尹超勇，徐浩，許立強，李輝

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

0 引言

單相接地故障是電力系統(tǒng)中常見的故障[1-8]，當輸電線路發(fā)生單相高阻接地故障時，由于電壓降低，三相線間電壓依然幾乎對稱，同時故障電流一般較小，零序電流也較小[9-10]。若線路長時間帶高阻接地故障運行，可能導致相間絕緣擊穿，最終轉(zhuǎn)化為相間故障，故障范圍擴大。由于高阻接地故障特征量不明顯，因而保護的啟動和動作困難，影響保護動作的靈敏性，給保護二次分析與故障查找?guī)順O大困難[11-13]。對此，分析了一起典型的110 kV電網(wǎng)高阻接地故障，其故障過程中的故障電流特征和保護動作行為為高阻接地故障分析研究和保護裝置算法設(shè)計提供參考[14-15]。

1 事故簡述

2018年某220 kV變電站某110 kVⅡ母一條出線發(fā)生高阻接地故障，該線路保護距離因不滿足條件未動作，由于故障電流周期性間斷增大的原因零序保護也未動作。隨后，該線路再次發(fā)生單相接地故障，故障電流逐漸增大，其主保護距離、零序保護不滿足動作條件未動作，而位于110 kVⅠ母3號主變壓器的中壓側(cè)零序方向過流保護(Ⅰ段)滿足條件動作，跳開母聯(lián)斷路器，但故障未切除。隨后該變電站對側(cè)110 kV線路零序保護(Ⅳ段)動作，但故障仍未切除，最終110 kVⅡ母線上的4號主變壓器間隙零壓保護動作，跳開其三側(cè)斷路器，切除故障。此次故障持續(xù)時間長、保護動作過程復雜、影響范圍大，暴露出在線路發(fā)生高阻接地故障時，距離保護和零序保護靈敏度低、零序定值整定難以適用系統(tǒng)復雜的運行方式，以及其保護裝置中算法、定值的缺陷導致保護不能正確反映故障和越級跳閘等問題。

2 保護動作行為及原因分析

如圖1所示，該變電站擁有220 kV主變壓器兩臺，運行方式為并列運行，其中3號主變壓器兩側(cè)中性點接地，4號主變壓器兩側(cè)中性點不接地。3號主變壓器中壓側(cè)530斷路器運行于110 kVⅠ母，4號主變壓器中壓側(cè)540斷路器運行于110 kVⅡ母，110 kV母聯(lián)500斷路器處于運行狀態(tài)，線路L1空載運行，L2與該變電站對側(cè)110 kV 1號主變壓器連接，其中性點接地運行。

圖1 故障前系統(tǒng)運行方式

此次高阻接地故障持續(xù)時間長，兩次故障過程中，故障電流特點和保護動作都存在較大差異，下面分析在每次故障過程中保護的動作行為和原因。

2.1 非穩(wěn)定性高阻接地中保護動作行為分析

線路L1首次發(fā)生A相高阻接地故障時，線路L1錄波波形如圖2所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，A相電流周期性的振蕩增大，且變化周期逐漸增大。此次故障過程中線路保護裝置未動作，且裝置發(fā)出TA斷線告警信息。

圖2 非穩(wěn)定性高阻故障時線路L1錄波波形

2.1.1 線路L1距離保護分析

如圖2所示，故障時A相接地阻抗(Zφ=Uφ/(Iφ+k×3I0))最小阻抗值為13.92Ω左右(如圖3所示)，沒有達到距離保護動作定值(接地距離Ⅲ段阻抗定值13Ω)，因此距離保護不動作。

圖3 故障時三相接地阻抗值

2.1.2 線路L1零序保護分析

在故障初始階段，線路L1故障電流周期性的不連續(xù)，使得故障零序電流未能持續(xù)滿足零序保護Ⅳ段定值(1.25 A，3.3 s)，當故障零序電流低于返回電流0.4Iset，且時間超過一個工頻周期20 ms時，保護重新計時，因而線路零序保護未動作。

由于故障電流周期振蕩，造成線路保護裝置發(fā)出TA斷線告警信號，閉鎖了相關(guān)零序電流保護。線路保護TA斷線判據(jù)為零序電流3I0大于裝置的TA斷線判據(jù)零序電流門檻值，并持續(xù)12 s后報“TA斷線異?！备婢⑶议]鎖有關(guān)零序各段保護，TA斷線計時采用正負累積方式(零序電流升高至超過零序電流門檻值時累計時間為正，降低至低于返回電流時累計時間為負)。根據(jù)錄波分析，故障發(fā)生后18 s左右TA斷線累計時間達到12 s，裝置發(fā)出TA斷線告警并閉鎖了保護。

2.2 穩(wěn)定性高阻接地故障中保護動作行為分析

線路L1再次出現(xiàn)A相高阻接地時，此時故障電流緩慢增大，此次故障過程線路L1保護未動作，但導致線路L1相關(guān)后備保護動作。整個過程的錄波圖如圖4所示，故障過程中3號主變壓器中壓側(cè)零序過流Ⅰ段、對側(cè)線路L2零序保護和4號主變壓器間隙保護先后分別動作，但線路L1保護仍然未動作，下面分別分析各個保護動作行為和原因。

