李 毅 謝鐵兵 雷 陽 趙偉剛

新能源電站非直接接地系統(tǒng)電纜端部單相接地保護方法探討

李 毅1謝鐵兵2雷 陽3趙偉剛1

（1. 西安益通熱工技術服務有限責任公司，西安 710032； 2. 華能洛陽熱電有限責任公司，河南 洛陽 471000；3. 西安熱工研究院有限責任公司，西安 710032）

新能源電站6～35kV電壓等級非直接接地系統(tǒng)中，電纜終端或中間接頭受現(xiàn)場制作、安裝工藝影響故障多發(fā)，其中單相接地故障較為常見。為及時有效地切除電纜端部單相接地故障，本文提出電纜端部單相接地故障零序電流差動保護方法，分析不同接地方式差動特性，并對保護的配置、定值進行描述。該保護方法實現(xiàn)簡單，具有一定的實用價值。

非接地電力系統(tǒng)；電纜端部；單相接地故障；零序電流差動保護

0 引言

隨著近年來我國電纜制造行業(yè)技術進步，以及發(fā)輸配電網(wǎng)大量采用電力電纜，電力電纜本體絕緣制造缺陷、電纜及附件施工安裝質量缺陷和電纜附件制造質量缺陷導致電纜線路運行故障的比例雖然已有大幅減少，但仍占較大比重[1]。電纜終端是電纜線路中絕緣結構相對薄弱、容易發(fā)生運行故障的部分，電纜終端單相接地故障比例較高。

6～35kV電壓等級電網(wǎng)側、電源側的配電（廠用）系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)電容電流選擇小電阻接地、不接地、經(jīng)消弧線圈接地等非直接接地方式，發(fā)生單相接地故障時，目前采用零序過電流保護、選線等方式切除故障回路。

1 背景

GB/T 50064《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》規(guī)定了非有效接地的形式，包括不接地方式、小電阻接地方式、高電阻接地方式和諧振接地方式[2]，并對不同接地方式的適用場合做了規(guī)定。GB51096—2015《風力發(fā)電場設計規(guī)范》規(guī)定主變低壓側，當不需要單相接地故障條件下運行時，可采用電阻接地方式，并迅速切除故障[3]。GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》中規(guī)定站內(nèi)匯集系統(tǒng)宜采用經(jīng)消弧線圈接地或小電阻接地[4]。

目前，6～35kV電壓等級供配電系統(tǒng)采用電纜方式越來越多，電纜終端位于外接的零序電流互感器與饋線斷路器之間，電纜終端發(fā)生單相接地故障，饋線外接的零序電流互感器中通過的故障電流等于本饋線的充電電流[5-6]，現(xiàn)有以外接零序電流互感器接地故障電流為判據(jù)的電纜單相接地保護不動作。文獻[7]分析了不接地系統(tǒng)中零序保護誤動的原因和影響。本文提出將一側三相電流互感器的零序電流和另一側零序電流互感器零序電流構成零序電流差動保護，該保護方法靈敏、可靠，能夠切除故障回路，將停電范圍限制在故障電纜間隔，有益于保障供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

2 電纜端部單相接地時零序電流分布

不接地方式、電阻接地方式和諧振接地方式的單相接地零序電流分布分別如圖1、圖2和圖3所示。其中，支路1為故障線路，A相金屬性接地，支路2為非故障線路，1、2分別為支路1、支路2對地電容，T1為電源變壓器，T2為接地變壓器，B為電源變壓器對地電容，為消弧線圈，為接地阻抗。CT1為三相電流互感器，CT0為外接零序互感器。b1、c1為支路1電容電流，用圓圈加箭頭表示其方向；b2、c2為支路2電容電流，用三角加箭頭表示其方向；bB、cB為電源變壓器電容電流，用方框加箭頭表示其方向。圖2中z為接地阻抗電流。圖3中電流L為消弧線圈電流。

