中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng)異地兩相短路故障的案例分析

王學(xué)羽

（唐山開灤東方發(fā)電有限公司，河北 唐山 063100）

根據(jù)事故統(tǒng)計(jì)資料可知，對(duì)于中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)，在查找單相接地故障過(guò)程中，很容易在非故障相引發(fā)第2個(gè)接地點(diǎn)，造成裝有低電壓閉鎖的過(guò)電流繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)，擴(kuò)大事故范圍.在中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)的整定計(jì)算和接地線校驗(yàn)熱穩(wěn)定計(jì)算等工作中，需要進(jìn)行系統(tǒng)異地兩相接地短路電流計(jì)算.因計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，許多設(shè)計(jì)手冊(cè)和教材中不涉及.目前，文獻(xiàn)中通用的算法是，對(duì)簡(jiǎn)單線路采用將網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)，列寫回路方程進(jìn)行求解［1］；對(duì)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)采用解四端網(wǎng)絡(luò)方程，用計(jì)算機(jī)求解［2-3］，但是采用這些算法求解相當(dāng)困難.

筆者通過(guò)對(duì)開灤東部礦區(qū)35kV電網(wǎng)的異地兩相短路故障案例分析，即從故障邊際條件入手，用對(duì)稱分量法分析其故障點(diǎn)的對(duì)稱分量，先構(gòu)造異地兩相短路故障的復(fù)合序網(wǎng)，再分拆成2個(gè)單相接地短路的復(fù)合序網(wǎng)，然后用計(jì)算單相接地短路電流的方法，計(jì)算中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)異地兩相短路電流.根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)完善繼電保護(hù)整定工作提出建議.該方法可適用于多電源、在同一網(wǎng)絡(luò)不同母線引出的不同線路的異地兩相短路.

1 案例分析

1.1 事故介紹

開灤東部礦區(qū)電網(wǎng)是唐山地區(qū)下屬35kV自備電網(wǎng)，主要承擔(dān)煤礦的供電任務(wù).2010年2月23日晚，在10min之內(nèi)相繼發(fā)生了A，C兩相接地的故障，引起A，C兩相異地短路，由于368，336開關(guān)的過(guò)電流保護(hù)拒動(dòng)，造成母聯(lián)345開關(guān)越級(jí)跳閘，發(fā)生自備電網(wǎng)與系統(tǒng)的解列事故，如圖1所示.

圖1 電力系統(tǒng)異地兩相故障Figure 1 Two-phase grounding fault in different spots

1.2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的異地兩相短路故障分析

為分析該問(wèn)題，必須進(jìn)行35kV系統(tǒng)的異地兩相短路電流計(jì)算.35kV電力系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)沒(méi)有故障電流［4-6］.因變壓器側(cè)零序阻抗無(wú)窮大，零序回路為開路，也沒(méi)有零序電流，無(wú)法用復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算故障相電流.但是，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異地兩相短路故障時(shí)，2個(gè)故障點(diǎn)間卻產(chǎn)生了故障電流.從故障點(diǎn) A，沿著368，316，326，336線路到故障點(diǎn)C，再經(jīng)過(guò)大地回到A點(diǎn)，其零序回路是閉合的，具有零序電流.由事故案例的故障邊界條件所知，故障線路368的A相電流等于336的C相電流，其他非故障相故障電流為零.即I386A＝-I336C；I386C＝I386B＝0；I336A＝I336B＝0.A，C故障端口都符合單相接地短路故障的計(jì)算條件.在單相接地短路電流計(jì)算中，其正序電流、負(fù)序電流和零序電流相等.

根據(jù)故障邊界條件，應(yīng)用對(duì)稱分量法，分析386A相、336C相同時(shí)接地短路故障.故障口電流與對(duì)稱分量電流的關(guān)系：I386A＝-I336C.

式（1）、（2）與單相接地短路故障公式［1-2］比較，兩處故障點(diǎn)的正序電流、負(fù)序電流、零序電流的數(shù)值均相等，只是方向相反.因計(jì)算單相接地短路電流時(shí)，其正序、負(fù)序、零序序網(wǎng)是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此，368A相和336C相故障點(diǎn)處的正序網(wǎng)絡(luò)、負(fù)序網(wǎng)絡(luò)、零序網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的復(fù)合序網(wǎng)電路結(jié)構(gòu)也為串聯(lián)結(jié)構(gòu).根據(jù)單相接地短路電流計(jì)算的串聯(lián)特性，畫出復(fù)合序網(wǎng)，如圖2所示.

選取基準(zhǔn)容量SB＝1 000MV·A，基準(zhǔn)電壓UB為平均電壓，將電網(wǎng)參數(shù)折算成標(biāo)幺值進(jìn)行計(jì)算.繪出系統(tǒng)異地A，C相短路阻抗圖.正序、零序阻抗計(jì)算值如圖3所示.

利用戴維南定理和圖3數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出368A相和336C相短路端口的正序復(fù)合序網(wǎng)的等效阻抗值.系統(tǒng)側(cè)正序阻抗等于負(fù)序阻抗，為1／（1／1.435＋1／（0.088＋1.922））＋1.39＝2.23；發(fā)電機(jī)側(cè)正序阻抗等于負(fù)序阻抗，為 1／（1／1.922＋1／（0.088＋1.435））＋0.80＝1.65.流通故障電流的線路總零序阻抗為4.17＋0.41＋2.4＝6.98.

