小電阻接地系統(tǒng)兩點(diǎn)接地時(shí)保護(hù)誤動(dòng)淺析

王小輝

(寶山鋼鐵股份有限公司能環(huán)部,上海 200941)

1 概述

某鋼鐵廠原料區(qū)域3 kV系統(tǒng)采用電阻接地方式,接地電阻為18.19 Ω。接地零序電流最大為100 A,其單線圖如圖1所示。主變設(shè)置差動(dòng)保護(hù)、中性點(diǎn)接地零序電流保護(hù)、非電量保護(hù)、高低壓側(cè)過流及速斷保護(hù),饋線設(shè)置速斷、過流及接地零序保護(hù),保護(hù)繼電器為電磁型繼電器,饋線均為電纜送出方式。

2017年7月29日,某冶建單位在混勻料場封閉改造項(xiàng)目時(shí)由于未對地下電纜進(jìn)行確認(rèn),直接采用機(jī)器開挖的方式,施工時(shí)將原料變原35電纜挖斷(故障點(diǎn)見圖1所示),事故造成原35電纜A、B相兩點(diǎn)接地。圖2中紅色圓圈處為電纜在本次施工作業(yè)中被鎬機(jī)外力損傷部分。原35電纜為雙拼電纜,每拼電纜的型號為YJV-3 kV-3×325 mm2。

原35電纜故障時(shí),接地零序電流保護(hù)未動(dòng)作,1號主變中性點(diǎn)接地越級動(dòng)作,導(dǎo)致原料變3 kV一段母線失電。由于電磁型繼電器不具備故障信息記錄功能,無法直接從繼電器內(nèi)部讀取信息對故障進(jìn)行分析,本文將以短路電流計(jì)算方式對故障現(xiàn)象進(jìn)行分析,找出保護(hù)越級動(dòng)作原因。

2 原料變電所保護(hù)配置情況

原料變電所建于1982年,繼電保護(hù)采用日本進(jìn)口電磁式繼電器,保護(hù)上下級主要靠反時(shí)限曲線的極差和定值大小進(jìn)行配置。

主變接地零序電流保護(hù)繼電器型號為ICG2D-AT1,2 A、1 A,UP3T-SQ3,直流110 V,零序電流互感器變比為100/5 A。接地零序過流保護(hù)配置51NG。保護(hù)整定值為1 A,K=1(其中K為日本標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限曲線中時(shí)間選擇常數(shù)),動(dòng)作延時(shí)20 s,即保護(hù)采用反時(shí)限接地過流保護(hù),反時(shí)限曲線K=1,啟動(dòng)值為1 A,外加20 s延時(shí)。

原35回路的接地零序電流保護(hù)繼電器型號為ICG2D-AT1,2 A、1 A,UP3T-SQ3,直流110 V,零序電流互感器變比為100/5 A。接地零序過流保護(hù)配置64+51G。保護(hù)整定值為0.9 A,K=5,即保護(hù)采用零序電壓閉鎖方式下反時(shí)限接地過流保護(hù),反時(shí)限曲線K=5,啟動(dòng)值為0.9 A。

由圖3可知,當(dāng)故障電流位于保護(hù)整定電流值的1倍時(shí),主變反時(shí)間動(dòng)作時(shí)間為10 s,原35動(dòng)作時(shí)間為50 s。

3 原料變保護(hù)越級動(dòng)作原因分析

3.1 各元件零序等值阻抗計(jì)算

3.1.1 變壓器的正序阻抗計(jì)算

設(shè)基準(zhǔn)容量為SB=15 MVA,基準(zhǔn)電壓為UB=3 kV。在正序等值電路近似計(jì)算中,變壓器勵(lì)磁阻抗取無窮大,這樣雙繞組變壓器的正序等值電路僅是一個(gè)電抗。由參考文獻(xiàn)[1]變壓器的阻抗標(biāo)幺值計(jì)算公式可得:

(1)

式中:XT為變壓器正序阻抗標(biāo)幺值;Uk%為變壓器銘牌上的短路阻抗;SN為變壓器銘牌上的變壓器容量。將變壓器銘牌中參數(shù)代入計(jì)算可得XT=9.22。

3.1.2 變壓器零序參數(shù)和等值電路

由參考文獻(xiàn)[2]88推導(dǎo)出三柱式內(nèi)鐵型三相變壓器,折算到Y(jié)N側(cè)的變壓等值電抗為:

(2)

