小電阻接地系統(tǒng)兩點接地時保護誤動淺析

王小輝

(寶山鋼鐵股份有限公司能環(huán)部,上海 200941)

1 概述

某鋼鐵廠原料區(qū)域3 kV系統(tǒng)采用電阻接地方式,接地電阻為18.19 Ω。接地零序電流最大為100 A,其單線圖如圖1所示。主變設(shè)置差動保護、中性點接地零序電流保護、非電量保護、高低壓側(cè)過流及速斷保護,饋線設(shè)置速斷、過流及接地零序保護,保護繼電器為電磁型繼電器,饋線均為電纜送出方式。

2017年7月29日,某冶建單位在混勻料場封閉改造項目時由于未對地下電纜進行確認,直接采用機器開挖的方式,施工時將原料變原35電纜挖斷(故障點見圖1所示),事故造成原35電纜A、B相兩點接地。圖2中紅色圓圈處為電纜在本次施工作業(yè)中被鎬機外力損傷部分。原35電纜為雙拼電纜,每拼電纜的型號為YJV-3 kV-3×325 mm2。

原35電纜故障時,接地零序電流保護未動作,1號主變中性點接地越級動作,導致原料變3 kV一段母線失電。由于電磁型繼電器不具備故障信息記錄功能,無法直接從繼電器內(nèi)部讀取信息對故障進行分析,本文將以短路電流計算方式對故障現(xiàn)象進行分析,找出保護越級動作原因。

2 原料變電所保護配置情況

原料變電所建于1982年,繼電保護采用日本進口電磁式繼電器,保護上下級主要靠反時限曲線的極差和定值大小進行配置。

主變接地零序電流保護繼電器型號為ICG2D-AT1,2 A、1 A,UP3T-SQ3,直流110 V,零序電流互感器變比為100/5 A。接地零序過流保護配置51NG。保護整定值為1 A,K=1(其中K為日本標準反時限曲線中時間選擇常數(shù)),動作延時20 s,即保護采用反時限接地過流保護,反時限曲線K=1,啟動值為1 A,外加20 s延時。

原35回路的接地零序電流保護繼電器型號為ICG2D-AT1,2 A、1 A,UP3T-SQ3,直流110 V,零序電流互感器變比為100/5 A。接地零序過流保護配置64+51G。保護整定值為0.9 A,K=5,即保護采用零序電壓閉鎖方式下反時限接地過流保護,反時限曲線K=5,啟動值為0.9 A。

由圖3可知,當故障電流位于保護整定電流值的1倍時,主變反時間動作時間為10 s,原35動作時間為50 s。

3 原料變保護越級動作原因分析

3.1 各元件零序等值阻抗計算

3.1.1 變壓器的正序阻抗計算

設(shè)基準容量為SB=15 MVA,基準電壓為UB=3 kV。在正序等值電路近似計算中,變壓器勵磁阻抗取無窮大,這樣雙繞組變壓器的正序等值電路僅是一個電抗。由參考文獻[1]變壓器的阻抗標幺值計算公式可得:

(1)

式中:XT為變壓器正序阻抗標幺值;Uk%為變壓器銘牌上的短路阻抗;SN為變壓器銘牌上的變壓器容量。將變壓器銘牌中參數(shù)代入計算可得XT=9.22。

3.1.2 變壓器零序參數(shù)和等值電路

由參考文獻[2]88推導出三柱式內(nèi)鐵型三相變壓器,折算到Y(jié)N側(cè)的變壓等值電抗為:

(2)

式中:X0為變壓器零序阻抗;XT1、XT2分別為一、二次繞路漏抗標幺值;Xμ0為零序漏磁阻抗。一般在短路計算中采用零序阻抗實測值,當無實測值時近似認為X0=0.8XT=7.376。

3.1.3 電纜線路及中性點電阻零序阻抗計算

原35電纜長度為1 450 m,故障發(fā)生地點為離變電所約1 000 m處,參考文獻[2]946～10 kV電纜參數(shù)為0.08 Ω/km。

則標幺值(ZL)為:

(3)

3.1.4 變壓器中性點電阻計算

中性點電流為100A,則電阻(Z)為

(4)

(5)

3.2 發(fā)生兩點接地故障時等效電路計算

兩點接地故障時等效電路如圖4所示。

圖4為本次故障時系統(tǒng)等效電路圖,系統(tǒng)正序、負序阻抗為:

Z1=Z2=ZL+XT+Z′

(6)

式中:Z1為正序阻抗;Z2為負序阻抗;XT為變壓器阻抗;Z′為接地點過渡電阻。

系統(tǒng)零序阻抗(Z0)為:

Z0=ZL+Z′+X0+3Z′

(7)

式中:X0為變壓器零序阻抗。

(8)

式中:

(9)

將式(9)代入式(8)化簡可得:

(10)

由于電纜阻抗很小,在計算時忽略電纜阻抗,將標幺值轉(zhuǎn)化為實際值:

(11)

從式(11)中可以得出,接地電流大小與正序和零序阻抗有關(guān)。

當發(fā)生金屬接地故障時,正序、負序阻抗為線路阻抗和變壓器阻抗,即:

Z1=Z2=ZL+XT+Z′=0.133+9.22j

(12)

零序阻抗(Z0)為:

3×30.3=91.033+7.376j

(13)

