10 kV配電網(wǎng)中間歇性接地保護(hù)誤動(dòng)分析

鄭天奇，史 媛，楊 劍，顧勁岳

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司，上海 200072)

隨著城市配電網(wǎng)的發(fā)展，架空線入地工程不斷推進(jìn)，電纜線路所占比重越來(lái)越大，接地故障時(shí)電容性電流增高，基于降低故障時(shí)引發(fā)的過(guò)電壓、減小故障時(shí)高次諧波電流等方面的考慮，上海市配電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的方式[1-2]。

電纜線路間歇性接地故障有著接地電流較小、故障瞬時(shí)性的特點(diǎn)，間歇性接地保護(hù)可以及時(shí)切除故障，防止主變中性點(diǎn)小電阻因發(fā)生間歇性接地故障時(shí)熱量無(wú)法散發(fā)而燒毀。在實(shí)際應(yīng)用中，間歇性接地故障由于種種原因不能保證可靠性、選擇性和靈敏性。文獻(xiàn)[3]中的案例因沒(méi)有及時(shí)切除10 kV出線的間歇性接地故障而致使110 kV變電站全站停電。文獻(xiàn)[4]中的案例因間歇性接地故障未被快速識(shí)別而造成越級(jí)跳閘。

這些文獻(xiàn)針對(duì)各自的案例提出了如何快速準(zhǔn)確辨識(shí)間歇性接地故障的方法，但是缺少對(duì)影響間歇性接地保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作因素的梳理。本文從保護(hù)裝置、電流互感器、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)3個(gè)角度分析了影響間歇性接地保護(hù)準(zhǔn)確動(dòng)作的原因，并介紹其中一種因素下的案例，針對(duì)該案例提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 間歇性接地保護(hù)

1.1 保護(hù)原理

在中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相間歇性接地故障時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，接地點(diǎn)的故障電流較小(一般為100～1 000 A)，并且具備瞬時(shí)性的特點(diǎn)[2]。對(duì)于常規(guī)的零流速斷保護(hù)和零流反時(shí)限(或定時(shí)限)保護(hù)，間歇性接地故障電流大小達(dá)不到零流速斷的定值，雖然達(dá)到了零流三段的保護(hù)啟動(dòng)值，由于故障持續(xù)時(shí)間較短，達(dá)不到零流三段的持續(xù)時(shí)間要求，并且故障呈反復(fù)性的脈沖波形，保護(hù)裝置會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)-復(fù)歸-啟動(dòng)-復(fù)歸的過(guò)程，并不能準(zhǔn)確識(shí)別并切除間歇性接地故障。

根據(jù)《上海電網(wǎng)35 kV及以下線路保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)原則(2019年)》中對(duì)零序過(guò)電流保護(hù)的配置要求，間歇性接地保護(hù)的整定原則如下：“間歇零序過(guò)流保護(hù)應(yīng)固化一次電流定值為150 A。對(duì)于故障電流(有效值)大于150 A(當(dāng)保護(hù)裝置有電壓量接入時(shí)，同時(shí)要求3U0大于10 V)，持續(xù)20 ms以上，相鄰兩次故障間斷時(shí)間小于1 000 ms 的非持續(xù)性故障能及時(shí)有效切除。”間歇性接地保護(hù)邏輯流程圖如圖1所示。

上海市某10 kV配電站出線的零流保護(hù)定值如表1所示。間歇性接地保護(hù)定值(二次值)為1.875 A，一般故障電流達(dá)不到零序過(guò)流I段的定值(7.5 A)，零序過(guò)流I段不會(huì)啟動(dòng)。同時(shí)，由于間歇性接地故障的瞬時(shí)性，通常單個(gè)脈沖為幾十毫秒，脈沖時(shí)長(zhǎng)也達(dá)不到零序反時(shí)限的動(dòng)作時(shí)間。

表1 某10 kV配電站出線零流保護(hù)定值

1.2 影響因素

在實(shí)際應(yīng)用中，間歇性接地保護(hù)不能準(zhǔn)確動(dòng)作的案例時(shí)有發(fā)生。由于非持續(xù)性故障的不確定性，間歇性接地保護(hù)不能保證間斷保護(hù)的可靠性、選擇性和靈敏性。通過(guò)梳理從3個(gè)角度來(lái)考慮影響間歇性接地保護(hù)上下級(jí)正確配合動(dòng)作的因素。

