胡澤文劉滌塵

（1.國網(wǎng)巴中供電公司，四川 巴中 636000；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

一起110kV末端線路單相接地故障分析

胡澤文1劉滌塵2

（1.國網(wǎng)巴中供電公司，四川 巴中 636000；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072）

隨著科技的發(fā)展，各種生產(chǎn)設(shè)備和生活電器對供電電源的可靠性要求越來越高，電網(wǎng)運行方式和保護(hù)配合問題得到重視。本文結(jié)合一起110kV末端線路單相接地故障案例，運用Matlab仿真工具，深入分析了110kV電網(wǎng)末端線路單相接地故障現(xiàn)象，對末端站的保護(hù)配合提出建議。

零序電流保護(hù)；故障分析；單相接地；末端線路

電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定運行，靠堅強電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、合理安排運行方式、正確整定繼電保護(hù)來實現(xiàn)[1]。目前我國110kV及以上的電網(wǎng)系統(tǒng)，通常采用中性點直接接地運行方式；110kV以下的系統(tǒng)通常不直接接地運行[2-4]。110kV末端變電站將直接接地、不直接接地電網(wǎng)系統(tǒng)連接起來，過電壓擊穿未接地運行的變壓器中性點間隙后，導(dǎo)致系統(tǒng)中性點接地方式改變，按正常運行方式整定的零序保護(hù)受到干擾，線路故障造成主變停電，平行線路停電的現(xiàn)象屢有發(fā)生[5-7]；由于部分110kV末端變電站還同時與主電源和小電源相接，主變壓器誤停，將直接造成不必要的負(fù)荷損失[8]。如何使這類變電站的繼電保護(hù)更好適應(yīng)運行方式的特點，提高供電可靠性，是本文的研究重點。

本文介紹一起110kV末端線路單相接地故障案例，運用Matlab軟件建立了末端電網(wǎng)簡化模型，通過仿真分析證明了故障電壓可能擊穿末端變壓器中性點間隙，這將對按正常運行方式整定的零序電流保護(hù)選擇性造成影響；還針對案例中末端變電站零序保護(hù)整定的問題提出解決方案。

1 故障過程及原因分析

1.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖1 電網(wǎng)接線示意圖

圖1所示為電網(wǎng)接線示意圖，這是一種典型的110kV電網(wǎng)末端網(wǎng)絡(luò)，該接線形式在縣級電網(wǎng)中普遍存在。甲站為220kV變電站，與主網(wǎng)相接，變壓器T1 220kV側(cè)、110kV側(cè)中性點直接接地；乙站為110kV變電站，110kV線路L1、L5將該變電站與甲變和系統(tǒng)其他變電站相連，正常運行時線路L5熱備用；丙站為末端站，經(jīng)線路L2與主網(wǎng)相連；變壓器T2、T3高壓側(cè)（110kV）中性點經(jīng)間隙接地。

1.2 動作過程

08月 04日 06時 54min31s782ms（故障后317ms），乙站 L2線路保護(hù)距離保護(hù)Ⅱ段、零序過流Ⅱ段動作，出口跳閘成功；故障測距31.9km，零序電流 7.83A（電流互感器變比 600/5）。54min32s838ms，乙站L2線路開關(guān)重合閘動作，合閘成功。乙站故障報告及波形如圖2所示。

圖2 乙站故障報告及波形

丙站T3變零序電流Ⅰ段在故障后327ms出口跳三側(cè)開關(guān)，全站失電；變壓器保護(hù)測得零序電流16.32A（電流互感器變比300/5），零序電壓19.33V。丙站故障報告及波形如圖3所示。

圖3 丙站故障報告及波形

1.3 故障原因分析

分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，故障后，乙站L2線路保護(hù)測量點測得零序電流（7.83A）和零序電壓，A、C相電壓略降，B相電壓降至約正常值一半；A、C相電流相序、幅值相近，B相電流幅值約為A、C相電流幅值4倍，相序與A、C相相反。該故障波形與大電流接地系統(tǒng)單電源線路單相接地故障電源側(cè)電流、電壓波形相吻合，可初步判斷為B相單相瞬時接地故障。

分析圖3可以發(fā)現(xiàn)，故障后，丙站L2線路保護(hù)測量點測得零序電流（16.323A）和零序電壓，A、B、C三相電流相序、幅值相近。該故障波形與大電流接地系統(tǒng)單電源線路單相接地故障負(fù)荷側(cè)電流、電壓波形相吻合，可判斷為B相單相瞬時接地故障。并且，折算到一次側(cè)后乙站、丙站零序電流值相近，這也從側(cè)面證明上述故障原因推斷正確。

