城市電網(wǎng)35 kV系統(tǒng)單相接地故障分析

金 英

(上海電力公司市區(qū)供電公司，上海 200080)

在城市電網(wǎng)220 kV及110 kV變電站中，35 kV接地方式主要采用接地變經(jīng)小電阻接地，35 kV接地變有兩種接入方式，即接地變接在35 kV母線上和接地變接在主變35 kV側(cè)。在一些老廠站中，還采用接地變接在35 kV母線上，該方式的特點是主變回路與接地變回路完全獨立，接地變要占用一個倉位，接地變開關(guān)跳閘聯(lián)跳同母線主變35 kV開關(guān) (主變35 kV開關(guān)跳閘不聯(lián)跳接地變開關(guān))。近幾年新建廠站中，多采用接地變接在主變35 kV側(cè)的方式，該方式的特點是主變與接地變必須一一對應(yīng)運行，二者必須作為一個整體考慮，不能分別停役檢修，但接地變不占用倉位。兩種接入方式的接地變位置不同，相應(yīng)的零流保護(hù)配置也不同，因此，利用對稱分量法，按照故障點位置的不同，對零流保護(hù)的配置及動作情況進(jìn)行分析。

1 對稱分量法分析單相接地故障

對稱分量法是分析不對稱故障的常用方法，根據(jù)對稱分量法，一組不對稱的三相量可分解成正序、負(fù)序和零序三組對稱的三相量，選A相為基準(zhǔn)相進(jìn)行不對稱短路分析時，各序網(wǎng)絡(luò)故障點的電壓、電流方程式為

Xf1、Xf2、Xf0——分別為正序、負(fù)序和零序網(wǎng)絡(luò)中短路點的輸入阻抗;

當(dāng)發(fā)生A相單相接地時，忽略負(fù)荷電流，接地點A相電壓為0，B、C兩相故障電流為0，即用對稱分量表示為即接地點相故障電流，整理可得

由此可知，對于經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，在忽略負(fù)荷電流的情況下，接地點故障相流過3倍的零序電流，而非故障兩相流過的電流為0，同時接地電阻上也流過3倍的零序電流。

單相接地點零序電壓最高，距離接地點越遠(yuǎn)，節(jié)點的零序電壓越低，因此，選取接地點至電源方向為零序電流正方向。

2 接地變接在35 kV母線上

2.1 35 kV出線發(fā)生單相接地故障 (A相)

35 kV出線發(fā)生單相接地時 (K點A相單相接地)，故障電流的流通路徑如圖1所示。

圖1 35 kV出線單相接地時故障電流流通路徑

各處電流互感器流過的零序電流:出線回路(a處電流互感器)接地點故障相A相流過的故障電流為，B、C兩相無故障電流流過，因此，a處電流互感器流過零序電流為主變35 kV回路 (b處)A相故障電流為C相故障電流均為，且與A相方向相反，因此，b處電流互感器流過零序電流為接地變35 kV回路 (c處)A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小同圖1中母線上流過的零序電流，因此，c處電流互感器流過零序電流為接地變中性點回路 (d處)流過零序電流為

2.2 35 kV母線發(fā)生單相接地故障

35 kV母線發(fā)生單相接地時，故障電流流通路徑如圖2所示。

圖2 35 kV母線單相接地時故障電流流通路徑

各處電流互感器流過的零序電流:a處無零序電流;b處A相故障電流為均為且與A相方向相反，因此，b處電流互感器流過的零序電流為，B、C相故障電流c處 A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小同圖2中母線流過的零序電流，因此，c處電流互感器流過零序電流為d處流過零序電流為

2.3 主變35 kV側(cè)發(fā)生單相接地故障

主變35 kV側(cè) (主變35 kV引出線與主變35 kV電流互感器之間)發(fā)生單相接地時，故障電流的流通路徑如圖3所示。

各處電流互感器流過的零序電流:a處無零序電流;b處A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小如圖3所示，因此，b處電流互感器流過的零序電流為c處A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小同圖3中母線流過的零序電流，因此，c處電流互感器流過零序電流為d處流過的零序電流為

圖3 主變35 kV側(cè)單相接地時故障電流流通路徑

由此可見，a處電流互感器在35 kV出線單相接地故障時有零序電流流過，b處電流互感器在主變35 kV引出線與主變35 kV電流互感器之間單相接地故障時有零序電流流過，c處電流互感器在三處單相接地故障時都有零序電流流過，d處電流互感器處于接地點位置，發(fā)生35 kV系統(tǒng)單相接地故障時會流過零序電流。

