一起35 kV系統(tǒng)非金屬性三相短路保護動作行為分析

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號主變35 kV復(fù)合電壓過流一段保護動作跳閘，而35 kV出線保護一套未動作。為什么單相接地時主變35 kV后備保護動作而35 kV出線保護不動作？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，因而造成上述保護的動作行為。

1 事故經(jīng)過及繼電保護動作情況

1.1 事故發(fā)生經(jīng)過

2010年5月31日5時47分31秒，某110 kV變電站2號主變35 kV后備保護動作啟動，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)；在保護啟動時35 kV小電流接地選線系統(tǒng)報368線路接地。故障發(fā)生后，經(jīng)現(xiàn)場檢查一、二次設(shè)備，各保護設(shè)備經(jīng)試驗無異常，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)正常運行方式。

1.2 事故時系統(tǒng)運行方式

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

2 短路電流和保護動作行為分析

如果故障點在母線及主變中壓側(cè)引線上,那么主變保護的動作行為正確。但經(jīng)現(xiàn)場認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 保護裝置動作錄波圖分析

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

打印故障時2號主變中壓側(cè)后備保護錄波圖，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號主變中壓側(cè)后備保護裝置動作正確。由于35 kV出線錄波數(shù)據(jù)很小與負荷電流差不多，故沒有參考價值。取故障時某一時刻相關(guān)錄波矢量值（二次值），如表1所示。

表1 故障時各錄波故障量

2.2 保護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 保護定值配合正確性分析

保護裝置無異常，那么是不是保護配置存在問題?且查閱相關(guān)定值單。

（1）2號主變35 kV側(cè)配置后備保護（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），時間0.6 s，跳2號主變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），時間1.7 s，跳2號主變35 kV側(cè)302開關(guān)；其中2號主變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。電流速斷保護整定電流最大1 800 A，時間為0 s；延時電流速斷保護整定電流最大1 780 A，時間為0.3 s；過電流保護整定電流最大700 A，時間為1.4 s。其中電流速斷保護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的最大短路電流整定；延時電流速斷保護主要按線路末端故障有一定的靈敏度整定；過電流保護主要按躲過出線上最大負荷電流整定[1]。

以上保護定值完全按DL/T 584—2007規(guī)程進行整定，符合逐級配合的整定原則，正常情況下，當線路上發(fā)生了短路故障時，線路保護一般能先于主變后備保護動作，所以保護TA配置及相互配合上是沒有問題的。

2.4 短路故障計算分析

通過上面保護動作行為分析，發(fā)現(xiàn)不管是保護裝置，還是保護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)壓過流一段動作跳閘，而35 kV出線保護卻沒有跳閘？通過對錄波數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)三相均有電流，且不對稱，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 故障時各故障量

表2中35 kVⅡ段母線各相對地等值阻抗由各自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)中性點不接地，零序電流為系統(tǒng)的電容電流，在進行短路電流計算時可以忽略不計，由故障時的等值電路圖可以得出：++=0。同時通過主變保護錄波量可驗證得到：++=0.014 1e-j123°。這就是說母線上的零序電壓等于故障點的零序電壓，即該電網(wǎng)中的零序電壓處處相等,與故障點的位置無關(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，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，這是一個典型的非金屬性三相短路[2，3]。

2.5 保護動作行為分析

由ZB=1.649 4 Ω可以確定，B相接地點離母線較近，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；同時由ZA=15.589 7 Ω，ZC=31.704 6 Ω可以確定，A相和C相對地等值電阻較小，聯(lián)系到此變電站地處化工園區(qū)，35 kV出線較多；同時根據(jù)小電流接地系統(tǒng)單相金屬性接地，另外兩相對地電壓升高為線電壓的特性，進一步加劇A相和C相對地絕緣下降，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相對地整體絕緣下降，由多條35 kV出線A相和C相多點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相接地時的電網(wǎng)圖。

由于本變電站35 kV線路保護采用A相和C相兩相不完全星型電流接線，根據(jù)2號主變35 kV后備保護錄波圖可以看到，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；同時本線路和其他線路A相和C相兩相各自分得的電流卻很?。ü灿?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出線保護錄波證明了這一結(jié)論），加上該線路負荷電流后可以看出遠小于線路延時電流速斷保護定值（最小1 200 A，0.3 s），因此線路保護不會動作。

而主變保護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，因此故障達到2號主變35 kV復(fù)壓過流Ⅰ段時間定值后動作跳閘，該保護動作行為是正確的。

3 關(guān)于35 kV線路保護TA配置的探討

由上述分析可知，非金屬性三相短路時，單相接地線路的B相故障電流很大，但由于35 kV出線保護沒有配置TA，而無法判斷故障的發(fā)生，那么可以通過改進線路保護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越級跳閘，但此接線方式僅能提高線路保護的靈敏度。

3.2 三相三繼電器方式

如果線路保護采用三相完全星型電流接線，則發(fā)生B相接地的線路會因為B相電流大于線路保護動作值而正確動作，而不會由主變后備保護動作而越級動作擴大停電范圍。

但是該接線方式缺點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造成2條線路同時跳閘，增加了負荷損失。

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號主變35 kV后備保護的動作行為是正確的；

（3）對于化工工業(yè)園區(qū)和污穢等級較高的變電所，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出線保護無法動作而由主變后備保護動作跳閘來切除故障；

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

（5） 根據(jù)計算，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際電容電流已達14.1 A），需在該系統(tǒng)變壓器中性點加裝消弧線圈。

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

[2]江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護原理與實用技術(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)繼電保護與安全自動裝置整定計算[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[M].北京：中國水利水電出版社，2004.