綜上所述，本次故障因L2線路B相單相瞬時接地造成，乙站保護(hù)判斷正確。雖然丙站線路保護(hù)未動作，但是丙站T3高壓側(cè)中性點經(jīng)間隙接地卻產(chǎn)生了零序電流。

2 動作過程仿真與分析

2.1 仿真模型

為便于驗證故障原因是否確為L2線路B相單相瞬時接地，并分析零序電流的產(chǎn)生原因，對案例電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡化，并運用Matlab SimPowerSystems模塊建立系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 末端電網(wǎng)仿真電路

2.2 事故仿真

正常運行時，末端變 T3高壓側(cè)中性點間隙接地。因此在仿真時將T3變高壓側(cè)設(shè)為Yn接線，不直接接地，用事故模塊Fault模擬系統(tǒng)在0.05s時發(fā)生B相單相接地短路。電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)母線電流、電壓仿真波形如圖 5、圖 6所示。仿真顯示，在電源側(cè)，B相（故障相）電壓大幅下降，同時產(chǎn)生故障電流；A、C相電壓基本不變，也無故障電流。在負(fù)荷側(cè)，B相電壓、電流都降低接近0；A、C相電壓不變，也無故障電流。該仿真結(jié)果與實際故障波形圖 2、圖 3相去甚遠(yuǎn)，尤其是在線路末端未發(fā)現(xiàn)零序分量。因此，可以推斷，圖1線路L2單相接地故障時，在線路末端丙站出現(xiàn)的零序分量是由于故障電壓擊穿了末端變T3中性點間隙造成的。

針對上述仿真分析結(jié)果，將 T3變高壓側(cè)設(shè)為Yg接線，直接接地，再次模擬系統(tǒng)在0.05s時發(fā)生B相單相接地短路，得到電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)母線電流、電壓仿真波形如圖7、圖8所示。該故障波形與圖2、圖3基本吻合。

圖5 末端變中性點不接地運行時線路首端電壓、電流波形

圖6 末端變中性點不接地運行時線路末端端電壓、電流波形

圖7 末端變中性點直接接地運行時線路首端電壓、電流波形

綜合兩次仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：本文所述故障是由于L2線路B相單相瞬時接地引起；該接地故障還導(dǎo)致末端變T3中性點對地電壓升高，接近相電壓，擊穿中性點間隙，致使線路末端出現(xiàn)零序分量。

2.3 丙站保護(hù)動作過程分析

事故前，丙站L2線路無出線開關(guān)，線路保護(hù)動作跳主變開關(guān)；L2線路保護(hù)零序電流、接地距離Ⅰ段退出運行，接地距離Ⅱ段整定定值2.8Ω、動作時間 0.5s；該站主變高后備保護(hù)零序電流Ⅰ段定值1.5A（電流互感器變比300/5），1時限退出運行、2時限動作時間0.3s，間隙零序電流定值4A（電流互感器變比100/5）、動作時間0.5s；間隙零序電壓定值180V、動作時間0.5s。

故障時，主變保護(hù)測得零序電流16.32A，零序電壓19.33V。結(jié)合定值整定情況分析，主變高后備零序電流Ⅰ段保護(hù)出口跳閘、間隙零序電流保護(hù)啟動正確；線路零序電流退出不動作，接地距離Ⅱ段因出口整定時間比主變高后備零序電流Ⅰ段長未出口跳閘。最終造成線路保護(hù)拒動、由主變后備保護(hù)動作跳閘的結(jié)果。

圖8 末端變中性點直接接地運行時線路末端電壓、電流波形

3 措施和建議

一些110kV末端站中低壓側(cè)往往接入小電源，直接向負(fù)荷供電。為提高繼電保護(hù)選擇性，并減小停電范圍，提高供電可靠性，筆者認(rèn)為，未直接接地運行的末端站零序保護(hù)整定應(yīng)注意以下兩點：

1）對于中性點直接接地電網(wǎng)系統(tǒng)，即使末端站主變未直接接地運行，其線路零序保護(hù)也應(yīng)投入，并建議按主變接地運行方式進(jìn)行整定。以確保系統(tǒng)發(fā)生故障時擊穿主變中性點后，由線路零序保護(hù)動作切除故障，避免由主變保護(hù)動作切除故障導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大。

