城市電網35 kV系統單相接地故障分析

金 英

(上海電力公司市區供電公司，上海 200080)

在城市電網220 kV及110 kV變電站中，35 kV接地方式主要采用接地變經小電阻接地，35 kV接地變有兩種接入方式，即接地變接在35 kV母線上和接地變接在主變35 kV側。在一些老廠站中，還采用接地變接在35 kV母線上，該方式的特點是主變回路與接地變回路完全獨立，接地變要占用一個倉位，接地變開關跳閘聯跳同母線主變35 kV開關 (主變35 kV開關跳閘不聯跳接地變開關)。近幾年新建廠站中，多采用接地變接在主變35 kV側的方式，該方式的特點是主變與接地變必須一一對應運行，二者必須作為一個整體考慮，不能分別停役檢修，但接地變不占用倉位。兩種接入方式的接地變位置不同，相應的零流保護配置也不同，因此，利用對稱分量法，按照故障點位置的不同，對零流保護的配置及動作情況進行分析。

1 對稱分量法分析單相接地故障

對稱分量法是分析不對稱故障的常用方法，根據對稱分量法，一組不對稱的三相量可分解成正序、負序和零序三組對稱的三相量，選A相為基準相進行不對稱短路分析時，各序網絡故障點的電壓、電流方程式為

Xf1、Xf2、Xf0——分別為正序、負序和零序網絡中短路點的輸入阻抗;

當發生A相單相接地時，忽略負荷電流，接地點A相電壓為0，B、C兩相故障電流為0，即用對稱分量表示為即接地點相故障電流，整理可得

由此可知，對于經小電阻接地系統，當發生單相接地故障時，在忽略負荷電流的情況下，接地點故障相流過3倍的零序電流，而非故障兩相流過的電流為0，同時接地電阻上也流過3倍的零序電流。

單相接地點零序電壓最高，距離接地點越遠，節點的零序電壓越低，因此，選取接地點至電源方向為零序電流正方向。

2 接地變接在35 kV母線上

2.1 35 kV出線發生單相接地故障 (A相)

35 kV出線發生單相接地時 (K點A相單相接地)，故障電流的流通路徑如圖1所示。

圖1 35 kV出線單相接地時故障電流流通路徑

各處電流互感器流過的零序電流:出線回路(a處電流互感器)接地點故障相A相流過的故障電流為，B、C兩相無故障電流流過，因此，a處電流互感器流過零序電流為主變35 kV回路 (b處)A相故障電流為C相故障電流均為，且與A相方向相反，因此，b處電流互感器流過零序電流為接地變35 kV回路 (c處)A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小同圖1中母線上流過的零序電流，因此，c處電流互感器流過零序電流為接地變中性點回路 (d處)流過零序電流為

2.2 35 kV母線發生單相接地故障

35 kV母線發生單相接地時，故障電流流通路徑如圖2所示。

圖2 35 kV母線單相接地時故障電流流通路徑

各處電流互感器流過的零序電流:a處無零序電流;b處A相故障電流為均為且與A相方向相反，因此，b處電流互感器流過的零序電流為，B、C相故障電流c處 A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小同圖2中母線流過的零序電流，因此，c處電流互感器流過零序電流為d處流過零序電流為

2.3 主變35 kV側發生單相接地故障

主變35 kV側 (主變35 kV引出線與主變35 kV電流互感器之間)發生單相接地時，故障電流的流通路徑如圖3所示。

各處電流互感器流過的零序電流:a處無零序電流;b處A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小如圖3所示，因此，b處電流互感器流過的零序電流為c處A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小同圖3中母線流過的零序電流，因此，c處電流互感器流過零序電流為d處流過的零序電流為

圖3 主變35 kV側單相接地時故障電流流通路徑

由此可見，a處電流互感器在35 kV出線單相接地故障時有零序電流流過，b處電流互感器在主變35 kV引出線與主變35 kV電流互感器之間單相接地故障時有零序電流流過，c處電流互感器在三處單相接地故障時都有零序電流流過，d處電流互感器處于接地點位置，發生35 kV系統單相接地故障時會流過零序電流。

對于35 kV母線單相接地故障，裝設2套接地變零序電流保護 (零流保護2為零流保護1的近后備)，零序電流取自d處電流互感器。兩套保護動作均跳接地變開關，并聯跳主變35 kV開關。該保護為35 kV母線單相接地的主保護，也是35 kV出線單相接地的后備保護。

對于35 kV出線單相接地故障，裝設2套出線零流保護 (零流保護2為零流保護1的近后備)，零序電流取自a處電流互感器。保護動作跳35 kV出線開關。同時接地變零流保護也是35 kV出線單相接地的后備保護，當35 kV出線單相接地時，出線零流保護先動作 (動作時間短)，跳出線開關。若保護或出線開關拒動，接地變零流保護動作，跳接地變開關，聯跳主變35 kV開關，切除故障，但擴大停電范圍。