對于35 kV母線單相接地故障，裝設(shè)2套接地變零序電流保護(hù) (零流保護(hù)2為零流保護(hù)1的近后備)，零序電流取自d處電流互感器。兩套保護(hù)動作均跳接地變開關(guān)，并聯(lián)跳主變35 kV開關(guān)。該保護(hù)為35 kV母線單相接地的主保護(hù)，也是35 kV出線單相接地的后備保護(hù)。

對于35 kV出線單相接地故障，裝設(shè)2套出線零流保護(hù) (零流保護(hù)2為零流保護(hù)1的近后備)，零序電流取自a處電流互感器。保護(hù)動作跳35 kV出線開關(guān)。同時接地變零流保護(hù)也是35 kV出線單相接地的后備保護(hù)，當(dāng)35 kV出線單相接地時，出線零流保護(hù)先動作 (動作時間短)，跳出線開關(guān)。若保護(hù)或出線開關(guān)拒動，接地變零流保護(hù)動作，跳接地變開關(guān)，聯(lián)跳主變35 kV開關(guān)，切除故障，但擴(kuò)大停電范圍。

對于主變35 kV側(cè) (主變35 kV引出線與主變35 kV電流互感器之間)發(fā)生單相接地故障，若僅僅依靠接地變零流保護(hù)動作，接地變及主變35 kV開關(guān)跳閘后故障未被切除，而且系統(tǒng)接地點消失(接地變跳閘)，系統(tǒng)變成不接地系統(tǒng)，不構(gòu)成零序電流回路，非故障相對地電壓升高，容易造成絕緣損壞，從而發(fā)展成為進(jìn)一步故障。因此，需裝設(shè)主變35 kV零流保護(hù)，零序電流取自b處電流互感器。保護(hù)動作跳主變各側(cè)開關(guān) (不聯(lián)跳接地變開關(guān))，且其保護(hù)動作時間快于接地變零流保護(hù)動作時間，避免接地變零流保護(hù)先動作使系統(tǒng)接地點消失。若主變35 kV零流保護(hù)拒動，則接地變零流保護(hù)動作，會發(fā)展成為進(jìn)一步故障。

若接地變本體發(fā)生單相接地，只有d處電流互感器流過零序電流，靠接地變零流保護(hù)動作，跳接地變及主變35 kV開關(guān)，切除故障。

極端情況，若單相接地故障發(fā)生在主變35 kV電流互感器與主變35 kV開關(guān)之間，故障電流流通路徑與故障發(fā)生在35 kV母線相同，此時接地變零流保護(hù)動作，跳接地變及主變35 kV開關(guān)，但故障未被切除，會發(fā)展成為進(jìn)一步故障。

不將c處電流互感器零序電流引入零流保護(hù)的原因是，除接地變本體單相接地故障外，c、d兩處電流互感器均流過零序電流，為避免保護(hù)重復(fù)安裝及保護(hù)接地變本地單相接地，因此，只將d處電流互感器零序電流引入零流保護(hù)。

主變35 kV零流保護(hù)整定原則:保證保護(hù)范圍內(nèi)單相接地故障有足夠的靈敏度;時間定值必須與下級零流保護(hù)的時間定值配合，且比接地變零流保護(hù)時間定值小Δt(一般為0.3～0.5 s)，為躲過相間故障時不平衡電流，還需要比主變35 kV過流保護(hù)時間定值大Δt。

接地變零流保護(hù)整定原則:零流保護(hù)1電流定值整定原則為保證保護(hù)范圍內(nèi)單相接地故障有足夠的靈敏度，且與下級零流保護(hù)最后一階段定值配合。零流保護(hù)2電流定值整定可參照零流保護(hù)1的整定原則，同時為保證高阻接地時的靈敏度，其電流定值要小于零流保護(hù)1的電流定值;零流保護(hù)1的時間定值必須與母線上除接地變以外所有設(shè)備 (包括主變)零流保護(hù)最后一階段中最長時間定值配合。由于零流保護(hù)1、2動作所跳開關(guān)相同，無需時間級差配合，因此，零流保護(hù)1、2的時間定值相同。

3 接地變接在主變35 kV側(cè)

3.1 35 kV出線發(fā)生單相接地故障

35 kV出線發(fā)生單相接地時，故障電流流通路徑如圖4所示。

各處電流互感器流過的零序電流:a處接地點故障相A相流過的故障電流為，B、C兩相無故障電流流過，因此，a處電流互感器流過零序電流為b處A相流過的故障電流為，B、C兩相無故障電流流過，所以b處電流互感器流過的零序電流為c處A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小如圖4所示，因此，c處電流互感器流過的零序電流為d處流過的零序電流為

