水電站照明變低壓側(cè)零序CT安裝位置對(duì)于接地保護(hù)的影響分析

何能全

（雅礱江流域水電開發(fā)有限責(zé)任公司 成都 610000）

引言

因水電站多為地下式或壩后式廠房，站內(nèi)環(huán)境潮濕，廠用照明系統(tǒng)出線電纜較多，絕緣防護(hù)水平相對(duì)較低，易受運(yùn)行方式及環(huán)境影響，其接地保護(hù)在運(yùn)行過程中動(dòng)作頻次較機(jī)組自用變及公用變較多[1]。本文對(duì)某大型水電站TT接線方式的廠用照明變低壓側(cè)接地故障時(shí)的電流回路進(jìn)行了分析，并結(jié)合故障案例進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，給出了廠用照明變壓器低壓側(cè)零序CT的合理安裝位置建議，以確保站用照明變可靠運(yùn)行。

1 某站廠用照明變系統(tǒng)配置

某大型水電站照明變主接線如圖1所示，1B、2B分別為#1照明變、#2照明變，1QF、2QF及3QF分別為#1M進(jìn)線開關(guān)、#2M進(jìn)線開關(guān)及聯(lián)絡(luò)開關(guān)，正常情況下該照明系統(tǒng)I、II段分段運(yùn)行。當(dāng)一段變壓器檢修或者上級(jí)10kV轉(zhuǎn)檢修后，照明系統(tǒng)I、II段通過合上3QF開關(guān)轉(zhuǎn)為聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。

圖1 某水電站400 V廠用照明系統(tǒng)主接線圖

1B的電氣原理及零序CT配置如圖2所示，其中CTA、CTB、CTC為 1QF自帶的電流互感器，CT1、CT2、CT3，為照明變低壓側(cè)零序CT可選擇安裝的位置（某廠改造前零序CT實(shí)際安裝位置為CT3），運(yùn)行過程中流過這三個(gè)CT的電流分別記作IN1、IN2、IN3，本文以照明變壓器低壓側(cè)400 V母線A相K點(diǎn)發(fā)生接地故障為例，對(duì)照明變壓器低壓側(cè)零序CT安裝位置對(duì)于接地保護(hù)的影響進(jìn)行分析。

根據(jù)《DL/T 1502-2016廠用電繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》[2]，其參考的廠用變低壓側(cè)零序CT安裝位置為圖2所示CT3位置，且大多一次設(shè)備制造商也均將低壓零序CT布置于此。按照保護(hù)整定導(dǎo)則推薦的整定方案，廠用變壓器低壓側(cè)零序過流整定原則如下：

圖2 廠用照明系統(tǒng)電氣原理圖

1）躲過正常運(yùn)行時(shí)變壓器中性線上流過的最大不平衡電流，此電流一般不應(yīng)超過低壓線圈額定電流的30 %，即:

式中：

Iop—保護(hù)動(dòng)作電流；

Krel—可靠系數(shù)，取1.3；

In1—變壓器低側(cè)額定電流；

nTA0—CT 變比。

2）與相鄰元件保護(hù)的動(dòng)作電流相配合。

①當(dāng)?shù)蛪簭S用變壓器無分支線時(shí)，與低壓電動(dòng)機(jī)相間保護(hù)相配合；躲過未單獨(dú)裝設(shè)接地保護(hù)的最大容量電動(dòng)機(jī)的相間保護(hù)(兼做接地保護(hù))的動(dòng)作電流。

式中：

Iop—保護(hù)動(dòng)作電流；

Krel—可靠系數(shù)，取1.3；

Kco—配合系數(shù)，取1.1；

Kst—電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)；

Irt—電動(dòng)機(jī)額定電流。

②當(dāng)?shù)蛪簭S用變壓器有分支回路時(shí)，與廠用分支線零序保護(hù)相配合。

式中：

Iop—保護(hù)動(dòng)作電流；

Kco—配合系數(shù)，取1.1；

Iop.br—廠用分支回路零序保護(hù)的動(dòng)作電流。

低壓側(cè)零序電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限與低壓母線進(jìn)線保護(hù)動(dòng)作時(shí)間配合整定。

由于照明系統(tǒng)的主要負(fù)荷為照明燈具、電源插座、辦公設(shè)備、小型換氣扇等電氣設(shè)備，因此多采用三相4線的TT接線方式。

2 廠用照明變低壓側(cè)零序保護(hù)誤動(dòng)事件

某站（如圖1所示）因照明變2B高壓側(cè)10 kV母線檢修需要，2QF斷開，照明系統(tǒng)2M通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)3QF運(yùn)行，在500 kV出線發(fā)生近端單相接地故障，500 kV線路保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)，#1照明系統(tǒng)進(jìn)線開關(guān)1QF本體保護(hù)裝置報(bào)接地故障跳閘。