對于主變35 kV側 (主變35 kV引出線與主變35 kV電流互感器之間)發生單相接地故障，若僅僅依靠接地變零流保護動作，接地變及主變35 kV開關跳閘后故障未被切除，而且系統接地點消失(接地變跳閘)，系統變成不接地系統，不構成零序電流回路，非故障相對地電壓升高，容易造成絕緣損壞，從而發展成為進一步故障。因此，需裝設主變35 kV零流保護，零序電流取自b處電流互感器。保護動作跳主變各側開關 (不聯跳接地變開關)，且其保護動作時間快于接地變零流保護動作時間，避免接地變零流保護先動作使系統接地點消失。若主變35 kV零流保護拒動，則接地變零流保護動作，會發展成為進一步故障。

若接地變本體發生單相接地，只有d處電流互感器流過零序電流，靠接地變零流保護動作，跳接地變及主變35 kV開關，切除故障。

極端情況，若單相接地故障發生在主變35 kV電流互感器與主變35 kV開關之間，故障電流流通路徑與故障發生在35 kV母線相同，此時接地變零流保護動作，跳接地變及主變35 kV開關，但故障未被切除，會發展成為進一步故障。

不將c處電流互感器零序電流引入零流保護的原因是，除接地變本體單相接地故障外，c、d兩處電流互感器均流過零序電流，為避免保護重復安裝及保護接地變本地單相接地，因此，只將d處電流互感器零序電流引入零流保護。

主變35 kV零流保護整定原則:保證保護范圍內單相接地故障有足夠的靈敏度;時間定值必須與下級零流保護的時間定值配合，且比接地變零流保護時間定值小Δt(一般為0.3～0.5 s)，為躲過相間故障時不平衡電流，還需要比主變35 kV過流保護時間定值大Δt。

接地變零流保護整定原則:零流保護1電流定值整定原則為保證保護范圍內單相接地故障有足夠的靈敏度，且與下級零流保護最后一階段定值配合。零流保護2電流定值整定可參照零流保護1的整定原則，同時為保證高阻接地時的靈敏度，其電流定值要小于零流保護1的電流定值;零流保護1的時間定值必須與母線上除接地變以外所有設備 (包括主變)零流保護最后一階段中最長時間定值配合。由于零流保護1、2動作所跳開關相同，無需時間級差配合，因此，零流保護1、2的時間定值相同。

3 接地變接在主變35 kV側

3.1 35 kV出線發生單相接地故障

35 kV出線發生單相接地時，故障電流流通路徑如圖4所示。

各處電流互感器流過的零序電流:a處接地點故障相A相流過的故障電流為，B、C兩相無故障電流流過，因此，a處電流互感器流過零序電流為b處A相流過的故障電流為，B、C兩相無故障電流流過，所以b處電流互感器流過的零序電流為c處A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小如圖4所示，因此，c處電流互感器流過的零序電流為d處流過的零序電流為

圖4 35 kV出線單相接地時故障電流流通路徑

3.2 35 kV母線發生單相接地故障

35 kV母線發生單相接地時，故障電流流通路徑如圖5所示。

圖5 35 kV母線單相接地時故障電流流通路徑

各處電流互感器流過的零序電流:a處無零序電流;b處A相流過的故障電流為，B、C 兩相無故障電流流過，因此，b處電流互感器流過的零序電流為c處A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小如圖5所示，因此，c處電流互感器流過的零序電流為d處流過的零序電流為

3.3 主變35 kV側或接地變35 kV側發生單相接地故障

主變35 kV側 (主變35 kV引出線與主變35 kV電流互感器之間)或接地變35 kV側發生單相接地時，故障電流流通路徑如圖6所示。

圖6 主變35 kV側單相接地時故障電流流通路徑

各處電流互感器流過的零序電流:a處無零序電流;b處無零序電流;c處A、B、C三相均流過故障電流，且方向相同，大小如圖6所示，因此，c處電流互感器流過的零序電流為d處流過零序電流為

通過分析可以看出，a處電流互感器在35 kV出線單相接地故障時有零序電流流過，b處電流互感器在主變35 kV側或接地變35 kV側單相接地故障時沒有零序電流流過，c處電流互感器在三處單相接地故障時都有零序電流流過，d處電流互感器處于接地點位置，發生35 kV系統單相接地故障時都會流過零序電流。

35 kV出線單相接地故障，裝設2套出線零流保護 (零流保護2為零流保護1的近后備)，零序電流取自a處電流互感器，保護動作跳35 kV出線開關。

35 kV母線單相接地故障，需要跳開主變35 kV開關切除故障。主變35 kV側或接地變35 kV側發生單相接地故障，需要跳開主變各側開關切除故障。保護這兩處單相故障，只需裝設2套接地變零流保護，即接地變零流保護1、2，零序電流取自d處電流互感器。接地變零流保護1動作跳主變35 kV開關，接地變零流保護2動作跳主變各側開關，零流保護1動作時間比零流保護2短。接地變零流保護1是35 kV母線單相接地的主保護，跳主變35 kV開關，同時又是35 kV出線單相接地的后備保護。主變35 kV側或接地變35 kV側單相接地時，接地變零流保護1先動作，跳主變35 kV開關，此時故障未被隔離，接地變零流保護2再動作，跳主變各側開關，切除故障。接地變零流保護2也是接地變零流保護1的后備保護，若35 kV母線單相接地，接地變零流保護1或主變35 kV開關拒動，則接地變零流保護2動作，跳主變各側開關，切除故障，但擴大了停電范圍。

