李占龍

(中國(guó)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(xiàn)路流向母線(xiàn)。

零序電流可通過(guò)零序電流過(guò)濾器來(lái)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?lì)磁特性不同，二次回路負(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(duì)于純電力電纜線(xiàn)路或由電纜引出的架空線(xiàn)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(huì)因互感器勵(lì)磁特性或者二次負(fù)載阻抗的大小對(duì)測(cè)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(xiàn)安裝方式出現(xiàn)錯(cuò)誤，在電纜出現(xiàn)對(duì)地故障時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致零序電流保護(hù)拒動(dòng)，致使事態(tài)擴(kuò)大。

1 故障簡(jiǎn)述

1.1 風(fēng)電場(chǎng)主接線(xiàn)

某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量150 MW，通過(guò)一臺(tái)150 MW主變壓器將電壓升至220 kV送出，35 kV集電線(xiàn)路6條，靜態(tài)無(wú)功電容器2臺(tái)，動(dòng)態(tài)無(wú)功裝置SVG 2臺(tái)，接地變壓器通過(guò)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(hào)母線(xiàn)運(yùn)行正常，1號(hào)主變運(yùn)行正常，發(fā)生故障的312線(xiàn)路帶10臺(tái)風(fēng)電機(jī)組處于滿(mǎn)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(kāi)關(guān)保護(hù)裝置整組啟動(dòng)后返回。

10：51：06：865，接地變整組啟動(dòng)，604 ms后，零序電流I段一時(shí)限動(dòng)作跳開(kāi)831接地變，隨后跳開(kāi)1號(hào)主變低壓側(cè)301開(kāi)關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，312開(kāi)關(guān)所帶的集電線(xiàn)路56號(hào)鐵塔B相跌落保險(xiǎn)燒毀，35 kV 5號(hào)母線(xiàn)PT三相一次保險(xiǎn)均燒毀。

2 事故原因分析

2.1 保護(hù)定值及動(dòng)作情況

35 kV 5號(hào)母線(xiàn)接地變和312集電線(xiàn)路的零序保護(hù)定值見(jiàn)表1。

表1 5號(hào)母線(xiàn)接地變和312集電線(xiàn)路的零序保護(hù)定值

根據(jù)故障錄波和故障報(bào)文分析可知，312集電線(xiàn)路是帶10臺(tái)2.5 MW風(fēng)機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，18號(hào)風(fēng)機(jī)B相跌落保險(xiǎn)燒斷，因該跌落保險(xiǎn)后帶3臺(tái)2.5 MW風(fēng)機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，B相跌落保險(xiǎn)熔斷后3臺(tái)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(xiǎn)并未從鐵塔上掉落而是隨著大風(fēng)搖擺，在經(jīng)過(guò)894.5 ms后B相熔斷保險(xiǎn)對(duì)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(dòng)作831開(kāi)關(guān)跳閘，經(jīng)

21.8 ms后1號(hào)主變低壓側(cè)301開(kāi)關(guān)跳開(kāi)。

2.2 越級(jí)跳閘原因分析

當(dāng)集電線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地變壓器通過(guò)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(shí)接地點(diǎn)電流相比中心點(diǎn)不接地系統(tǒng)時(shí)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(guò)電壓不超過(guò)2.6倍的相電壓。B相接地時(shí)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(shí)零序電流分布

圖2 接地時(shí)零序等值網(wǎng)絡(luò)

圖2中，是集電線(xiàn)路發(fā)生單相接地故障產(chǎn)生的零序電壓，是流過(guò)故障線(xiàn)路零序電流互感器的零序電流，是接地變通過(guò)接地電阻提供的阻性電流，XC總是35 kV母線(xiàn)上所有線(xiàn)路和電氣設(shè)備的對(duì)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(chǎng)實(shí)際參數(shù)計(jì)算，流過(guò)接地變壓器接地電阻和故障線(xiàn)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(dòng)作電流一次值為0.21×400=84 A，動(dòng)作時(shí)限0.6 s，312開(kāi)關(guān)零序動(dòng)作電流一次值為0.56×150=84 A，動(dòng)作時(shí)限0.3 s。兩者的一次定值是一樣的，發(fā)生接地故障后，線(xiàn)路零序保護(hù)應(yīng)該先動(dòng)作，從故障錄波文件查看，312線(xiàn)路的零序保護(hù)在完全發(fā)展為金屬性接地故障時(shí)達(dá)到了動(dòng)作定值，在故障發(fā)展為非金屬接地時(shí)未達(dá)到312線(xiàn)路零序電流保護(hù)定值，312線(xiàn)路零序保護(hù)返回，而接地變外接零序CT測(cè)得的零序電流一直達(dá)到零序保護(hù)動(dòng)作值。