式中:X0為變壓器零序阻抗;XT1、XT2分別為一、二次繞路漏抗標(biāo)幺值;Xμ0為零序漏磁阻抗。一般在短路計(jì)算中采用零序阻抗實(shí)測值,當(dāng)無實(shí)測值時(shí)近似認(rèn)為X0=0.8XT=7.376。

3.1.3 電纜線路及中性點(diǎn)電阻零序阻抗計(jì)算

原35電纜長度為1 450 m,故障發(fā)生地點(diǎn)為離變電所約1 000 m處,參考文獻(xiàn)[2]946～10 kV電纜參數(shù)為0.08 Ω/km。

則標(biāo)幺值(ZL)為:

(3)

3.1.4 變壓器中性點(diǎn)電阻計(jì)算

中性點(diǎn)電流為100A,則電阻(Z)為

(4)

(5)

3.2 發(fā)生兩點(diǎn)接地故障時(shí)等效電路計(jì)算

兩點(diǎn)接地故障時(shí)等效電路如圖4所示。

圖4為本次故障時(shí)系統(tǒng)等效電路圖,系統(tǒng)正序、負(fù)序阻抗為:

Z1=Z2=ZL+XT+Z′

(6)

式中:Z1為正序阻抗;Z2為負(fù)序阻抗;XT為變壓器阻抗;Z′為接地點(diǎn)過渡電阻。

系統(tǒng)零序阻抗(Z0)為:

Z0=ZL+Z′+X0+3Z′

(7)

式中:X0為變壓器零序阻抗。

(8)

式中:

(9)

將式(9)代入式(8)化簡可得:

(10)

由于電纜阻抗很小,在計(jì)算時(shí)忽略電纜阻抗,將標(biāo)幺值轉(zhuǎn)化為實(shí)際值:

(11)

從式(11)中可以得出,接地電流大小與正序和零序阻抗有關(guān)。

當(dāng)發(fā)生金屬接地故障時(shí),正序、負(fù)序阻抗為線路阻抗和變壓器阻抗,即:

Z1=Z2=ZL+XT+Z′=0.133+9.22j

(12)

零序阻抗(Z0)為:

3×30.3=91.033+7.376j

(13)

當(dāng)發(fā)生非金屬性接地故障時(shí),將數(shù)據(jù)代入式(11):

(14)

從式(14)可以看出,系統(tǒng)接地電流與故障點(diǎn)過渡電阻有關(guān),當(dāng)過渡電阻為零即系統(tǒng)發(fā)生金屬性接地故障時(shí),代入數(shù)據(jù)I′g=47 A;當(dāng)過渡電阻為100 Ω時(shí),接地電流I′g≈18 A。

從圖2中電纜損壞情況來看,發(fā)生接地故障,電纜的主絕緣損壞程度并不是很嚴(yán)重,當(dāng)時(shí)發(fā)生接地故障時(shí)的過渡電阻應(yīng)該較大,當(dāng)過渡電阻為100 Ω時(shí),主變零序保護(hù)和原35電纜的接地保護(hù)都會(huì)啟動(dòng)。

本文的算例是針對單母線分段的配電系統(tǒng)進(jìn)行分析。當(dāng)一次供配電系統(tǒng)接線方式比較復(fù)雜時(shí),可通過參考文獻(xiàn)[4]中小電流接地系統(tǒng)兩點(diǎn)異相接地故障的計(jì)算模型對接地電流大小和相位進(jìn)行計(jì)算。

4 保護(hù)動(dòng)作特性分析及整改措施

4.1 保護(hù)動(dòng)作特性分析

從上節(jié)的計(jì)算可以看出,發(fā)生兩相非金屬接地時(shí),當(dāng)過渡電阻阻值為100 Ω左右時(shí),接地電流在18 A左右,電磁型繼電器都可能會(huì)啟動(dòng),此時(shí)啟動(dòng)值約為1倍的整定電流,主變的動(dòng)作時(shí)間小于原35電纜動(dòng)作時(shí)間。因此,發(fā)生主變中性點(diǎn)保護(hù)越級跳閘現(xiàn)象。

在電力系統(tǒng)中,一般220 kV采用中性點(diǎn)直接接地。零序保護(hù)一般分為Ⅳ段:零序Ⅰ段按保全線(本線路末端接地故障)有1.5靈敏度整定,動(dòng)作時(shí)限T1=0;零序電流Ⅱ段按保全線有1.5靈敏度整定,T1=0.15 s;零序電流Ⅲ段按保全線有2.0靈敏度整定;零序電流Ⅳ段按一次值不大于300 A整定,取2.5 A,1.2 s。