(1)從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的角度。在雙回線路或者有環(huán)網(wǎng)存在時(shí)，零序電流要根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，考慮另一回線路或環(huán)網(wǎng)中其他線路的分流作用，上下級(jí)可能因此感受到不同大小的零序電流[5-9]。文獻(xiàn)[5]分析了雙回線路下零序電流計(jì)算對(duì)繼電保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[6]提出了10 kV環(huán)網(wǎng)下零流保護(hù)的整定方法。文獻(xiàn)[7]分析了雙回線和環(huán)網(wǎng)同時(shí)存在時(shí)零流保護(hù)誤動(dòng)作的原因。

(2)從保護(hù)裝置的角度。上下級(jí)如果采用了不同型號(hào)的保護(hù)裝置，有可能會(huì)帶來(lái)采樣和計(jì)算方式的差異。對(duì)于間歇性接地保護(hù)，通過(guò)圖1的流程圖發(fā)現(xiàn)，保護(hù)邏輯中涉及到對(duì)故障電流大小、單個(gè)故障脈沖持續(xù)時(shí)間、故障間隔時(shí)間、故障持續(xù)總時(shí)長(zhǎng)4個(gè)環(huán)節(jié)的判斷，并且在故障持續(xù)過(guò)程中需要反復(fù)判定，判定環(huán)節(jié)種類多、次數(shù)多，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)差異均會(huì)影響保護(hù)最終的動(dòng)作結(jié)果。

(3)從電流互感器的角度。電流互感器作為將一次側(cè)電流反映到二次側(cè)電流的元件，電流互感器鐵心的勵(lì)磁曲線具有非線性的特點(diǎn)，當(dāng)一次電流過(guò)大且含有非周期分量時(shí)，鐵心的飽和會(huì)引起二次電流的畸變[8]。當(dāng)上下級(jí)采用了不同飽和特性的電流互感器時(shí)，可能導(dǎo)致二次電流值存在一定的差異。

2 事件概況與分析

以某供電公司發(fā)生的一起間歇性接地保護(hù)誤動(dòng)作的事件為例，通過(guò)3個(gè)角度的影響因素進(jìn)行事件分析。

2.1 事件概況

2020年6月15日，某110 kV變電站10 kV K1出線間歇性接地保護(hù)動(dòng)作，K1開(kāi)關(guān)跳閘后引起下級(jí)10 kV配電站II母進(jìn)線失電，配電站站內(nèi)備自投正確動(dòng)作跳開(kāi)II段進(jìn)線開(kāi)關(guān)，2 s后合上10 kV分段開(kāi)關(guān)。隨后經(jīng)過(guò)約1 min時(shí)間，配電站P1出線保護(hù)啟動(dòng)，啟動(dòng)后約25 s零流I段動(dòng)作，P1開(kāi)關(guān)跳閘。

事件后檢查發(fā)現(xiàn)，10 kV配電站P1線C相電纜故障點(diǎn)擊穿，在P1線電纜間歇性接地故障發(fā)展過(guò)程中，由于P1線間歇性接地保護(hù)未動(dòng)，上級(jí)站K1線間歇性接地保護(hù)越級(jí)跳閘。故障時(shí)現(xiàn)場(chǎng)一次接線圖如圖2所示。

圖2 故障時(shí)電氣主接線圖

2.2 事件分析

通過(guò)調(diào)看110 kV變電站內(nèi)故障錄波器波形、兩站相關(guān)線路保護(hù)動(dòng)作(啟動(dòng))信息及保護(hù)錄波波形，對(duì)齊站內(nèi)時(shí)間，還原事件發(fā)展進(jìn)程。根據(jù)故障錄波器波形2號(hào)主變10 kV中性點(diǎn)3I0顯示，11:46:20發(fā)生電纜間歇性接地。在隨后的1 min左右，配電站的P1線繼續(xù)發(fā)生間歇性接地，動(dòng)作前K1線和P1線保護(hù)均多次啟動(dòng)。11:47:22，K1線保護(hù)動(dòng)作條件滿足，經(jīng)5.5 s延時(shí)動(dòng)作，在此過(guò)程中P1線間歇性接地保護(hù)始終未動(dòng)作。后續(xù)配電站內(nèi)10 kV分段備自投及P1線零序I段保護(hù)均正確動(dòng)作。

下面從影響間歇性接地保護(hù)正確動(dòng)作的3個(gè)因素來(lái)分析此次事件。

(1)從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)角度看，變電站和配電站的主接線方式均為單母線分段接線。發(fā)生故障前10 kV分段均處于分位，不存在環(huán)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。K1和P1出線保護(hù)感受到的零流是一致的，不存在分流。

