樞紐變電站10kV側(cè)接地變過流保護Ⅱ段誤動作分析

卞英楠 高曉陽

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 引言

10kV供電系統(tǒng)在我國極其常見，在城市配電網(wǎng)中，扮演重要角色。在居民區(qū)的配電開閉所內(nèi)，它往往作為400V居民供電的上一級，在供電系統(tǒng)中必不可少。早些年，城市用電負荷小、線路少，經(jīng)濟不發(fā)達，電線桿為主體的架空線隨處可見，此時為了保障發(fā)生單相接地故障時居民仍能可靠用電一段時間，供電系統(tǒng)采用中性點經(jīng)消弧線圈的接地方式。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，單相接地故障相比于相間短路、三相短路以及兩相接地故障，其發(fā)生率最高也較常見。在面對單相接地故障時，10kV系統(tǒng)若采用傳統(tǒng)接地方式，則其非故障相對地電壓升高到原來的倍，三相之間的線電壓保持不變。在單相對地耐壓合格的情況下，此時系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行2h［1］。但隨著各種新型家用電器、新能源電車的出現(xiàn)，以及近年來夏季氣溫的增高，城市用電負荷顯著增多，相應(yīng)的出線也增多了，所以在發(fā)生單相接地故障時，2h內(nèi)切除故障難度增大。雖然10kV系統(tǒng)在采用中性點經(jīng)消弧線圈接地的傳統(tǒng)方式時，可以通過配置小電流接地選線裝置來排除故障線路，但該方法容易出現(xiàn)誤選線的情況。因此，越來越多的城市10kV供電系統(tǒng)，采用中性點經(jīng)小電阻接地方式［2］。為了人為引出中性點，10kV側(cè)通常使用接地變，而為了保護接地變自身，接地變會設(shè)置過流保護。本文以某110kV樞紐變電站10kV側(cè)線路發(fā)生單相接地后接地變過流保護誤動作的案例作為研究對象，分析了背后的原因。

1 事件基本情況

1.1 事件發(fā)生前的運行方式

該110kV樞紐變電站的一次系統(tǒng)如圖1所示。110kV系統(tǒng)部分為雙母線，線路1在110kVⅠ母經(jīng)開關(guān)1帶1號主變運行；線路2在110kVⅡ母經(jīng)開關(guān)2帶2號主變運行；母聯(lián)航空110備用，備自投投入，1號、2號主變分列運行。

圖1 某110k V樞紐變電站一次系統(tǒng)圖

10kV系統(tǒng)采用中性點經(jīng)小電阻接地，母線部分為單母線分段。1號主變經(jīng)航空1011、航空1012開關(guān)帶10kVⅠ、Ⅱ段母線運行；2號主變經(jīng)航空1023、航空1024開關(guān)帶10kVⅢ、Ⅳ段母線運行；母聯(lián)航空140、230備用，備自投投入。1號接地變在10kVⅡ母運行，2號接地變在10kVⅣ母運行，10kV各分路在10kVⅠ～Ⅳ母線運行。

1.2 事件發(fā)生的過程

在某日15∶31∶15時，地面施工，由于施工人員未看到地下有電纜的安全警示，挖斷了10kVⅢ母上某支線的電纜，從而導(dǎo)致該線路單相接地，隨即觸發(fā)了一系列的二次保護。15∶31∶17時后臺機報警鈴響，電腦報文顯示“2號接地變”過流Ⅱ段動作，“2號接地變分位”，“航空1023分位”，“航空1024分位”，“10kVⅢ母失壓”，“10kVⅣ母失壓”；15∶31∶22時，顯示“母聯(lián)航空110備自投動作”，“母聯(lián)航空230備自投動作”；15∶31∶23時，顯示“母聯(lián)航空140合位”，“母聯(lián)航空230合位”，“航空10kV Ⅲ母電壓110.7kV”，“航空10kVⅣ母電壓110.6kV”；15∶31∶26時，顯示“1號接地變”過流Ⅱ段動作，“1號接地變分位”，“航空1011分位”，“航空1012分位”，“母聯(lián)航空140分位”，“母聯(lián)航空230分位”，“10kVⅠ母失壓”，“10kVⅡ母失壓”，“10kVⅢ母失壓”，“10kVⅣ母失壓”。