在工礦企業(yè)中,一般采用中性點(diǎn)電阻接地系統(tǒng),每一個(gè)元件的零序電流保護(hù)僅設(shè)零序Ⅰ段。啟動(dòng)值按照接地電流的20%選取,即3 kV系統(tǒng)如果接地電流為100 A時(shí),零序Ⅰ段的整定值為20 A (折算到一次側(cè))。在保護(hù)上下級配合方面,以總降站變壓器中性點(diǎn)保護(hù)為零序保護(hù)第一級,總降站饋線開關(guān)為第二級,用戶變電所的饋線開關(guān)為第三級?？偨嫡咀儔浩髦行渣c(diǎn)保護(hù)、總降站饋線開關(guān)、用戶側(cè)饋線開關(guān)在零序保護(hù)整定時(shí)要在整定值和動(dòng)作時(shí)間上設(shè)定一定的極差,以確保保護(hù)工作的選擇性。某鋼廠在設(shè)置零序保護(hù)過程中,為了使上下級能夠匹配,同時(shí)兼顧接地電流大時(shí),保護(hù)能快速動(dòng)作,上下級保護(hù)采用反時(shí)限過流曲線,并在主變中性點(diǎn)側(cè)增加20 s延時(shí)。該整定方式在發(fā)生較大接地電流的接地故障時(shí)能滿足上下級保護(hù)動(dòng)作的選擇性要求,保護(hù)裝置能正確動(dòng)作,切除故障。但在接地電流小于等于1.2倍整定值時(shí),饋線接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間慢于主變中性點(diǎn)接地保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間,造成主變中性點(diǎn)接地保護(hù)先動(dòng)作,越級跳閘。

4.2 改進(jìn)措施

由于鋼鐵廠饋線均采用電纜線路供電,電纜在發(fā)生接地故障時(shí)一般主絕緣會(huì)被擊穿,如果不及時(shí)切除故障將導(dǎo)致相間短路,因鋼鐵企業(yè)負(fù)荷大部分為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷,電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)或運(yùn)行時(shí)可能存在較大不平衡電流,此不平衡電流較小但可能持續(xù)時(shí)間較長,采用定時(shí)限零序過流保護(hù)時(shí)容易造成保護(hù)誤動(dòng),按照反時(shí)限零序過流保護(hù)整定有助于提高在不平衡電流較小時(shí)的可靠性,確保保護(hù)裝置可靠不誤動(dòng)。建議保留按反時(shí)限零序保護(hù)整定原則。

在保護(hù)上下級時(shí)限設(shè)置時(shí),由于曲線有一定交叉,建議將主變中性點(diǎn)零序過流和饋線零序過流均選擇同一曲線,即K=5。主變中性點(diǎn)保護(hù)再增加5 s延時(shí),這樣避免主變保護(hù)越級動(dòng)作。

4.3 保護(hù)定值改動(dòng)后與一次系統(tǒng)匹配情況

根據(jù)饋線保護(hù)定值整定曲線,原有饋線保護(hù)整定曲線是滿足保護(hù)線路全段的要求的,主變保護(hù)定值更改后僅增加了主變中性點(diǎn)側(cè)至變電所內(nèi)中性點(diǎn)電阻柜電纜、主變二次側(cè)至饋線開關(guān)上樁頭側(cè)接地故障的動(dòng)作時(shí)間。以上部分均在電氣室內(nèi)部電纜隧道和開關(guān)柜內(nèi),發(fā)生接地故障概率較低,且發(fā)生故障時(shí)故障處于線路始端,故障電流大,動(dòng)作時(shí)間快。中性點(diǎn)電阻柜能承受金屬性接地故障(3 kV接地電流100 A) 30 s,滿足裝置承受故障時(shí)間大于保護(hù)切除故障時(shí)間的要求。

5 小結(jié)

中性點(diǎn)電阻接地系統(tǒng)目前廣泛運(yùn)用于工礦企業(yè)高壓電纜供電系統(tǒng),且國家電網(wǎng)也在其中低壓系統(tǒng)中逐步擴(kuò)大中性點(diǎn)電阻接地運(yùn)用,中性點(diǎn)電阻接地系統(tǒng)可有效、快速切除電纜接地故障,確保系統(tǒng)安全。本文通過合理修改上下級零序保護(hù)動(dòng)作定值和時(shí)間,滿足保護(hù)可靠性、選擇性的要求。