照明變壓器開關(guān)1QF為施耐德框架式斷路器，額定電流In=630 A，保護(hù)模塊選配的型號(hào)為Micrologic 6.0 A，開關(guān)定值設(shè)定為：

接地故障脫扣Ig=B；

接地跳閘延時(shí)Tg=0.3 s；

I2t選off。

根據(jù)400 V開關(guān)廠家（施耐德公司）提供的技術(shù)說明書——《MT低壓空氣斷路器和負(fù)荷開關(guān)》，當(dāng)定值模塊型號(hào)為Micrologic 6.0A，400A＜開關(guān)額定電流In=630 A＜1 250 A時(shí)，Ig=B取0.3，即B=0.3In=0.3*630=189 A，I2t選off（即跳閘時(shí)間為定時(shí)限），當(dāng)接地零序電流大于189 A經(jīng)且過0.3 s延時(shí)跳開進(jìn)線開關(guān)1QF。

現(xiàn)場(chǎng)檢查#1照明變系統(tǒng)的母線及負(fù)荷開關(guān)絕緣均合格。通過1M帶2M聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，1QF跳閘前的不平衡電流為126 A，如圖3所示。

圖3 1QF顯示的不平衡電流

分析以上不平衡電流，不難發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樵谡＿\(yùn)行時(shí)照明系統(tǒng)負(fù)荷三相不對(duì)稱引起的，開關(guān)所顯示的126 A“零序電流”實(shí)為負(fù)荷不平衡電流。由于該值小于接地保護(hù)跳閘電流值189 A，所以正常運(yùn)行情況下開關(guān)不會(huì)動(dòng)作。

本次異常后，檢查電站故障錄波裝置，發(fā)現(xiàn)該站500 kV線路保護(hù)發(fā)生單相接地故障時(shí)，對(duì)應(yīng)廠用電A相電壓未發(fā)生變化，B、C相母線電壓下降至正常電壓的69 %，這進(jìn)一步加重了照明變負(fù)荷的不平衡度，使得零序電流實(shí)測(cè)值達(dá)到了該開關(guān)的接地保護(hù)動(dòng)作定值189 A以上，從而導(dǎo)致接地保護(hù)動(dòng)作跳閘（開關(guān)保護(hù)為正確動(dòng)作），屬誤動(dòng)作。

3 零序CT安裝合理性分析

通過分析以上誤動(dòng)事件，保護(hù)誤動(dòng)的原因在于照明系統(tǒng)負(fù)荷三相不平衡電流的存在，導(dǎo)致進(jìn)線開關(guān)檢測(cè)到所謂“零序電流”，在雙母聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時(shí)不平衡電流進(jìn)一步增大，在母線電壓因系統(tǒng)原因發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不平衡電流加劇，最終導(dǎo)致照明變低壓側(cè)400 V進(jìn)線開關(guān)誤動(dòng)跳閘。

以下就TT接線系統(tǒng)中低壓側(cè)零序CT不同安裝位置在單相接地中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行定性分析，以便確定合適的保護(hù)配置方案。

3.1 零序CT安裝于CT1位置

由圖2可知，該方式下正常運(yùn)行時(shí)，IN1=IN3，流經(jīng)CT1的電流為系統(tǒng)不平衡電力。當(dāng)400 V母線K點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流路徑為：A相→CT3、CT2→故障點(diǎn)→A相，而不流經(jīng)CT1位置，保護(hù)裝置無法測(cè)得故障電流，無法實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)功能，而在負(fù)荷不平衡度達(dá)到動(dòng)作定值時(shí)反而會(huì)誤動(dòng)，因此CT1的安裝位置不適用于照明變系統(tǒng)高壓側(cè)接地保護(hù)。

3.2 零序CT安裝于CT2位置

該方式下，正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷不平衡電流流經(jīng)CT1和CT3，IN1=IN3，無電流流經(jīng)CT2位置，即CT2不能檢測(cè)正常運(yùn)行情況下的不平衡電流。當(dāng)系統(tǒng)在K點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流流經(jīng)路徑為：A相→CT3、CT2→故障點(diǎn)→A相，CT2檢測(cè)到的電流全為故障電流?？善鸬街苯咏拥叵到y(tǒng)單相接地保護(hù)作用，且定值整定只需考慮時(shí)間上與1QF的配合。因1QF同時(shí)檢測(cè)了負(fù)荷不平衡電流及接地電流，因此接地電流定值可不進(jìn)行配合。