1.3 事件影響

在15∶31∶15由于施工不慎導(dǎo)致10kV某出線單相接地故障后，至15∶31∶26整個10kV系統(tǒng)全部失壓結(jié)束。短短11s的時間，由10kV某一出線的單相接地故障，最終導(dǎo)致整個樞紐變電站10kV系統(tǒng)全部停電，很明顯故障造成的影響擴大化了，波及了整個10kV系統(tǒng)用戶，造成了大面積停電。在經(jīng)現(xiàn)場全面檢查后，手動斷開故障線路的出線開關(guān)，重新合上了1號、2號接地變，航空1011、1012、1023和1024開關(guān)，緊急恢復(fù)了供電。

2 事件原因分析

作為城市中的樞紐變電站，該變電站低壓側(cè)10kV系統(tǒng)未使用傳統(tǒng)的中性點經(jīng)消弧線圈的接地方式，而是采用中性點經(jīng)小電阻接地方式。在此接地方式下，若10kV低壓側(cè)某出線發(fā)生單相接地故障，則10kV系統(tǒng)通過故障接地點與小電阻形成閉環(huán)，可以產(chǎn)生較大的零序電流。此時通過配置零序互感器或者自產(chǎn)零序的方式檢測到故障發(fā)生線路的零序電流，并配合綜保裝置設(shè)置零序保護，可以及時地將發(fā)生接地故障的線路從整個10kV系統(tǒng)切除出去，防止故障擴大。相比于中性點經(jīng)消弧線圈接地，雖然該接地方式在某出線發(fā)生單相接地故障時，無法維持整個10kV系統(tǒng)持續(xù)運行2h。但對于出線較多的情況，2h內(nèi)排除出故障線路的難度較大，而且對于10kV出線較多且多為電纜時，系統(tǒng)的對地容性電流增大，若采用傳統(tǒng)的中性點經(jīng)消弧線圈接地方式，相應(yīng)的消弧線圈容量也要提升，需增加成本。

綜上，本案例中在10kV某出線發(fā)生單相接地后，正常情況下，該出線的開關(guān)應(yīng)該經(jīng)零序保護跳開。然而，最后故障線路非但沒有及時從系統(tǒng)切除，反而導(dǎo)致整個10kV系統(tǒng)最后全部失壓而造成故障擴大。因此，首先需要排查故障線路的綜保裝置，檢查其是否發(fā)生了零序保護失靈及拒動的現(xiàn)象；其次，若故障線路的綜保失靈，在零序拒動的情況下，接地變的零序保護本應(yīng)動作，而在本案例中則是接地變的過流保護啟動了，需要分析出接地變過流保護Ⅱ段誤動作的原因。

2.1 綜保記錄

事后現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)故障線路的綜保并無問題，且記錄下來故障發(fā)生時A、B、C三相的電流情況如圖2所示。

圖2 故障線路三相電流記錄圖

由圖中可見，事故為A相單相接地，此時B、C兩相幾乎無電流，零序電流為自產(chǎn)，即三相電流矢量和。1號、2號接地變開關(guān)處記錄下的三相電流如圖3、4所示。

圖3 1號接地變?nèi)嚯娏饔涗泩D

圖4 2號接地變?nèi)嚯娏饔涗泩D

由圖中可見，故障發(fā)生時，由于接地變本身的特性，此時流經(jīng)接地變A、B、C三相電流相等，三相矢量和為零序電流，等于自產(chǎn)零流，由于圖2～4中的電流皆為二次側(cè)電流，沒有考慮CT變比，實際分析時需考慮CT變比后，換算成一次側(cè)電流。在發(fā)生單相接地故障開始至接地變保護動作之前，故障線路和接地變之間的三相電流關(guān)系將在下文分析。