圖4 35 kV出線單相接地時故障電流流通路徑

3.2 35 kV母線發(fā)生單相接地故障

35 kV母線發(fā)生單相接地時，故障電流流通路徑如圖5所示。

圖5 35 kV母線單相接地時故障電流流通路徑

各處電流互感器流過的零序電流:a處無零序電流;b處A相流過的故障電流為，B、C 兩相無故障電流流過，因此，b處電流互感器流過的零序電流為c處A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小如圖5所示，因此，c處電流互感器流過的零序電流為d處流過的零序電流為

3.3 主變35 kV側(cè)或接地變35 kV側(cè)發(fā)生單相接地故障

主變35 kV側(cè) (主變35 kV引出線與主變35 kV電流互感器之間)或接地變35 kV側(cè)發(fā)生單相接地時，故障電流流通路徑如圖6所示。

圖6 主變35 kV側(cè)單相接地時故障電流流通路徑

各處電流互感器流過的零序電流:a處無零序電流;b處無零序電流;c處A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小如圖6所示，因此，c處電流互感器流過的零序電流為d處流過零序電流為

通過分析可以看出，a處電流互感器在35 kV出線單相接地故障時有零序電流流過，b處電流互感器在主變35 kV側(cè)或接地變35 kV側(cè)單相接地故障時沒有零序電流流過，c處電流互感器在三處單相接地故障時都有零序電流流過，d處電流互感器處于接地點位置，發(fā)生35 kV系統(tǒng)單相接地故障時都會流過零序電流。

35 kV出線單相接地故障，裝設(shè)2套出線零流保護(hù) (零流保護(hù)2為零流保護(hù)1的近后備)，零序電流取自a處電流互感器，保護(hù)動作跳35 kV出線開關(guān)。

35 kV母線單相接地故障，需要跳開主變35 kV開關(guān)切除故障。主變35 kV側(cè)或接地變35 kV側(cè)發(fā)生單相接地故障，需要跳開主變各側(cè)開關(guān)切除故障。保護(hù)這兩處單相故障，只需裝設(shè)2套接地變零流保護(hù)，即接地變零流保護(hù)1、2，零序電流取自d處電流互感器。接地變零流保護(hù)1動作跳主變35 kV開關(guān)，接地變零流保護(hù)2動作跳主變各側(cè)開關(guān)，零流保護(hù)1動作時間比零流保護(hù)2短。接地變零流保護(hù)1是35 kV母線單相接地的主保護(hù)，跳主變35 kV開關(guān)，同時又是35 kV出線單相接地的后備保護(hù)。主變35 kV側(cè)或接地變35 kV側(cè)單相接地時，接地變零流保護(hù)1先動作，跳主變35 kV開關(guān)，此時故障未被隔離，接地變零流保護(hù)2再動作，跳主變各側(cè)開關(guān)，切除故障。接地變零流保護(hù)2也是接地變零流保護(hù)1的后備保護(hù)，若35 kV母線單相接地，接地變零流保護(hù)1或主變35 kV開關(guān)拒動，則接地變零流保護(hù)2動作，跳主變各側(cè)開關(guān)，切除故障，但擴(kuò)大了停電范圍。

如果接地變本體發(fā)生單相接地，只有d處電流互感器流過零序電流，靠接地變零流保護(hù)1、2先后動作，跳主變35 kV各側(cè)開關(guān)，切除故障。

如果單相接地故障發(fā)生在主變35 kV電流互感器與主變35 kV開關(guān)之間，仍靠接地變零流保護(hù)1、2先后動作，跳主變35 kV各側(cè)開關(guān)，切除故障。

35 kV出線零流保護(hù)和接地變零流保護(hù)1、2可切除整個35 kV系統(tǒng)單相接地故障，因此，b、c處電流互感器的零序電流不需引入零流保護(hù)，以免保護(hù)重復(fù)。

接地變零流保護(hù)整定原則:保證保護(hù)范圍內(nèi)單相接地故障有足夠的靈敏度，且與下級零流保護(hù)最后一階段定值配合;零流保護(hù)1的時間定值必須與母線上除接地變外所有設(shè)備零流保護(hù)最后一階段中最長時間定值配合，零流保護(hù)2的時間定值比零流保護(hù)1時間定值大Δt。

