電力電纜鎧裝接地線工頻電流產生機理及對繼電保護的影響

楊遠航 石恒初 陳劍平 施 超 楊再鶴

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電力電纜鎧裝接地線工頻電流產生機理及對繼電保護的影響

楊遠航 石恒初 陳劍平 施 超 楊再鶴

（云南電力調度控制中心，昆明 650000）

目前電力電纜鎧裝接地線工頻電流產生機理及對保護的影響不甚明確，分析其存在的故障有較大困難。本文研究了接地線工頻電流的成因和特點，指出該電流主要包括由電纜零序電流感應產生的感應電流和外電流注入接地網產生的分布電流。建立電纜線路和接地線回路的互感電路模型，刻畫出了電纜零序電流和接地線感應電流二者之間的定量關系。本文還研究了接地網注入電流的分布規(guī)律，指出接地線分布電流取決于接地網拓撲結構和電流注入點位置，其大小最大可達注入電流的一半。結合接地線工頻電流特點，分析了該電流對零序電流測量的影響，指出造成零序保護和小電流接地選線拒動或誤動的原因，并以某風電場一起零序保護拒動實例進行分析，驗證了上述結論的正確性。

電纜鎧裝接地線；接地線工頻電流；零序保護；小電流接地選線

零序保護和小電流接地選線均基于零序電流故障特征動作，中低壓電網如新能源電廠35kV集電線，零序電流大多由獨立配置的零序電流互感器測量得到[1-6]。廣泛使用的三芯電力電纜（以下簡稱電纜）包皮常配鋼鎧鎧裝以提高其機械強度，并在鎧裝首尾兩點可靠接地[7]。鎧裝首端接地線（以下簡稱接地線）與零序電流互感器安裝位置接近，易發(fā)生相對位置安裝錯誤，導致接地線電流誤穿過零序電流互感器而影響零序電流測量，引起零序保護或小電流接地選線異常動作[8-13]。

目前接地線電流產生機理及對繼電保護影響研究鮮有文獻見報道，相關異常動作事件分析也多止步于定性討論，分析結論存在較大不確定性，難以圓滿解釋保護異常動作原因。對接地線電流產生和影響機理的認識不足也往往成為現(xiàn)場錯誤施工的主要誘因。

零序保護和小電流接地選線主要受接地線電流工頻分量影響，本文深入研究了接地線工頻電流的成因及特點并給出了定量分析方法，結合其特點分析了該電流對零序電流測量及零序保護和小電流接地選線的影響，最后以一起新能源電廠零序保護拒動的實例進行了論證。

1 接地線工頻電流成因及特點

1.1 電纜鎧裝接地及接地網

一次接地網（以下簡稱接地網）為站內所有一次設備及保護屏柜提供接地點。電纜結構、鎧裝接地方式及接地網示意圖如圖1所示。

圖1 電力電纜、鋼鎧、接地線及接地網示意圖

接地網由扁鐵或銅排構成網狀結構埋于地下，布置若干接地極與大地可靠相連，接地極涂降阻劑確保接地電阻合格。

電纜鎧裝首尾兩點焊接接地線，通過接地線與接地網相連實現(xiàn)電纜外層鎧裝接地。

1.2 接地線工頻電流成因分析

雷擊、感應過電壓等均有可能在接地線上產生電流，但影響保護的主要是其工頻分量，因此，本文主要針對接地線工頻電流展開研究。

接地線工頻電流由工頻激勵源產生，可能的影響因素如下。

1）廠站內屬強電磁環(huán)境，一次帶電設備由于靜電感應效應，可能使鋼鎧首尾兩端接地點間產生工頻感應電位差。

2）電纜零序電流等大同向，可能在接地線、鋼鎧和接地網構成的閉合回路（以下簡稱接地線回路）中感應出電流。

3）外電流（如零序電流）注入接地網后，經接地網流入接地極，部分流經接地線，形成接地線 電流。

通常接地網可視為等電勢網且距站內帶電體較遠，兩點間感應電位差較小。實際運行經驗表明，正常工況下500kV變電站接地網兩點間感應電流僅為數百毫安，故可忽略因素1）產生的接地線電流。

接地線回路與電纜貼近、平行布置，二者可能存在較大互感，且接地線回路電阻較小，電纜零序電流的感應效應應予以考慮。

接地網的注入電流多為經變壓器中性點注入的故障電流，?？蛇_數百安培，其在接地網分布具有隨機性，某些情況下可成為接地線工頻電流的主要 分量。

綜上所述，接地線工頻電流N主要包括由電纜零序電流感應產生的感應電流N0和由接地網注入電流在接地網分布產生的分布電流Nb，即

1.3 接地線感應電流

根據對稱分量原理，接地線感應電流N0將主要由30感應產生。30在接地線回路感應效應的物理模型如圖2所示。

圖2 電纜零序電流與接地線感應電流物理模型

圖2中，N0為30在接地線回路中的感應電動勢（V），N0為30在接地線回路中的感應電流（A），二者參考方向符合右手螺旋定則；為鎧裝長度（m），為接地線長度（m），為電纜等值半徑（m）。