2.2 理論分析

分析應(yīng)考慮一次側(cè)電流，所以給出母聯(lián)航空140、230開關(guān)，故障線路，1、2號接地變的CT變比及零序保護的定值。其中，兩個母聯(lián)開關(guān)的參數(shù)一致，兩個接地變的參數(shù)也一致。該案例中的接地變零序保護共有I、Ⅱ段，作為整個10kV系統(tǒng)的后備保護，其動作順序為零序I段閉鎖母聯(lián)航空140、230備自投，跳開母聯(lián)航空140、230；零序Ⅱ段跳開對應(yīng)主變的10kV側(cè)進線開關(guān)，即航空1011、1012，或航空1023、1024（2號接地變）以及接地變自身的進線開關(guān)。具體參數(shù)見表。

表 線路、母聯(lián)開關(guān)和接地變相關(guān)參數(shù)

為了更好地分析事故的整個過程，先把零序保護的二次值結(jié)合CT變比換算成一次電流，并于圖5中標注出來，結(jié)合圖5還原事故發(fā)生的過程。

圖5 事故發(fā)生后零序電流走向圖

由圖2故障線路三相電流記錄可知，事故為A相單相接地，定義表示故障相電流的有效值。那么≈2.61A，此為二次值，且B、C相電流近乎為0，忽略不計，則故障線路的零序電流≈2.61A也為二次值。由于沒有外接零序電流互感器，用的自產(chǎn)零序，則零序電流變比也為200／5，換算成一次側(cè)電流，此時故障線路零序電流有效值近似為313.2A。

在首次發(fā)生單相接地后，由于母聯(lián)航空230處于斷開狀態(tài)，2號接地變在10kVⅣ段，故障線路位于10kVⅢ段，第一次接地后零序電流走向如圖5標注所示。由圖5可知，故障線路的零序保護與2號接地變自身的兩段零序保護的定值與時間滿足級差配合，設(shè)計合理。在發(fā)生單相接地后，故障線路的零序電流有效值313.2A＞84A，滿足零序保護動作定值，在1.0s后，故障線路開關(guān)應(yīng)跳開，若開關(guān)拒動，則在1.5s后開始由2號接地變的零序保護動作。但是故障發(fā)生0.6s后，2號接地變的過流Ⅱ段保護先動作，跳開了航空1023、1024開關(guān)以及自身進線開關(guān)，而此時故障線路開關(guān)由于零序保護未達到動作時間所以并未跳開。

不同于零序保護，接地變過流保護的目的是當(dāng)發(fā)生相間短路故障時，及時地從10kV系統(tǒng)切除，同時由于10kV系統(tǒng)失去了接地點，所以主變10kV側(cè)的進線開關(guān)也會斷開，但是并不閉鎖母聯(lián)航空140、230的備自投。因此在2號接地變過流Ⅱ段保護動作后，失壓7s后，母聯(lián)航空140、230備自投動作。由于接地故障點并未從10kV系統(tǒng)切除，系統(tǒng)發(fā)生了第二次接地。第二次接地后零序電流走向如圖5所示，零序級差配合設(shè)計合理。但和2號接地變一樣，在第二次接地后的0.6s，1號接地變的過流Ⅱ段保護動作，跳開了航空1011、1012開關(guān)以及自身進線開關(guān)和母聯(lián)航空140、230開關(guān)，自此10kV系統(tǒng)全部失壓。