還有一種35 kV系統(tǒng)接線方式，即1臺主變分送兩段母線的方式 (變電站通常采用三主變六分段或兩主變四分段接線方式)，接線方式如圖7所示。

圖7 1臺主變送兩段母線接線方式

為滿足繼電保護(hù)動作的選擇性，需要哪段母線故障跳哪段母線主變開關(guān) (如圖7中35 kV一段母線單相接地，只需跳主變35 kV一段開關(guān))，因此，需要裝設(shè)主變35 kV零流保護(hù)Ⅰ段、零流保護(hù)Ⅱ段保護(hù)，零序電流分別取自Ⅰ、Ⅱ處電流互感器，作為35 kV一段、二段母線單相接地的主保護(hù)，保護(hù)動作時間比接地變零流保護(hù)1小Δt，確保其先動作，滿足選擇性。若主變35 kV零流保護(hù)Ⅰ段 (或Ⅱ段)保護(hù)拒動，則靠接地變零流保護(hù)1動作同時跳主變35 kV 2個開關(guān)，切除故障，但擴(kuò)大了停電范圍。

可以看出，接地變接在主變35 kV側(cè)，無論單相接地故障發(fā)生在何處，都不會因失去接地點而發(fā)展成為進(jìn)一步故障，因此，目前新投運的變電站廣泛采用該接線方式。

4 事故分析

220 kV TB變電站接線圖 (1號主變檢修方式)如圖8所示，接地變接在35 kV母線上。

事故前運行方式:1號主變停役檢修，35 kV 1號接地變正一段母線熱備用狀態(tài) (無工作)，2號主變送35 kV副母線，3號主變送35 kV正一、正二段母線 (35 kV正母分段合上)，35 kV 2號母聯(lián)用雙切。

圖8 TB站在1號主變檢修方式下的主接線

事故發(fā)生時35 kV母差保護(hù)動作，35 kV 2號接地變零流保護(hù)1動作、2號主變35 kV開關(guān)跳閘、35 kV 2號接地變開關(guān)跳閘、35 kV副母線失電。

根據(jù)保護(hù)動作情況作初步判斷，35 kV母差保護(hù)動作，說明35 kV副母線回路設(shè)備有故障。35 kV 2號接地變零流保護(hù)1動作，2號主變零流保護(hù)未動作、高壓開關(guān)未跳閘，說明2號主變無故障。經(jīng)站內(nèi)檢查，發(fā)現(xiàn)35 kV 2號接地變開關(guān)電流互感器側(cè)有明顯故障，其他設(shè)備無異常。

事故處理:隔離故障的35 kV 2號接地變，停用35 kV 2號母聯(lián)自切。故障后變電站內(nèi)只有1臺主變供電，不滿足“N－1”原則，因此將無故障的2號主變送出，帶35 kV 1號接地變運行。首先將35 kV副母線上所有出線開關(guān)均拉開，將35 kV 1號接地變冷倒至副母運行，2號主變充35 kV副母線，正常后將35 kV副母線出線逐一送出。由于2號主變帶35 kV 1號接地變運行為不對應(yīng)運行方式，因此，需繼電保護(hù)做相應(yīng)調(diào)整，并安排人員站內(nèi)值班。

根據(jù)零流保護(hù)及其他保護(hù)動作情況，調(diào)度員迅速判斷故障范圍，找出故障設(shè)備并隔離后，將正常設(shè)備送出，恢復(fù)對用戶的供電。

5 結(jié)束語

35 kV小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由于構(gòu)成零序電流流通回路，單相接地故障電流很大，為不對設(shè)備造成損壞，需要快速切除故障，因此，零流保護(hù)對變壓器中性點直接接地系統(tǒng) (包括經(jīng)小電阻接地)十分重要。通過對兩種接地變接入方式零序保護(hù)配置的介紹，詳細(xì)分析了35 kV系統(tǒng)各處單相接地故障時零流保護(hù)動作情況及各級零流保護(hù)相互配合關(guān)系。這些分析有利于幫助調(diào)度員及時正確處理電網(wǎng)中35 kV系統(tǒng)單相接地故障，根據(jù)零流保護(hù)動作情況迅速判斷故障點，并加以隔離，快速恢復(fù)送電。

［1］ 何仰贊，溫增銀．電力系統(tǒng)分析 (第三版) ［M］．武漢:華中科技大學(xué)出版社，2002．

［2］ 國家電力調(diào)度通信中心．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實用技術(shù)問答［M］．北京:中國電力出版社，2000．

［3］ 王海波，王宏偉，崔海文．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［M］．北京:中國電力出版社，2010．

［4］ 國家電力調(diào)度通信中心．電網(wǎng)調(diào)度運行實用技術(shù)問答 (第二版)［M］．北京:中國電力出版社，2008．