⅱ線的C相單相接地狀態(tài)，故障電流驟減。1 min后，Ⅱ線的B相被擊穿造成Ⅱ線BC相間故障(兩相接地故障)引發(fā)Ⅱ線開關(guān)保護(hù)跳閘。

保護(hù)動(dòng)作情況：

第1次故障，05：14時(shí)，35 kVⅠ、Ⅱ兩線異名相故障。Ⅰ開關(guān)保護(hù)動(dòng)作跳閘，但Ⅱ開關(guān)保護(hù)僅啟動(dòng)未動(dòng)作跳閘；

第2次故障，05：15時(shí)，35 kVⅡ線相間故障，保護(hù)動(dòng)作跳閘。

故障錄波記錄圖見圖6至圖8。

從圖6、圖7分析，05：14時(shí)，Ⅰ線與Ⅱ線開關(guān)動(dòng)作行為正確(前者保護(hù)動(dòng)作跳開開關(guān)、后者未動(dòng)作)，具體計(jì)算分析如下：

Ⅰ線過電流Ⅰ段設(shè)定動(dòng)作值為2352 A，動(dòng)作時(shí)間0 s。Ⅰ線故障波形中A相故障電流計(jì)算為40×120/1.414=3400 A，大于保護(hù)過流Ⅰ段設(shè)定動(dòng)作值，符合保護(hù)動(dòng)作邏輯。

圖6 Ⅰ線的故障波形

圖7 Ⅱ線的故障波形

圖8 Ⅱ線的再次故障波形

Ⅱ線過電流Ⅰ段設(shè)定動(dòng)作值為2880 A，動(dòng)作時(shí)間0 s。Ⅱ線故障波形中C相故障電流計(jì)算為32×120/1.414=2710 A，小于保護(hù)過流Ⅰ段設(shè)定動(dòng)作值，符合保護(hù)不動(dòng)作邏輯。

結(jié)合圖6、圖7的波形中兩條線路電流和同一時(shí)間的母線電壓看：Ⅰ線A相接地，引起35 kV系統(tǒng)兩非故障相電壓升高，結(jié)果導(dǎo)致Ⅱ線C相因電壓升高而引起電纜絕緣水平降低，長時(shí)間運(yùn)行后惡化為接地故障，此時(shí)35 kV系統(tǒng)存在A相與C相兩個(gè)接地點(diǎn)，形成兩點(diǎn)接地故障情況。兩點(diǎn)接地故障會(huì)在Ⅰ線與Ⅱ線的A相與C相中產(chǎn)生較大的故障電流，但由于實(shí)際故障電流的差異造成Ⅰ線保護(hù)能正確跳閘、Ⅱ線保護(hù)啟動(dòng)而無法跳閘。

圖8顯示Ⅱ線C相由于達(dá)不到保護(hù)動(dòng)作電流而長期接地，同樣非故障相電壓會(huì)升高為線電壓，Ⅱ線B相由于長時(shí)間承受高電壓而擊穿接地。從圖8故障電流可見，Ⅱ線B相擊穿后在本線形成BC相間故障，同一條線路故障電流會(huì)極劇增加而動(dòng)作切除故障，但第1次故障的情況則不同。

本次故障如果在故障的第1階段就切除兩條故障線路，就不會(huì)導(dǎo)致第2階段的絕緣擊穿事件。同時(shí)二次絕緣擊穿僅僅發(fā)生在一次擊穿事件后1 min，說明設(shè)備絕緣水平在一次擊穿時(shí)已到擊穿邊緣，一次擊穿時(shí)就應(yīng)快速切除兩條故障線路。幸好Ⅱ線的絕緣擊穿點(diǎn)在CT內(nèi)側(cè)，第2次故障僅造成一次設(shè)備電纜成本的損失。實(shí)際由于二次絕緣擊穿點(diǎn)隨機(jī)，該電網(wǎng)亦發(fā)生過在開關(guān)觸點(diǎn)的絕緣擊穿(CT外側(cè))，造成主變壓器低后備保護(hù)動(dòng)作，跳開35 kV低壓側(cè)母線，所有用戶負(fù)荷均被甩掉，經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)影響巨大。

異名相兩點(diǎn)接地時(shí)，正常均靠原有過電流保護(hù)裝置就可動(dòng)作切除。但本次由于消弧線圈的不均橫補(bǔ)償作用，出現(xiàn)線路Ⅱ線故障電流偏小，導(dǎo)致線路未被切除的情況。為此，采用所提出的保護(hù)配置方案，以大故障電流線路的電流判據(jù)為啟動(dòng)量，進(jìn)一步采用接地距離保護(hù)模塊選出小故障電流線路，在故障第1階段準(zhǔn)確切除兩條故障線路，證明了所提方法的正確性及有效性。

5 結(jié) 語

消弧線圈接地系統(tǒng)不同線路異名相兩點(diǎn)接地時(shí)，兩條故障線路電流存在差異。研究表明，這種差異會(huì)導(dǎo)致兩條線路不同時(shí)動(dòng)作，由于單一故障的切除使系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單相接地故障狀態(tài)，而一次設(shè)備處于絕緣破壞邊界，重復(fù)的單相接地故障過電壓極易導(dǎo)致一次設(shè)備損壞及故障范圍擴(kuò)大。

建立了異名相接地故障一般數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合電路疊加原理，求得兩條故障線路故障電流及其差值解析式。從理論上說明了故障電流差異產(chǎn)生原因，并以此為依據(jù)，提出了針對異名相兩點(diǎn)接地故障的保護(hù)配置方案。實(shí)際電網(wǎng)故障錄波分析證明了理論分析的正確性。如何設(shè)計(jì)出通用算法及裝置，并在實(shí)際配電網(wǎng)中逐步推廣應(yīng)用是值得深入研究的問題。