2）優(yōu)化末端站主變零序電壓保護(hù)、間隙電流保護(hù)和零序電流保護(hù)，將零序電壓與電流保護(hù)分開整定、配置。變壓器零序電壓保護(hù)作為防止中性點對地電壓升高造成設(shè)備損壞的主保護(hù)并據(jù)此整定動作值和動作時間；而變壓器間隙電流保護(hù)和零序電流保護(hù)考慮作為變壓器本體、母線和線路接地故障的后備保護(hù)，其范圍、尤其是動作時間須配合相關(guān)線路保護(hù)進(jìn)行整定，以確保選擇性。

4 結(jié)論

本文介紹了一起末端110kV線路單相接地故障案例，深入分析了線路兩端保護(hù)動作原因和過程；并結(jié)合案例運用Matlab軟件建立了末端電網(wǎng)通用模型，對末端變中性點經(jīng)間隙接地、直接接地兩種不同運行方式下線路發(fā)生單相接地故障進(jìn)行了仿真分析，得出了以下結(jié)論：

1）末端站只有在其變壓器中性點接地時，系統(tǒng)單相接地故障才會出現(xiàn)零序分量。

2）工程實際中，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障導(dǎo)致未接地運行的末端變中性點對地電壓升高，可能擊穿中性點間隙，產(chǎn)生零序分量。在整定末端站線路、主變零序保護(hù)時應(yīng)考慮到這一因素，使其優(yōu)化配合。

[1]張謙,楊曉梅,王曉暉.英國供電安全工程建議 ER P2/6剖析[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(18): 96-102.

[2]武萬才,宋仕軍,張曉磊.主變壓器中性點間隙擊穿零序保護(hù)誤動分析與建議[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,36(14): 90-94.

[3]黃堅明.110kV變壓器中性點接地方式與零序保護(hù)配置[J].電力自動化設(shè)備,1999,19(6): 64-66.

[4]趙建保,許沛豐,陳延昌,等.110kV線路單相接地故障實例及改進(jìn)措施的分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(22): 163-165.

[5]王忠.110kV線路故障導(dǎo)致變壓器保護(hù)動作分析[J].山西電力,2012,4(2): 18-19.

[6]陳代云,金蕾.對變壓器零序保護(hù)實現(xiàn)方式的探討[J].繼電器,2001,29(1): 50-53.

[7]梁乾兵.一起變壓器中性點間隙擊穿的事故分析[J].繼電器,2006,34(10): 81-84.

[8]羅齊亮.一種防止地區(qū)電網(wǎng) 110kV變電站失壓的零序保護(hù)整定方案[J].電力設(shè)備,2005,6(4): 71-72.

[9]吳運祥,關(guān)守仲.提高微機(jī)保護(hù)實用化水平的幾點看法[J].中國電力,1993,08: 39-40,69.

[10]董振亞.城市配電網(wǎng)中性點接地方式的發(fā)展和改進(jìn)[J].中國電力,1998,8(31): 38-41.

[11]趙玉梅,周福生.大慶電網(wǎng)中性點接地方式介析[J].中國電力,2000,33(8): 45-49.

[12]王秉鈞,朱蕓.中性點非有效接地系統(tǒng)使用無間隙金屬氧化物避雷器的問題[J].中國電力,1996,7(29): 31-34.

[13]DL/T 584—2007.3～110kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運行整定規(guī)程[S].

[14]向瓊.110kV電網(wǎng)故障分析和繼電保護(hù)整定計算的研究[D].廣州: 華南理工大學(xué),2003.

[15]陳亞.中壓電網(wǎng)中性點接地方式運行特性的研究[D].保定: 華北電力大學(xué),2004.

[16]王葵(譯),Hadi Saadat(著).電力系統(tǒng)分析[M].2版.北京: 中國電力出版社.

[17]李維波.Matlab在電氣工程中的應(yīng)用實例[M].北京:中國電力出版社.

[18]于群,曹娜.Matlab/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[19]賀家李,宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].4版.北京: 中國電力出版社,2004.

Analysis of Single Phase Grounding Fault for 110kV Terminal Transmission Line

Hu Zewen1Liu Dichen2
(1.State Grid Bazhong Power Supply Company,Bazhong,Sichuan 636000; 2.School of Electrical Engineering Wuhan University,Wuhan,Hubei 430072)

With the development of science and technology,the requirements for reliability on various kinds of manufacturing equipments and living electric apparatus grows higher and higher,the operation mode and protection coordination of power grid has been paid more and more attention.Combining with an actual case,the article analyzed of a single phase grounding fault for 110kV terminal transmission line with the Matlab,and put forward some suggestions on protection coordination of terminal transformer substation.

zero sequence current protection; fault analysis; single phase grounding; terminal transmission line