圖2 電力系統(tǒng)異地兩相短路復(fù)合序網(wǎng)Figure 2 Composite sequence network of power system two-phase grounding faults in different spots

圖3 電力系統(tǒng)異地兩相短路阻抗Figure 3 Impedance for power system different-places two-phase grounding faults

為了使用計(jì)算單相接地短路電流的方法，根據(jù)邊界條件，將包含兩處短路故障復(fù)雜的復(fù)合序網(wǎng)轉(zhuǎn)化成2個(gè)單獨(dú)計(jì)算單相接地短路故障的簡(jiǎn)單復(fù)合序網(wǎng)，再求解.2個(gè)故障點(diǎn)的復(fù)合序網(wǎng)，其故障相的正序電流相等，都等于圖2復(fù)合序網(wǎng)的正序電流.

為了保證368A故障復(fù)合序網(wǎng)和336B故障復(fù)合序網(wǎng)的正序電流不變，必須使2個(gè)復(fù)合序網(wǎng)中的正序電流相等，因而須將流通故障電流線路的總零序阻抗6.98分拆到2個(gè)復(fù)合序網(wǎng)中，即

將X336［0］，X368［0］分別計(jì)入2個(gè)復(fù)合序網(wǎng)中.2個(gè)單相短路電流的復(fù)合序網(wǎng)如圖4所示.運(yùn)用計(jì)算單相短路電流的方法進(jìn)行異地兩相短路電流計(jì)算.

圖4 2個(gè)單相接地故障復(fù)合序網(wǎng)Figure 4 Composite sequence network of two single-phase grounding faults

分別對(duì)2個(gè)單相接地短路故障進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算故障線路的電流值、母線電壓值.368，336這2個(gè)單相接地故障的復(fù)合序網(wǎng)計(jì)算結(jié)果：

1）368故障端口處.A 相短路電流＝6.35kA；雞冠山變電站母線電壓UAC＝UAB＝0.972 9UB，UBC＝0.886 4UB.

2）336故障端口處.C 相短路電流＝6.35kA；林西電廠變電所母線電壓值UAC＝UBC＝0.972 4UB，UAB＝0.884 7UB.

通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，從理論上證明：368和336線路發(fā)生異地兩相短路時(shí)，母線電壓并沒(méi)有大幅下降，低電壓閉鎖也沒(méi)有啟動(dòng)，368，336開關(guān)的過(guò)電流保護(hù)裝置沒(méi)有動(dòng)作.

基于此判斷，停用供電線路上的低電壓閉鎖功能.2010年5月27日，在368末端處電纜頭又發(fā)生一次單相接地，隨后再次引起系統(tǒng)非故障相電壓升高，使336電纜頭被擊穿，造成異地兩相短路事故，這次事故中，因336，368開關(guān)過(guò)電流保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作跳閘，及時(shí)切除了故障點(diǎn)，沒(méi)有造成345開關(guān)的越級(jí)跳閘，林西電廠沒(méi)有與系統(tǒng)解列而擴(kuò)大事故.該計(jì)算結(jié)果也從事故中得到了驗(yàn)證.

2 故障分析公式總結(jié)

1）通過(guò)35kV系統(tǒng)異地兩相短路故障的計(jì)算，筆者總結(jié)出一種計(jì)算中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)異地B，C兩相短路電流的通用方法.

短路點(diǎn)正序電流：式中Xb1和Xb2分別為b點(diǎn)故障端口的正序網(wǎng)絡(luò)阻抗和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)阻抗值；Xc1和Xc2分別為c點(diǎn)故障端口的正序網(wǎng)絡(luò)阻抗和負(fù)序網(wǎng)絡(luò)阻抗值；X0是從b到c零序電流流過(guò)的線路零序阻抗值.

短路電流：

2）當(dāng)b和c故障點(diǎn)距離逐漸接近，b，c點(diǎn)重合時(shí)，即Xb1＝Xc1＝X1；Xb2＝Xc2＝X2；X0＝0；式（3）變?yōu)槎搪冯娏魍剑?），這正是兩相短路故障的短路電流通用計(jì)算公式.因此，可以認(rèn)為，兩相短路電流計(jì)算公式是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)異地兩相短路計(jì)算公式的一種特例.

3）通過(guò)異地兩相短路故障案例的計(jì)算結(jié)果可以看出，發(fā)生異地兩相短路故障時(shí)，故障線路的母線電壓變化不大，電壓降低幅度較小.如果裝設(shè)低電壓閉鎖的過(guò)電流保護(hù)，取70%Ue，將達(dá)不到低壓繼電器啟動(dòng)值，而閉鎖該保護(hù)裝置，致使過(guò)電流保護(hù)拒動(dòng).

4）異地兩相短路過(guò)程中，母線電壓不大幅降低的原因是，故障過(guò)程中，在故障線路、聯(lián)絡(luò)線路中形成了零序電流回路，線路零序阻抗可達(dá)到線路正序阻抗的3.0～4.7倍，從而降低了正序分量電流，降低了故障相的電壓降損耗［7-8］.

3 結(jié)語(yǔ)

在繼電保護(hù)整定技術(shù)管理工作中，對(duì)于中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng)，在配置線路過(guò)電流保護(hù)中，建議不配置低電壓閉鎖裝置；為保證過(guò)電流保護(hù)靈敏度的要求，如果確實(shí)需要配置低電壓閉鎖裝置，建議對(duì)系統(tǒng)異地兩相短路故障下的短路電流、母線電壓進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)該低電壓整定值進(jìn)行校驗(yàn).

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