建立零序電流和接地線電流互感電路模型如圖3所示。

圖3 電纜零序電流與接地線感應電流電路模型

圖3中，為電纜對接地線回路互感（H）、N0為接地回路自感（H）、N為接地回路電阻（W）。

可得30、N0二者之間關系式為

式中，為工頻，50Hz。

從式（2）可以看出，接地線感應電流N0幅值取決于零序電流幅值以及互感電抗和接地線回路阻抗模值之比。其與零序電流相位差取決于接地線回路阻抗角，相位差范圍為（-90°,-180°），一般對于35kV電纜，接地線回路電阻略小于回路電抗，阻抗角在60°左右。

當＞＞時，電纜對接地線回路互感、接地回路自感N0、接地回路電阻N分別為[14]

式中，0為真空磁導率，4p×10-7H/m；為接地線回路導線半徑（mm）；為接地線回路電阻率（W·mm2/m）。

將式（3）代入式（2）中，即可由零序電流求得接地線感應電流N0。

1.4 接地線分布電流

接地極涂有降阻劑，是接地網與大地接觸電阻最小點，外電流Z注入接地網后，將自注入點起經接地網流至接地極，再由接地極流入大地。接地網電流分布示意如圖4所示。

圖4 接地網電流分布示意圖

接地線分布電流Nb與注入電流Z關系式為

式中，為電流分布系數，為實常數。

電流分布系數取決于接地網拓撲及電流注入點位置，可根據網絡變換求取[15]。若電流未流經接地線，則=0；若全部電流流經接地線回路，則≈ 0.5。以首端接地線流入鎧裝為參考正方向，正負取決于電流流動方向。

2 對繼電保護影響

零序電流主要用于零序保護和小電流接地選線。接地線電流誤穿過零序電流互感器，將影響零序電流測量。

2.1 接地線安裝方式

以電纜鎧裝與接地線首尾端焊點和零序電流互感器的相對位置確定接地線是否應穿過零序電流互感器。正確安裝方式有如下兩種：

1）零序電流互感器在首尾端焊點之外時，接地線不應穿過零序電流互感器，如圖5所示。

圖5 接地線不穿過零序互感器

如圖5所示，接地線電流自首端接地線流入電纜鎧裝，經鎧裝流入尾端接地線，未穿過零序電流互感器。零序電流測量結果m0為

2）零序電流互感器在首尾端焊點之內時，接地線應穿過零序電流互感器一次，如圖6所示。

如圖6所示，零序電流互感器在首尾焊點之內，接地線電流已經鎧裝首端焊點至尾端焊點穿過零序電流互感器一次，為抵消其影響，應使接地線穿過零序電流互感器一次。零序電流測量結果m0為

接地線安裝錯誤將導致接地線電流誤穿過零序電流互感器，使得零序電流測量結果疊加接地線電流。取電纜電流穿過互感器為正方向，零序電流測量結果m0為

2.2 錯誤安裝方式對零序保護的影響分析

零序保護以零序電流幅值構成零序過流保護，以零序電壓和電流相位差構成零序方向保護。

零序過流元件判據為

式中，set為零序過流整定值。

零序正方向判據為

式中，m0為零序測量電壓。

接地線感應電流N0僅在電纜流過零序電流時出現(xiàn)，接地線回路阻抗角在0°～90°之間，N0將影響零序測量電流m0的幅值和相位，影響程度取決于N0與m0的相對大小。通常，N0＜m0，因此，不會導致零序方向元件異常動作；但有可能造成零序過流元件拒動或誤動。

接地線分布電流Nb在接地網注入電流流經接地線時出現(xiàn)，與接地網注入電流、注入點和接地網拓撲結構有關。若接地網注入電流為本間隔（經變壓器中性點）注入的電流30，接地線分布電流Nb最大可達30的一半，相位與30同相或反相，則將導致測量值m0較實際值增加或降低一半，可能造成零序過流保護拒動或誤動；Nb不影響零序電流測量值的相位，不會影響零序方向元件判別。若接地線分布電流Nb來自其他間隔注入接地網電流，則可能導致零序過流保護或零序方向元件誤動。

