風(fēng)電場35 kV集電線路零序電流保護(hù)拒動分析

李占龍

(中國三峽新能源(集團(tuán))股份有限公司，河北 張家口 075000)

0 引言

零序電流是由零序電壓產(chǎn)生的，零序功率方向與正序功率方向相反，是由線路流向母線。

零序電流可通過零序電流過濾器來獲取，是將三相互感器同極性并聯(lián)，流入繼電器的電流為三相電流之和，正好相當(dāng)于3倍的零序電流，此種方法因?yàn)槿嚯娏骰ジ衅鞯膭畲盘匦圆煌?，二次回路?fù)載阻抗不均衡導(dǎo)致獲取的零序電流受不平衡電流影響較大。

對于純電力電纜線路或由電纜引出的架空線路，通常采用外接零序電流互感器獲得零序電流，外接零序電流互感器的主要優(yōu)點(diǎn)是不會因互感器勵磁特性或者二次負(fù)載阻抗的大小對測得的零序電流產(chǎn)生影響。

但是，如果電力電纜金屬護(hù)層接地線安裝方式出現(xiàn)錯誤，在電纜出現(xiàn)對地故障時，將會導(dǎo)致零序電流保護(hù)拒動，致使事態(tài)擴(kuò)大。

1 故障簡述

1.1 風(fēng)電場主接線

某風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量150 MW，通過一臺150 MW主變壓器將電壓升至220 kV送出，35 kV集電線路6條，靜態(tài)無功電容器2臺，動態(tài)無功裝置SVG 2臺，接地變壓器通過小電阻接地方式運(yùn)行。

1.2 跳閘前運(yùn)行工況

跳閘前，該220 kV 5號母線運(yùn)行正常，1號主變運(yùn)行正常，發(fā)生故障的312線路帶10臺風(fēng)電機(jī)組處于滿發(fā)狀態(tài)，所帶負(fù)荷約25 MW。

1.3 故障工況

2021-11-21T10：51：06：857，312開關(guān)保護(hù)裝置整組啟動后返回。

10：51：06：865，接地變整組啟動，604 ms后，零序電流I段一時限動作跳開831接地變，隨后跳開1號主變低壓側(cè)301開關(guān)?，F(xiàn)場進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，312開關(guān)所帶的集電線路56號鐵塔B相跌落保險燒毀，35 kV 5號母線PT三相一次保險均燒毀。

2 事故原因分析

2.1 保護(hù)定值及動作情況

35 kV 5號母線接地變和312集電線路的零序保護(hù)定值見表1。

表1 5號母線接地變和312集電線路的零序保護(hù)定值

根據(jù)故障錄波和故障報文分析可知，312集電線路是帶10臺2.5 MW風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，18號風(fēng)機(jī)B相跌落保險燒斷，因該跌落保險后帶3臺2.5 MW風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，B相跌落保險熔斷后3臺風(fēng)機(jī)持續(xù)缺相運(yùn)行，故與A， C相負(fù)荷電流相差約0.12 kA。B相跌落熔絲熔斷后保險并未從鐵塔上掉落而是隨著大風(fēng)搖擺，在經(jīng)過894.5 ms后B相熔斷保險對鐵塔發(fā)生弧光接地，再由弧光接地發(fā)展為金屬性接地故障，金屬性接地持續(xù)120 ms后轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙饘俳拥?。接地故障發(fā)生656.5 ms后，831接地變零序電流I段動作831開關(guān)跳閘，經(jīng)

21.8 ms后1號主變低壓側(cè)301開關(guān)跳開。

2.2 越級跳閘原因分析

當(dāng)集電線路發(fā)生單相接地故障時，接地變壓器通過接地電阻R向接地點(diǎn)提供附加阻性電流，接地點(diǎn)的阻容性電流是電容性電流與電阻性電流的相量和，此時接地點(diǎn)電流相比中心點(diǎn)不接地系統(tǒng)時的接地電流要大。但是，由于電壓和電流間的相位角減小，使得接地處的電弧容易自行熄滅，從而保證產(chǎn)生的弧光接地過電壓不超過2.6倍的相電壓。B相接地時穩(wěn)態(tài)情況下的零序電流分布如圖1所示，等效零序網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)時零序電流分布