圖1 不接地方式單相接地零序電流分布

2.1 不接地系統(tǒng)零序電流分布

故障點的上游檢測點（三相電流互感器CT1）的零序電流為所有非故障支路、變壓器對地分布電容電流與該檢測點到母線間線路的電容電流之和，方向由故障點流向母線。三相電流互感器CT1處自產(chǎn)零序電流為

圖2 電阻接地方式單相接地零序電流分布

圖3 諧振接地方式單相接地零序電流分布

故障點下游檢測點（CT0）的零序電流為該檢測點到線路末端間線路的對地電容電流，方向由故障點流向線路末端，外接零序互感器CT0處零序電流為

2.2 電阻接地系統(tǒng)零序電流分布

電阻接地系統(tǒng)以接地變壓器接地為例。電阻接地系統(tǒng)在上游檢測點多了阻性電流，電流相位發(fā)生變化；下游檢測點與不接地系統(tǒng)零序電流幅值、方向相同。

電阻接地方式單相接地零序電流分布如圖2所示。三相電流互感器CT1處自產(chǎn)零序電流為

2.3 諧振接地系統(tǒng)零序電流分布

諧振接地系統(tǒng)上游檢測點增加了補償?shù)母行噪娏?，電流方向由故障點流向母線或電流方向由母線流向故障點，與電感補償程度有關。諧振接地方式單相接地零序電流分布如圖3所示。

諧振接地時，下游檢測點與不接地系統(tǒng)零序電流幅值、方向相同。

3 電纜端部單相接地時零序差動電流計算

3.1 不接地系統(tǒng)零序差動電流

圖4 不接地系統(tǒng)A相接地時電壓、電流關系

3.2 電阻接地系統(tǒng)零序差動電流

圖5 電阻接地系統(tǒng)A相接地時電壓、電流關系

3.3 諧振接地系統(tǒng)零序差動電流

諧振接地系統(tǒng)A相接地時電流關系如圖6所示，可知A相電纜端部單相接地電流差值等于系統(tǒng)正常運行時三相電容充電電流與補償電感電流矢量和。

4 電纜端部單相接地時零序差動電流分析

5 電纜終端單相接地故障保護改進

電纜終端是電纜線路中絕緣結構相對薄弱的部分，受現(xiàn)場制作、安裝工藝影響容易發(fā)生故障。目前，零序過電流保護及選線保護采用獨立零序電流互感器采集零序電流，電纜的終端頭位于零序電流互感器外側，不在本級接地保護范圍內(nèi)，也就是本級保護“死區(qū)”。若發(fā)生電纜終端單相接地故障，需要上一級后備保護動作，經(jīng)延時跳開上一級開關，造成停電范圍擴大。同時，故障切除時間延長，故障可能進一步發(fā)展，尤其是在出線倉這種較密閉的空間，易演變成相間故障。

圖7為一個典型的電纜終端單相接地故障發(fā)生后、事故擴大至兩相短路接地故障、最后發(fā)展到三相短路故障的故障錄波。1=0ms時，發(fā)生B相單相接地故障；2=29ms時刻，發(fā)生B、C兩相接地故障；3=66ms時刻，集電線路發(fā)生A、B、C三相短路故障；4=98ms時刻，斷路器跳閘。斷路器跳閘是單相接地故障擴大成兩相接地故障，2+9ms后線路保護出口的結果。

圖7 保護范圍及電纜端部故障錄波

若采用電纜終端單相接地故障零序差動保護，則對于圖7所描述的故障，差動保護可以在2時刻前，沒有發(fā)生兩相接地故障時出口，在3時刻前，沒有發(fā)生三相短路時斷路器跳開。