2.2.1 本側(cè)線路L1保護動作行為分析

如圖4所示，故障開始階段，A、B、C三相接地阻抗(Zφ=Uφ/(Iφ+k×3I0))最小值分別為24.31Ω、53.17Ω、56.27Ω(如圖5所示)，未達到距離保護動作定值，因此距離保護不會動作。

圖4 穩(wěn)定性高阻故障時線路L1錄波波形

圖5 故障時三相接地阻抗值

線路L1的A相再次出現(xiàn)故障電流并緩慢增大，線路保護裝置內(nèi)部錄波如圖6所示?？梢钥闯?，至3號主變壓器跳閘前，盡管線路保護零序電流已經(jīng)滿足其定值，但線路保護裝置自產(chǎn)3U0最大不超過1 V，不滿足線路保護裝置零序功率方向元件開放條件(當零序電壓3U0門檻值低于2 V，零序相關(guān)保護閉鎖)。因此，線路零序保護仍沒有動作。

圖6 線路L1保護裝置內(nèi)部錄波形

2.2.2 本側(cè)3號主變壓器保護動作行為分析

由系統(tǒng)故障前運行方式可知線路L1發(fā)生A相高阻接地時，零序電流的路徑如圖7所示。

由于110 kV線路L2對側(cè)的系統(tǒng)中性接地點與L1線路故障點之間的電氣距離遠小于3號主變壓器中性接地點與L1故障點之間的電氣距離，因此在此階段L2線路的故障零序電流均很小，線路L2零序保護在此階段未動作，而3號主變壓器中壓零序過流保護動作。

圖7 故障后系統(tǒng)中零序電流路徑

本側(cè)3號主變壓器中壓側(cè)錄波波形如圖8所示，隨著故障的發(fā)展，主變壓器中壓側(cè)零序電流緩慢增大，直至大于3號主變壓器中壓側(cè)零序方向過流Ⅰ段動作定值(1.38 A，3.6 s)，保護裝置自產(chǎn)零序電壓為3.1 V左右，滿足正方向條件(3號主變壓器中壓側(cè)零序方向過流的零序電壓門檻值3U0=0.8 V)，3.6 s后保護正確動作出口，跳開500斷路器。

圖8 本側(cè)3號主變中壓側(cè)錄波波形

2.2.3 對側(cè)線路L2保護動作行為分析

當母聯(lián)500斷開后，系統(tǒng)中的零序電流路徑如圖9所示，此時零序電流全部轉(zhuǎn)移到線路L2上。

圖9 母聯(lián)500斷開后系統(tǒng)中零序電流路徑

從圖10中錄波可以看出，此時110 kV對側(cè)L2線路故障零序電流值3I0=2.29 A，滿足線路零序過流Ⅳ段定值(1.0 A，1.8 s)，跳開516斷路器。

圖10 對側(cè)L2線路錄波波形

2.2.4 本側(cè)4號主變壓器保護動作行為分析

當對側(cè)線路L2保護跳開516斷路器后，220 kV本側(cè)4號主變壓器110 kVⅡ母零序網(wǎng)絡(luò)失去所有中性點接地，4號主變壓器中壓側(cè)零序電壓錄波如圖11所示。

圖11 本側(cè)4號主變壓器錄波波形

由錄波圖可以發(fā)現(xiàn)，線路L2斷開后，4號主變壓器零序電壓3U0電壓增至214 V左右。因此，線路L2斷開約4 s后，4號主變壓器間隙零壓保護(定值:180 V，4 s)動作出口，跳開主變壓器三側(cè)斷路器。

3 結(jié)論

1)無論在穩(wěn)定性高阻接地過程中，還是非穩(wěn)定性高阻接地過程中，接地距離保護都可能拒動，其選擇性、靈敏性都難以實際滿足要求。

2)線路L1在發(fā)生非穩(wěn)定性高阻接地故障過程中，由于線路距離保護達不到定值未動作、線路零序保護故障電流出現(xiàn)間斷非穩(wěn)定周期性增大，導致在一個周期內(nèi)無法滿足零序保護整定計時，造成保護在故障初始階段未動作。而且故障電流的周期性間斷的特點造成零序保護閉鎖，使得零序保護在故障中后期也未動作。

3)線路L1在發(fā)生穩(wěn)定性高阻接地故障過程中，零序電流不僅滿足線路L2零序保護Ⅳ段定值，還滿足3號主變壓器中壓側(cè)零序過流保護Ⅰ段定值，但零序電壓(裝置固定，無法整定)只滿足3號主變壓器中壓側(cè)零序電壓定值，未達到線路L2零序電壓定值，閉鎖了線路零序Ⅳ段保護，所以導致3號主變壓器越級跳閘。