當發(fā)生非金屬性接地故障時,將數(shù)據(jù)代入式(11):

(14)

從式(14)可以看出,系統(tǒng)接地電流與故障點過渡電阻有關(guān),當過渡電阻為零即系統(tǒng)發(fā)生金屬性接地故障時,代入數(shù)據(jù)I′g=47 A;當過渡電阻為100 Ω時,接地電流I′g≈18 A。

從圖2中電纜損壞情況來看,發(fā)生接地故障,電纜的主絕緣損壞程度并不是很嚴重,當時發(fā)生接地故障時的過渡電阻應(yīng)該較大,當過渡電阻為100 Ω時,主變零序保護和原35電纜的接地保護都會啟動。

本文的算例是針對單母線分段的配電系統(tǒng)進行分析。當一次供配電系統(tǒng)接線方式比較復雜時,可通過參考文獻[4]中小電流接地系統(tǒng)兩點異相接地故障的計算模型對接地電流大小和相位進行計算。

4 保護動作特性分析及整改措施

4.1 保護動作特性分析

從上節(jié)的計算可以看出,發(fā)生兩相非金屬接地時,當過渡電阻阻值為100 Ω左右時,接地電流在18 A左右,電磁型繼電器都可能會啟動,此時啟動值約為1倍的整定電流,主變的動作時間小于原35電纜動作時間。因此,發(fā)生主變中性點保護越級跳閘現(xiàn)象。

在電力系統(tǒng)中,一般220 kV采用中性點直接接地。零序保護一般分為Ⅳ段:零序Ⅰ段按保全線(本線路末端接地故障)有1.5靈敏度整定,動作時限T1=0;零序電流Ⅱ段按保全線有1.5靈敏度整定,T1=0.15 s;零序電流Ⅲ段按保全線有2.0靈敏度整定;零序電流Ⅳ段按一次值不大于300 A整定,取2.5 A,1.2 s。

在工礦企業(yè)中,一般采用中性點電阻接地系統(tǒng),每一個元件的零序電流保護僅設(shè)零序Ⅰ段。啟動值按照接地電流的20%選取,即3 kV系統(tǒng)如果接地電流為100 A時,零序Ⅰ段的整定值為20 A (折算到一次側(cè))。在保護上下級配合方面,以總降站變壓器中性點保護為零序保護第一級,總降站饋線開關(guān)為第二級,用戶變電所的饋線開關(guān)為第三級。總降站變壓器中性點保護、總降站饋線開關(guān)、用戶側(cè)饋線開關(guān)在零序保護整定時要在整定值和動作時間上設(shè)定一定的極差,以確保保護工作的選擇性。某鋼廠在設(shè)置零序保護過程中,為了使上下級能夠匹配,同時兼顧接地電流大時,保護能快速動作,上下級保護采用反時限過流曲線,并在主變中性點側(cè)增加20 s延時。該整定方式在發(fā)生較大接地電流的接地故障時能滿足上下級保護動作的選擇性要求,保護裝置能正確動作,切除故障。但在接地電流小于等于1.2倍整定值時,饋線接地保護的動作時間慢于主變中性點接地保護的動作時間,造成主變中性點接地保護先動作,越級跳閘。

4.2 改進措施

由于鋼鐵廠饋線均采用電纜線路供電,電纜在發(fā)生接地故障時一般主絕緣會被擊穿,如果不及時切除故障將導致相間短路,因鋼鐵企業(yè)負荷大部分為電動機負荷,電動機在啟動或運行時可能存在較大不平衡電流,此不平衡電流較小但可能持續(xù)時間較長,采用定時限零序過流保護時容易造成保護誤動,按照反時限零序過流保護整定有助于提高在不平衡電流較小時的可靠性,確保保護裝置可靠不誤動。建議保留按反時限零序保護整定原則。

在保護上下級時限設(shè)置時,由于曲線有一定交叉,建議將主變中性點零序過流和饋線零序過流均選擇同一曲線,即K=5。主變中性點保護再增加5 s延時,這樣避免主變保護越級動作。

4.3 保護定值改動后與一次系統(tǒng)匹配情況

根據(jù)饋線保護定值整定曲線,原有饋線保護整定曲線是滿足保護線路全段的要求的,主變保護定值更改后僅增加了主變中性點側(cè)至變電所內(nèi)中性點電阻柜電纜、主變二次側(cè)至饋線開關(guān)上樁頭側(cè)接地故障的動作時間。以上部分均在電氣室內(nèi)部電纜隧道和開關(guān)柜內(nèi),發(fā)生接地故障概率較低,且發(fā)生故障時故障處于線路始端,故障電流大,動作時間快。中性點電阻柜能承受金屬性接地故障(3 kV接地電流100 A) 30 s,滿足裝置承受故障時間大于保護切除故障時間的要求。

5 小結(jié)

中性點電阻接地系統(tǒng)目前廣泛運用于工礦企業(yè)高壓電纜供電系統(tǒng),且國家電網(wǎng)也在其中低壓系統(tǒng)中逐步擴大中性點電阻接地運用,中性點電阻接地系統(tǒng)可有效、快速切除電纜接地故障,確保系統(tǒng)安全。本文通過合理修改上下級零序保護動作定值和時間,滿足保護可靠性、選擇性的要求。