另外，在圖7描述的故障中，如果在2時刻單相接地故障不擴大成相間故障，保持單相接地狀態(tài)，由于電纜的終端頭位于零序電流互感器母線側，不在饋線接地保護范圍內(nèi)，等同于母線單相接地故障，饋線開關接地保護不動作，站內(nèi)接地變壓器的接地保護動作，故障線路所接母線的全部元件動作。此時，若采用電纜終端單相接地故障零序差動保護，通過上述第2、3節(jié)的分析可知，饋線三相電流互感器產(chǎn)生的零序電流和零序電流互感器的外接零序電流的幅值差是圖7中1～2時刻B相電流與集電線零序電流矢量和，約為2倍集電線零序電流，電纜終端單相接地故障零序差動保護可以跳開故障線路，其他饋線回路不受影響。

本文涉及電纜終端單相接地故障零序差動保護，保護范圍在電纜饋線三相電流互感器和零序電流互感器之間。保護范圍及電纜端部故障如圖8所示，圖8（a）為A相單相接地故障，圖8（b）為單相接地故障未及時切除，事故擴大至相間短路。

采用電纜終端單相接地故障零序差動保護，可根據(jù)零序差動保護中的動作時間，選擇瞬動、限時動作方式，快速切除電纜終端單相接地故障，保護可靠、靈敏、準確。

圖8 保護范圍及電纜端部故障

6 適用場合及保護范圍、定值分析

利用零序差動原理作為電纜終端單相接地故障保護，適用于不接地系統(tǒng)和電阻接地系統(tǒng)，包括含有電纜出線的火電廠高壓廠用系統(tǒng)、水電站高壓廠用系統(tǒng)、核電高壓廠用系統(tǒng)、光伏、新能源集電線系統(tǒng)、6～35kV供配電系統(tǒng)等，應用場景廣泛。

現(xiàn)有的不接地系統(tǒng)和電阻接地系統(tǒng)中，大部分電饋線都配置了三相電流互感器和零序電流互感器，零序差動電纜終端單相接地故障保護不需要改動和增加一、二次設備，可利用現(xiàn)有的電流互感器、二次回路實現(xiàn)。只改動保護裝置實現(xiàn)零序差動保護，投資小，改動工期小。

零序差動保護中的報警定值，按躲過三相電壓不平衡、三相對地電容不平衡、兩側電流互感器誤差產(chǎn)生的不平衡電流，躲過變壓器起動、電機起動產(chǎn)生的不平衡電流，可取(0.1～0.2)ch。差動保護中的動作定值，可取(0.4～0.6)ch，保證一定的靈敏 度[9-10]。

零序差動保護中的動作時間，可選瞬動、延時動作方式，與相鄰保護易于配合。

7 結論

通過對電網(wǎng)側、電源側的配電（廠用）非直接接地方式配電（廠用）系統(tǒng)的研究，結合不同接地方式下單相接地故障零序電流的特點，提出了利用零序差動原理作為電纜終端單相接地故障保護依據(jù)，切除故障回路，將停電范圍限制在故障電纜間隔，有益于保障供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。所提保護方法的應用范圍廣，保護準確度、靈敏度、可靠度高。

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Analysis and discussion on the protection method of single-phase grounding at the end of the cable of non-grounded power system

LI Yi1XIE Tiebing2LEI Yang3ZHAO Weigang1

(1. Xi’an Yitong Thermal Technology Service Co., Ltd, Xi’an 710032; 2. Hua’neng Luoyang Thermoelectric Co., Ltd, Luoyang, He’nan 471000; 3. Xi’an Thermal Power Research Institute, Xi’an 710032)

In the 6kV to 35kV voltage level non-grounded power system, the cable terminal or intermediate joint is frequently affected by the on-site manufacturing and installation process, and single-phase grounding fault is more common. In order to remove single-phase grounding faults timely and effectively, this paper proposes a zero sequence current differential protection method for cable end single-phase grounding fault, analyzes the differential characteristics of different grounding modes, and describes he configuration and setting of the protection. This protection method is simple to realize and has certain practical value.

non-grounded power system; end of the cable; single-phase grounding; zero sequence current differential protection

2022-08-30

2022-10-28

李 毅（1971—），男，陜西省西安市人，本科，從事發(fā)電廠電氣啟動調(diào)試工作。