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

開(kāi)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(cè)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(cè)得二次值3I0=0.727 A，一次值為0.727×400=290.8 A。

綜上判定，312開(kāi)關(guān)柜外接零序CT測(cè)得的零序電流不準(zhǔn)確。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(cuò)誤對(duì)保護(hù)的動(dòng)作行為沒(méi)有影響，但故障錄波測(cè)得電流值一次值是錯(cuò)誤的)；通過(guò)對(duì)312開(kāi)關(guān)柜外接零序CT電纜的金屬護(hù)層接地線(xiàn)檢查，發(fā)現(xiàn)接地線(xiàn)接錯(cuò)：未回穿零序CT后接地，如圖3所示。

圖3 312開(kāi)關(guān)外接零序CT錯(cuò)誤接線(xiàn)

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(xiàn)(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(méi)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(shí)相當(dāng)于小電阻接地系統(tǒng)。

當(dāng)發(fā)生接地短路故障時(shí)，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(xiàn)，再經(jīng)集電線(xiàn)路對(duì)地電容流回故障點(diǎn)；接地故障點(diǎn)電流亦經(jīng)故障線(xiàn)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(shí)三相電流平衡，金屬護(hù)層中幾乎沒(méi)有感應(yīng)電流流過(guò)；但當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生接地、斷線(xiàn)或斷線(xiàn)且接地復(fù)故障等故障時(shí)，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(xiàn)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(shí)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(cuò)誤，接地線(xiàn)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(huì)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(xiàn)路的零序保護(hù)裝置拒動(dòng)。而接地變壓器的外接零序電流互感器可以正確地測(cè)到該零序電流，使接地變和主變低壓側(cè)開(kāi)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(xiàn)錯(cuò)誤，GB 50168—2018《電纜線(xiàn)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(xiàn)未隨電纜芯線(xiàn)穿過(guò)互感器時(shí)，接地線(xiàn)應(yīng)直接接地；隨電纜芯線(xiàn)穿過(guò)互感器時(shí)，接地線(xiàn)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(xiàn)和接地故障發(fā)生時(shí)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(xiàn)在零序CT上方接法

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

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

圖5 金屬護(hù)層接地線(xiàn)在零序CT下方接法

2.3 母線(xiàn)PT三相保險(xiǎn)熔斷原因分析

單相接地故障發(fā)生時(shí)，35 kV系統(tǒng)在接地變壓器跳開(kāi)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(xiàn)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(lì)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(guò)電壓幅值可達(dá)到3倍以上的相電壓，在起始暫態(tài)中過(guò)電壓幅值會(huì)更高，從而導(dǎo)致了電壓互感器一次繞組保險(xiǎn)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(xiǎn)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(kāi)關(guān)進(jìn)線(xiàn)電纜金屬護(hù)層接地線(xiàn)接地方式錯(cuò)誤，線(xiàn)路零序保護(hù)采用的是外接零序電流互感器的電流值，線(xiàn)路發(fā)生接地故障時(shí)，外接零序電流互感器測(cè)得的零序電流值較真實(shí)值小，導(dǎo)致35 kV 312開(kāi)關(guān)零序保護(hù)拒動(dòng)，最終接地變壓器零序保護(hù)動(dòng)作越級(jí)跳開(kāi)主變低壓側(cè)301開(kāi)關(guān)。

3.2 建議

為避免此類(lèi)故障，應(yīng)當(dāng)做好以下工作。

(1) 對(duì)全站的零序電流互感器進(jìn)行排查，對(duì)電纜金屬護(hù)層接地線(xiàn)接地錯(cuò)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(duì)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(wú)論是鐵磁諧振還是低頻振蕩，在接地故障切除時(shí)，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(lì)磁特性較好的電壓互感器或電容式電壓互感器，改變母線(xiàn)對(duì)地電容值，破壞諧振條件。