圖2 接地時零序等值網(wǎng)絡(luò)

圖2中，是集電線路發(fā)生單相接地故障產(chǎn)生的零序電壓，是流過故障線路零序電流互感器的零序電流，是接地變通過接地電阻提供的阻性電流，XC總是35 kV母線上所有線路和電氣設(shè)備的對地電容，XB是接地變壓器的電抗值。選擇接地變壓器中性點(diǎn)接地電阻值的原則是使流經(jīng)接地點(diǎn)的阻性電流是容性電流的1～1.5倍，即：IR=(1～1.5)IC。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際參數(shù)計(jì)算，流過接地變壓器接地電阻和故障線路的零序電流比值為K=IR/IC=1.11，兩者相差不大。接地變零序動作電流一次值為0.21×400=84 A，動作時限0.6 s，312開關(guān)零序動作電流一次值為0.56×150=84 A，動作時限0.3 s。兩者的一次定值是一樣的，發(fā)生接地故障后，線路零序保護(hù)應(yīng)該先動作，從故障錄波文件查看，312線路的零序保護(hù)在完全發(fā)展為金屬性接地故障時達(dá)到了動作定值，在故障發(fā)展為非金屬接地時未達(dá)到312線路零序電流保護(hù)定值，312線路零序保護(hù)返回，而接地變外接零序CT測得的零序電流一直達(dá)到零序保護(hù)動作值。

312開關(guān)柜的自產(chǎn)零序和外接零序電流互感器測得零序電流理論上應(yīng)該是一樣的。按故障錄波發(fā)生時刻測得的二次電流進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

開關(guān)自產(chǎn)3I0=3×0.097×900=261.9 A (一次值)，外接零序CT故障錄波測得3I0二次值為0.787 A，一次值為0.787×150=118 A，小于自產(chǎn)值。

831接地變外接零序電流CT測得二次值3I0=0.727 A，一次值為0.727×400=290.8 A。

綜上判定，312開關(guān)柜外接零序CT測得的零序電流不準(zhǔn)確。

通過對現(xiàn)場設(shè)備和故障錄波定值進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，故障錄波831接地變外接零序CT的變比設(shè)置有誤(實(shí)際為400/1，設(shè)置為150/1，故障錄波CT變比設(shè)置錯誤對保護(hù)的動作行為沒有影響，但故障錄波測得電流值一次值是錯誤的)；通過對312開關(guān)柜外接零序CT電纜的金屬護(hù)層接地線檢查，發(fā)現(xiàn)接地線接錯：未回穿零序CT后接地，如圖3所示。

圖3 312開關(guān)外接零序CT錯誤接線

35 kV系統(tǒng)接地變壓器經(jīng)小電阻接地，由于接地變壓器一次側(cè)采用曲折型接線(z接)，二次側(cè)一般采用y接，該接法正序阻抗很大、零序阻抗較小，在沒有故障的情況下相當(dāng)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)接地故障有零序電流時相當(dāng)于小電阻接地系統(tǒng)。

當(dāng)發(fā)生接地短路故障時，故障點(diǎn)零序電壓最高，離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)，零序電壓越低；電源處零序電壓最低，接地故障點(diǎn)電容電流實(shí)際流向是從故障點(diǎn)流向母線，再經(jīng)集電線路對地電容流回故障點(diǎn)；接地故障點(diǎn)電流亦經(jīng)故障線路流回接地變。按規(guī)定三芯電力電纜金屬護(hù)層兩端接地，正常運(yùn)行時三相電流平衡，金屬護(hù)層中幾乎沒有感應(yīng)電流流過；但當(dāng)線路發(fā)生接地、斷線或斷線且接地復(fù)故障等故障時，三相電流不再平衡。設(shè)三相電流的相量和為其在金屬護(hù)層感應(yīng)出的電流為，由楞次定律可知，二者方向是相反的，式中，M為三相導(dǎo)線與金屬護(hù)層間的互感系數(shù)，Z為金屬護(hù)層阻抗與大地接地電阻之和，Z=r+jx。