接下來重點分析接地變過流Ⅱ段保護誤動作原因，現(xiàn)場排查綜保并無問題，那就是保護定值設(shè)置可能存在問題，通過檢查綜保發(fā)現(xiàn)，1、2號接地變的過流保護Ⅱ段設(shè)置為2.0A／0.6s，結(jié)合CT變比200／5，所以，接地變的過流保護Ⅱ段換成一次電流值后為80.0A／0.6s。對于部分110kV 樞紐變電站，其10kV系統(tǒng)側(cè)的接地變有時也充當(dāng)站用變，即二次側(cè)有負荷。雖然本案例中的接地變低壓側(cè)并未有負荷，但其過流保護的設(shè)計參考的是站用變的模型，從而得到保護定值［3］。第一次單相接地后零序電流如圖6所示，結(jié)合圖6分析第一次單相接地后2號接地變開關(guān)零序電流與單相電流關(guān)系，第二次單相接地后，1號接地變開關(guān)的零序電流與單相電流關(guān)系與前述相同，不再分析。需要說明的是本案例為了簡化分析，不考慮系統(tǒng)容性電流。

圖6 第一次單相接地后零序電流

由圖6可知，故障線路發(fā)生A相單相接地后，B、C相電流近似為0，定義此時的故障電流為，它等于流經(jīng)A相的電流，也等于該故障線路的零序電流。由于接地變對正序和負序呈高阻抗、對零序呈電阻抗的特性［4］，流經(jīng)2號接地變后，被三等分，此時每一相的電流為，即。而后B、C相的電流在經(jīng)過航空1024開關(guān)后，又經(jīng)過2號主變10kV側(cè)△繞組后匯聚成，并和A相的匯聚后等于重新從故障線路的A相接地點流入大地，完成一次閉環(huán)。結(jié)合圖4也可以發(fā)現(xiàn)，事故發(fā)生時，流經(jīng)2號接地變開關(guān)處的三相電流近乎相等，其二次電流峰值約等于3.666A，有效值為2.592A，結(jié)合前文表中的CT變比200／5，換算成一次電流有效值為103.68A。所以，≈103.68A，結(jié)合圖2及前文所述，此時故障線路電流有效值＝313.2A，所以，與前述結(jié)論一致。

結(jié)合2號接地變過流Ⅱ段保護定值一次有效值為80.0A，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)故障線路發(fā)生A相單相接地時，流經(jīng)接地變高壓側(cè)任一相的電流≈103.68A ＞80.0A，滿足過流Ⅱ段的動作條件，因此在時間達到0.6s后，接地變過流Ⅱ段會先于故障線路的零序保護動作，從而形成單相接地發(fā)生后，過流保護Ⅱ段誤動作的結(jié)果，造成事故擴大。

3 結(jié)束語

近年來，城市中10kV系統(tǒng)為了美觀安全，更多地使用了電纜代替架空線。同時，近年來夏季溫度逐年突破記錄，夏季用電負荷激增，城市規(guī)模擴大都間接導(dǎo)致城市用電線路增多，發(fā)生單相接地故障概率升高。為了及時切除單相接地故障，城市中越來越多的10kV系統(tǒng)采用中性點經(jīng)小電阻接地方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的中性點經(jīng)消弧線圈接地方式。由于10kV系統(tǒng)通常采用△連接，因此需要通過接地變?nèi)藶榈匾鲋行渣c，而接地變本身的特性不同于站用變，其自身的過流保護設(shè)計需仔細考慮。

本文以某110kV樞紐變電站的10kV側(cè)線路發(fā)生單相接地故障后，10kV系統(tǒng)的接地變過流Ⅱ段保護誤動作的事故作為研究對象，對事故原因進行了理論分析并結(jié)合實際結(jié)果加以驗證。發(fā)現(xiàn)在10kV出線發(fā)生單相接地故障時，流經(jīng)系統(tǒng)接地變?nèi)嗟碾娏骺赡苓_到接地變過流Ⅱ段保護的定值動作條件，從而引發(fā)事故擴大化，所以在設(shè)計接地變過流Ⅱ段保護時，不能簡單套用站用變的設(shè)計方法，應(yīng)注意保護定值的設(shè)計是否合理，可以通過增大過流Ⅱ段保護的動作時間，使其大于出線零序保護的動作時間，來避免此事故的發(fā)生。