2.3 錯誤安裝方式對小電流接地選線的影響分析

小電流接地選線常用判據為

式中，set為故障線路動作整定值。

由上述分析可知，接地線電流將影響到零序測量電流的幅值，尤其是接地線分布電流對零序測量電流幅值影響顯著。小電流接地系統(tǒng)零序電流較小，對幅值變化較為敏感，這也是小電流接地選線面臨的主要困難[2]。對于故障線路，零序測量電流減小后選線元件可能拒動，導致漏選線；對于非故障線路，零序測量電流增大后選線元件可能誤動，導致錯選線。

3 案例分析

以某風電廠一起零序過流保護拒動的實例進一步論證。被保護間隔為接地變間隔，零序過流保護動作定值為set=2.5A（二次值），未配零序方向元件。發(fā)生接地故障后，該間隔零序過流保護拒動。

三相電流及零序測量電流故障錄波數據見表1。

表1 電流故障錄波數據（二次值，CT變比200/5）

由三相電流可計算得3倍零序電流為

零序電流計算結果（3.411A）大于整定值（2.5A），零序過流保護應動作，而零序電流實際測量結果（1.82A）小于整定值（2.5A），導致零序過流保護拒動。

經檢查，電纜鎧裝首尾兩端接地線與接地變中性點接于同一根接地網銅排，該間隔電纜鎧裝接地線正確安裝方式應如圖5所示，但現(xiàn)場實際安裝接地線誤穿過零序電流互感器，如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場接線及電流回路示意圖

現(xiàn)場參數：鎧裝長度≈10m，接地線長度≈ 0.5m，電纜半徑≈0.1m，接地網銅排半徑約為6.1mm，接地線半徑約為5.6mm，鎧裝半徑約為6.0mm。為便于計算，取接地線回路導線等效半徑為=5mm，電阻率0.018W·mm2/m（銅，25℃）。

將上述數據帶入式（2）、式（3），求得接地線感應電流回路參數及感應電流N0（二次值）為

M=3.2×10-6HLN0=2.64×10-5HRN=4.81×10-3W（12）

從接地線感應電流計算式可以看出，接地線感應電流大小約為電纜3倍零序電流的10%；接地線感應電流滯后電纜3倍零序電流約150°。

如圖7所示，接地網注入電流為30，注入點為中性點接地點，該電流全部流經接地線回路。近似可認為接地線、鎧裝和接地網電阻率和截面相同，則電流分布系數及接地線分布電流Nb（二次值）為

接地線電流N為

零序電流測量值（理論值）為

可以看出，零序電流理論值與零序電流實測值相近，且理論值較零序電流實際值幅值下降、相位減小，這與實測值較零序電流實際值的偏差相符，理論計算結果與實際測量結果、現(xiàn)場檢查結果相吻合，確認鎧裝接地線安裝錯誤削弱零序電流測量值，造成本次零序保護拒動。本案例驗證了接地線工頻電流機理分析和對零序保護影響的正確性。

4 結論

1）電力電纜鎧裝接地線工頻電流主要包括接地線感應電流和接地線分布電流，分別由零序電流感應和接地網電流分布產生。

2）采用接地線工頻電流的定量分析方法，并以實際案例進行例證，計算結果驗證了研究結果的正確性。從實例計算結果來看，接地線感應電流約占3倍零序電流的10%，接地線分布電流可達3倍零序電流的一半。

3）接地線電流誤穿過零序電流互感器后，將影響零序電流測量，可能導致零序過流保護拒動或誤動，還可能導致零序方向元件誤動以及對小電流接地選線裝置錯選或漏選線。

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Generation mechanism of power cable grounding wire frequency current and its influence on relay

Yang Yuanhang Shi Hengchu Chen Jianping Shi Chao Yang Zaihe

(Yunnan Power Dispatching Control Center, Kunming 650000)

The research on the generation mechanism of power cable grounding wire frequency current and the influence on protection are not clear. This paper studies the causes and characteristics of power frequency current of grounding wire, points out that the current mainly consists of the induced current which induced by the zero sequence current and the distributed current which generated by the injected current of the grounding grid. The mutual inductance circuit model of cable line and ground loop is established to describe the quantitative relation between the zero sequence current of cable and the induced current of grounding wire. Also, this paper points out that the distribution current of grounding wire depends on the topology of grounding grid and the position of current injection point, and the maximum current can be half of the injected current. Then this paper analyzes the influence of the current on the zero sequence current measurement and points out the reasons for the abnormal action of zero sequence protection and small current grounding fault selection. At last, the correctness of the above conclusion is verified by an example of zero sequence protection rejection in a wind farm.

power cable grounding wire; grounding wire frequency current; zero-sequence protection; small current grounding fault selection

2018-02-03

楊遠航（1990-），男，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護管理、故障分析工作。