電流經(jīng)金屬護(hù)層兩端接地與大地構(gòu)成回路。當(dāng)忽略r時該電流數(shù)值較大，且方向與相反。因此，當(dāng)電纜金屬護(hù)層接地錯誤，接地線未穿回零序CT而直接接地，零序電流互感器二次側(cè)感應(yīng)的零序電流為零序電流互感器變比)將會減小很多(極端情況下可能接近零)，不能正確反應(yīng)故障電流，從而使線路的零序保護(hù)裝置拒動。而接地變壓器的外接零序電流互感器可以正確地測到該零序電流，使接地變和主變低壓側(cè)開關(guān)跳閘，導(dǎo)致事故停電范圍擴(kuò)大。

為了防止電力電纜施工中這種接線錯誤，GB 50168—2018《電纜線路施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》7.2.8規(guī)定：電力電纜金屬護(hù)層接地線未隨電纜芯線穿過互感器時，接地線應(yīng)直接接地；隨電纜芯線穿過互感器時，接地線應(yīng)穿回互感器后接地。上述兩種正確接法的零序電流互感器電纜金屬護(hù)層接地線和接地故障發(fā)生時電流分析如圖4，5所示。圖中，為金屬護(hù)層中的感應(yīng)電流，為故障點(diǎn)接地電流。

圖4 金屬護(hù)層接地線在零序CT上方接法

圖4為金屬護(hù)層接地線在零序CT上方的接法，零序電流互感器的測量電流為

圖5為金屬護(hù)層接地線在零序CT下方的接法，零序電流互感器的測量電流為

圖5 金屬護(hù)層接地線在零序CT下方接法

2.3 母線PT三相保險熔斷原因分析

單相接地故障發(fā)生時，35 kV系統(tǒng)在接地變壓器跳開后，運(yùn)行方式突然改變，由小電阻接地系統(tǒng)變?yōu)橹行狞c(diǎn)不接地系統(tǒng)。

由于電流和電壓互感器鐵芯電感的磁通之間是非線性關(guān)系，非接地相電壓互感器繞組兩端電壓升高導(dǎo)致鐵芯電感飽和，電壓互感器感抗降低，勵磁電流增大，而電壓互感器一次接地點(diǎn)未安裝消諧電阻，電壓互感器一次熔斷器額定電流只有0.5 A，一般鐵磁諧振過電壓幅值可達(dá)到3倍以上的相電壓，在起始暫態(tài)中過電壓幅值會更高，從而導(dǎo)致了電壓互感器一次繞組保險燒毀。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

該故障直接原因是35 kV鐵塔跌落保險熔斷后未完全掉落隨風(fēng)搖擺造成的B相接地故障。由于35 kV 312開關(guān)進(jìn)線電纜金屬護(hù)層接地線接地方式錯誤，線路零序保護(hù)采用的是外接零序電流互感器的電流值，線路發(fā)生接地故障時，外接零序電流互感器測得的零序電流值較真實(shí)值小，導(dǎo)致35 kV 312開關(guān)零序保護(hù)拒動，最終接地變壓器零序保護(hù)動作越級跳開主變低壓側(cè)301開關(guān)。

3.2 建議

為避免此類故障，應(yīng)當(dāng)做好以下工作。

(1) 對全站的零序電流互感器進(jìn)行排查，對電纜金屬護(hù)層接地線接地錯誤的零序電流互感器進(jìn)行整改，以消除故障隱患。

(2) 按照要求定期對一、二次設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，定期檢查保護(hù)設(shè)備的定值，將設(shè)備隱患消除在萌芽階段。

(3) 在PT高壓繞組中性點(diǎn)接地處接入一次消諧電阻器，無論是鐵磁諧振還是低頻振蕩，在接地故障切除時，可以將大部分電壓降加在消諧電阻器上，使PT高壓熔絲不易熔斷。

(4) 選用勵磁特性較好的電壓互感器或電容式電壓互感器，改變母線對地電容值，破壞諧振條件。