35 kV 集電線路單相接地故障擴大至接地變壓器保護越級動作的事件分析

張慶波，王 宇，騰依海，潘冬慧

(1. 吉林龍源風力發電有限公司，長春 130022；2. 吉林建筑大學，長春 130118)

0 引言

目前，風電場變電站35 kV 集電線路多采用加裝接地變壓器(下文簡稱“接地變”)構成低阻接地的接線方式，形成1 條零序電流通道，以便當主變低壓側35 kV 母線及其所帶集電線路(下文簡稱“35 kV 系統”)發生接地故障時，可根據接地點所在位置，由相應零序保護有選擇性地動作，將接地故障隔離，以防電弧重燃引發過電壓，從而保證電網設備的安全[1]。

當變電站運行正常時，35 kV 集電線路接地保護處于正常投入狀態；一旦發生接地故障，35 kV集電線路保護裝置能夠快速隔離接地故障點，保證設備的安全。本文以某風電場為例，通過該風電場發生的一起35 kV 集電線路單相接地故障擴大至接地變保護越級動作的事件，結合現場的實際情況對此類故障進行了分析，并提供了解決辦法。

1 事件分析

2016 年11 月23 日，某風電場發生了35 kV集電線路單相接地故障，詳細情況的后臺報文如表1 所示。表中，SOE 為事件順序記錄(sequence of event)，記錄故障發生的時間和事件的類型。

表1 35 kV 集電線路單相接地故障的后臺報文Table 1 Background messages of single phase ground fault of 35 kV collecting line

通過表1 的報文可看出，21:00:10.072 時，35 kV 1 號接地變零序過流I 段保護動作使35 kV 1 號接地變開關跳閘；經過約35 s， 35 kV 集電01 線過流I 段保護動作，35 kV 集電01 線開關跳閘；35 kV 集電01 線開關跳閘后，故障消除，全站事故總信號復歸。

1.1 保護定值的分析

針對此事件進行討論，保護定值情況如表2所示。

表2 保護定值表Table 2 Protection setting

從表2可以看出，各段零序保護定值邏輯正確。

1.2 故障報文分析

對該事件的故障報文進行分析，主要從保護裝置保護動作準確性、邏輯關系正確性方面進行深入分析，分析結果如下：

1)對35 kV 1 號接地變保護裝置的報文進行檢查，該保護裝置的報文如表3 所示。

表3 35 kV 1 號接地變保護裝置的報文Table 3 35 kV No.1 ground transformer protection device message

保護裝置的報文顯示，35 kV 1 號接地變故障零序電流大于零序過流I 段保護定值，零序過流I 段保護正確動作。

2)對35 kV 集電01 線保護裝置的報文進行檢查，該保護裝置的報文如表4 所示。

保護裝置的報文顯示，35 kV 集電01 線沒有零序保護動作，35 kV 集電01 線故障電流大于過流I 段保護定值，過流I 段保護正確動作。

表4 35 kV 集電01 線保護裝置的報文Table 4 35 kV collecting 01 line protection device messages

3)故障錄波顯示，35 kV 1 號接地變跳閘前，35 kV 母線的三相電壓分別為UA=33.9 kV、UB=2.8 kV、UC=35.2 kV，35 kV 集電01 線零序電流為0.69 A；在35 kV 集電01 線跳閘后，母線電壓恢復正常。

4)故障錄波顯示，35 kV 集電01 線跳閘前，35 kV 集電01 線BC 相之間最大電流達到30.451 A。

由此推斷，單相接地故障發生在35 kV 集電01 線B 相的某一點，由于35 kV 集電01 線環形零序電流互感器(CT)未能有效檢測到零序電流，35 kV 集電01 線零序過流保護未能有效動作，導致35 kV 1 號接地變越級跳閘。35 kV集電01 線B 相對C 相電纜持續放電，導致C相電纜絕緣被破壞，發生相間短路，35 kV 集電01 線過流I 段保護動作，35 kV 集電01 線開關跳閘。

經現場檢查確認，35 kV 集電01 線開關柜內高壓電纜B、C 相絕緣被破壞，發生相間短路，與推斷結論相符。

1.3 35 kV 集電01 線環形零序CT 的運行情況分析

35 kV 集電01 線環形零序CT 基于基爾霍夫電流定律(KCL)，即：假設流入某節點的電流為正值，流出電流為負值，則此節點的電流的代數和等于零。圖1 為35 kV 系統接地電流分布圖。圖中，G 點和H 點為電纜兩端外鎧接地點，G 點、H 點以上部分代表電纜兩端外鎧，G 點、H 點以下部分代表大地良導體；Id為環形零序CT 檢測到的零序電流；Idp、Idq為電纜兩端外鎧接地點至接地故障點所流經的電流。

如圖1 所示，正常情況下，當D 點發生金屬性接地故障時，35 kV 集電01 線環形零序CT 檢測到的零序電流Id=3I0=Idp+Idq。而當35 kV 集電01 線環形零序CT 把外鎧也套住時，環形零序CT 檢測到的零序電流Id=3I0－Idp=Idq，該值遠小于實際零序電流值。此種情況時零序保護的靈敏度會大幅降低， 容易造成保護拒動的情況[2]。

圖2 為故障前環形零序CT 與電纜金屬屏蔽接地線位置圖。現場檢查發現，電纜金屬屏蔽接地線與環形零序CT 處于同一水平位置(見圖2)，使35 kV 集電01 線環形零序CT 檢測到的零序電流包含電纜金屬屏蔽接地線的部分電流，且檢測到的零序電流遠小于35 kV 1 號接地變所檢測到零序電流，進而導致發生單相接地故障時，35 kV 集電01 線零序保護拒動，而35 kV 1 號接地變零序保護越級動作的發生。

2 解決方案

調整電纜金屬屏蔽接地線及環形零序CT 相對位置：重新制作35 kV 集電01 線電纜終端，先將35 kV 集電01 線電纜接地點調整到環形零序CT 上方，然后將電纜接地線穿過環形零序CT 接地。整改后的環形零序CT 與電纜金屬屏蔽接地線位置圖如圖3 所示。

整改后，對35 kV 集電01 線環形零序CT進行升流試驗，驗證零序CT 變比150/50 正常，伏安特性正常。通過外加與故障電流大小相等的電流，即外加1.96 A 零序電流，測量零序保護動作時間，35 kV 集電01 線環形零序CT 保護試驗采樣值的測量結果如表5 所示。

表5 35 kV 集電01 線環形零序CT 保護試驗采樣值的測量結果Table 5 Measurement results of 35 kV collecting 01 line annular zero sequence CT protection test value

從表5 的測量結果可以看出，35 kV 集電01線零序過流I 段保護動作時間均小于35 kV 1 號接地變零序過流I 段保護動作時間約500 ms，符合保護動作邏輯。

3 結論

本文對某風電場發生的一起35 kV 集電線路單相接地故障擴大至接地變保護越級動作的事件進行了分析，結果表示，環形零序CT 把電纜外鎧套住時，零序CT 檢測到的零序電流會大幅降低，嚴重影響了零序過流保護的靈敏度，容易造成保護拒動。當現場發生環形零序CT 把電纜外鎧套住的情況時，可以采取重新制作35 kV 集電01 線電纜終端，調整電纜金屬屏蔽接地線及零序CT 相對位置的方式，從而可解決35 kV 集電01 線零序電流保護拒動的問題。