(2)從電流互感器的角度看，經(jīng)查看K1和P1出線所用流變?yōu)橥恍吞?hào)LZZBJ9-12，配電站P1線路零流I段動(dòng)作的故障報(bào)文信息顯示，故障電流3I0大小為10.08 A。保護(hù)用電流互感器的額定準(zhǔn)確限值系數(shù)為5P20，10 A的故障電流還沒(méi)有達(dá)到額定準(zhǔn)確極限電流值，電流互感器工作區(qū)域處在線性區(qū)段，沒(méi)有達(dá)到飽和區(qū)域。因此，從電流互感器的角度，上下級(jí)的采樣不存在明顯差異。

(3)從保護(hù)裝置的角度看，110 kV變電站K1線路保護(hù)為南瑞繼保的PCS9611裝置，10 kV配電站P1線路保護(hù)為北京四方的CSD211裝置。兩個(gè)不同型號(hào)的裝置在間歇性接地的保護(hù)邏輯上是一致的。由于10 kV系統(tǒng)僅有主變10 kV中性點(diǎn)和線路故障點(diǎn)兩個(gè)接地點(diǎn)，分析變電站內(nèi)2號(hào)主變10 kV中性點(diǎn)3I0波形，發(fā)現(xiàn)共有8段間歇性接地脈沖。各脈沖后的有效值展寬時(shí)間如表2所示。

表2 各脈沖后的有效值展寬時(shí)間 ms

南瑞繼保與北京四方的間歇性接地保護(hù)動(dòng)作行為的不同，主要就在于脈沖3是否視為有效脈沖。脈沖3的持續(xù)時(shí)間為19.9 ms，南瑞繼保裝置視為有效動(dòng)作，其算法認(rèn)為當(dāng)?shù)谝粋€(gè)點(diǎn)超過(guò)150 A，后面的點(diǎn)只要在返回值(0.95×150 A)之上則計(jì)入時(shí)間，按此計(jì)算第3個(gè)脈沖時(shí)長(zhǎng)20 ms。而北京四方視為無(wú)效，需要所有點(diǎn)均需超過(guò)150 A則計(jì)入時(shí)間。若脈沖3無(wú)效的話，則脈沖2與脈沖4的間隔超過(guò)了1 000 ms，間歇性接地保護(hù)返回。注意脈沖7時(shí)間為19.4 ms，同樣為無(wú)效脈沖，脈沖6和脈沖8的間隔為570.5+379.5= 950 ms，不影響1 000 ms延時(shí)的計(jì)時(shí)。

3 改進(jìn)措施

本次事件因不同裝置在實(shí)現(xiàn)間歇性接地保護(hù)算法上的差異引起，并提出兩點(diǎn)改進(jìn)措施。

(1)對(duì)上海市目前各廠家的10 kV線路保護(hù)裝置進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)，通過(guò)故障波形回放，收集各廠家保護(hù)的動(dòng)作情況，來(lái)進(jìn)一步規(guī)范間歇性接地保護(hù)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，要求各保護(hù)廠家的裝置采樣計(jì)算的間隔不大于1 ms。同時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)對(duì)間歇性接地故障發(fā)生時(shí)的有效脈沖進(jìn)行錄波記錄，盡可能地減輕實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)對(duì)保護(hù)動(dòng)作行為不一致的影響。

(2)建議上海市范圍內(nèi)的所有35 kV變電站加裝故障錄波器。目前規(guī)范要求110 kV變電站和重要的35 kV變電站安裝故障錄波器，僅依靠保護(hù)裝置的錄波無(wú)法支撐故障分析和波形回放。本次故障若無(wú)故障錄波器的錄波，則無(wú)法分析相關(guān)細(xì)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)10 kV配電網(wǎng)中間歇性接地保護(hù)誤動(dòng)作的情況，從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、保護(hù)裝置、電流互感器3個(gè)角度去分析影響其正確動(dòng)作的因素。該分析方法從間歇性接地保護(hù)故障的特點(diǎn)入手，同時(shí)涵蓋了保護(hù)采樣、計(jì)算環(huán)節(jié)。最后以一起間歇性接地保護(hù)誤動(dòng)為案例，通過(guò)3個(gè)角度進(jìn)行分析，查明是再上下級(jí)保護(hù)裝置計(jì)算算法差異引起，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，希望可以為同類型的問(wèn)題提供參考。