3.3 零序CT安裝于CT3位置

該方式下，正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷不平衡電流流經(jīng)CT1和CT3，IN1=IN3。當(dāng)在K點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流流經(jīng)路徑為：A相→CT3、CT2→故障點(diǎn)→A相，此種情況下流經(jīng)CT3的電流為不平衡電流和接地故障電流之和，與1QF開關(guān)檢測(cè)到的電流相同。1QF定值為裝置根據(jù)參數(shù)自動(dòng)計(jì)算的結(jié)果，CT3定值根據(jù)繼電保護(hù)計(jì)算導(dǎo)則按實(shí)測(cè)不平衡電流乘以1.3～1.5倍的可靠系數(shù)進(jìn)行整定，理論上是可以用于低壓側(cè)零序保護(hù)之用。

本文所述實(shí)例中，雖然已經(jīng)按照繼電保護(hù)整定導(dǎo)則設(shè)置了可靠系數(shù)，但依然發(fā)生了設(shè)備誤動(dòng)的情況。說明該種廠用變低壓零序保護(hù)的配置方式存在一定缺陷和不足，其主要原因是負(fù)荷不平衡電流在不同運(yùn)行工況下導(dǎo)致的。1QF接地保護(hù)動(dòng)作值固定為189A，當(dāng)負(fù)荷調(diào)節(jié)平衡時(shí)，理論上CT3所計(jì)算出的定值應(yīng)遠(yuǎn)小于189A，不至于造成上下級(jí)配合關(guān)系失效，開關(guān)越級(jí)跳閘的情況。CT3位置可起到直接接地系統(tǒng)單相接地的保護(hù)，且定值整定只需考慮時(shí)間上與1QF的配合。但如果存在較大不平衡電流且疊加系統(tǒng)故障或擾動(dòng)的情況時(shí)，會(huì)進(jìn)一步加大負(fù)荷不平衡的嚴(yán)重程度，故障電流就可能超出設(shè)定的配合關(guān)系，從而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。

綜上所述，將CT2位置作為零序電流互感器的安裝位置，完全滿足如上所述的照明用TT接線系統(tǒng)零序保護(hù)的需要，具有較高的靈敏性，且配合關(guān)系簡(jiǎn)單。

4 應(yīng)避免和注意的問題

以上保護(hù)配置方案，僅在文中所述的方案中有較好的靈敏性和可靠性，如下文所述的系統(tǒng)和運(yùn)行方式則不宜采用該方式。

如果存在兩段400 V電源系統(tǒng)共用N線的情況，如下圖所示[3]，則以上方案存在一些其它的風(fēng)險(xiǎn)。

如圖4，如果將零序CT布置在零線與地線之間的位置，即上圖的CT2或CT4位置，當(dāng)在一段母線的K點(diǎn)或饋線發(fā)生接地故障時(shí)，圖4中的CT2、CT3、CT4均會(huì)有故障電流流過，CT5中無零序電流。在兩段電源正常分段運(yùn)行的情況下，采用將零序CT布置在N線與地線之間的方案，存在導(dǎo)致兩段母線同時(shí)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，這將導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

圖4 共用N線供電系統(tǒng)原理圖

因此在共用N線的照明或其它廠用電系統(tǒng)中，則不宜采用以上方案，而應(yīng)將零序CT布置在低壓側(cè)中性點(diǎn)的就近位置（圖2 CT3位置），即中性點(diǎn)引出線之后、零線和地線之前的位置，并盡量調(diào)整系統(tǒng)的三相負(fù)荷水平，使之保持基本平衡，盡量較少不平衡電流。

5 總結(jié)

本文結(jié)合一起照明系統(tǒng)零序接地保護(hù)誤動(dòng)實(shí)例，對(duì)零序CT安裝位置的合理性進(jìn)行了分析，與實(shí)例（圖2）所述一致的照明用TT接線系統(tǒng)，建議將零序CT應(yīng)安裝在中性點(diǎn)零線（N線）與地線（pe線）之間的位置，能保證接地保護(hù)正確動(dòng)作，且不受變壓器不平衡電流影響，不需與之配合，又能避免如本文所述的因500 kV接地等高電壓波動(dòng)引起裝置誤動(dòng)，值得設(shè)備廠家和從事保護(hù)工作的同行借鑒和參考。