如果接地變本體發生單相接地，只有d處電流互感器流過零序電流，靠接地變零流保護1、2先后動作，跳主變35 kV各側開關，切除故障。

如果單相接地故障發生在主變35 kV電流互感器與主變35 kV開關之間，仍靠接地變零流保護1、2先后動作，跳主變35 kV各側開關，切除故障。

35 kV出線零流保護和接地變零流保護1、2可切除整個35 kV系統單相接地故障，因此，b、c處電流互感器的零序電流不需引入零流保護，以免保護重復。

接地變零流保護整定原則:保證保護范圍內單相接地故障有足夠的靈敏度，且與下級零流保護最后一階段定值配合;零流保護1的時間定值必須與母線上除接地變外所有設備零流保護最后一階段中最長時間定值配合，零流保護2的時間定值比零流保護1時間定值大Δt。

還有一種35 kV系統接線方式，即1臺主變分送兩段母線的方式 (變電站通常采用三主變六分段或兩主變四分段接線方式)，接線方式如圖7所示。

圖7 1臺主變送兩段母線接線方式

為滿足繼電保護動作的選擇性，需要哪段母線故障跳哪段母線主變開關 (如圖7中35 kV一段母線單相接地，只需跳主變35 kV一段開關)，因此，需要裝設主變35 kV零流保護Ⅰ段、零流保護Ⅱ段保護，零序電流分別取自Ⅰ、Ⅱ處電流互感器，作為35 kV一段、二段母線單相接地的主保護，保護動作時間比接地變零流保護1小Δt，確保其先動作，滿足選擇性。若主變35 kV零流保護Ⅰ段 (或Ⅱ段)保護拒動，則靠接地變零流保護1動作同時跳主變35 kV 2個開關，切除故障，但擴大了停電范圍。

可以看出，接地變接在主變35 kV側，無論單相接地故障發生在何處，都不會因失去接地點而發展成為進一步故障，因此，目前新投運的變電站廣泛采用該接線方式。

4 事故分析

220 kV TB變電站接線圖 (1號主變檢修方式)如圖8所示，接地變接在35 kV母線上。

事故前運行方式:1號主變停役檢修，35 kV 1號接地變正一段母線熱備用狀態 (無工作)，2號主變送35 kV副母線，3號主變送35 kV正一、正二段母線 (35 kV正母分段合上)，35 kV 2號母聯用雙切。

圖8 TB站在1號主變檢修方式下的主接線

事故發生時35 kV母差保護動作，35 kV 2號接地變零流保護1動作、2號主變35 kV開關跳閘、35 kV 2號接地變開關跳閘、35 kV副母線失電。

根據保護動作情況作初步判斷，35 kV母差保護動作，說明35 kV副母線回路設備有故障。35 kV 2號接地變零流保護1動作，2號主變零流保護未動作、高壓開關未跳閘，說明2號主變無故障。經站內檢查，發現35 kV 2號接地變開關電流互感器側有明顯故障，其他設備無異常。

事故處理:隔離故障的35 kV 2號接地變，停用35 kV 2號母聯自切。故障后變電站內只有1臺主變供電，不滿足“N－1”原則，因此將無故障的2號主變送出，帶35 kV 1號接地變運行。首先將35 kV副母線上所有出線開關均拉開，將35 kV 1號接地變冷倒至副母運行，2號主變充35 kV副母線，正常后將35 kV副母線出線逐一送出。由于2號主變帶35 kV 1號接地變運行為不對應運行方式，因此，需繼電保護做相應調整，并安排人員站內值班。

根據零流保護及其他保護動作情況，調度員迅速判斷故障范圍，找出故障設備并隔離后，將正常設備送出，恢復對用戶的供電。

5 結束語

35 kV小電阻接地系統發生單相接地故障時，由于構成零序電流流通回路，單相接地故障電流很大，為不對設備造成損壞，需要快速切除故障，因此，零流保護對變壓器中性點直接接地系統 (包括經小電阻接地)十分重要。通過對兩種接地變接入方式零序保護配置的介紹，詳細分析了35 kV系統各處單相接地故障時零流保護動作情況及各級零流保護相互配合關系。這些分析有利于幫助調度員及時正確處理電網中35 kV系統單相接地故障，根據零流保護動作情況迅速判斷故障點，并加以隔離，快速恢復送電。

［1］ 何仰贊，溫增銀．電力系統分析 (第三版) ［M］．武漢:華中科技大學出版社，2002．

［2］ 國家電力調度通信中心．電力系統繼電保護實用技術問答［M］．北京:中國電力出版社，2000．

［3］ 王海波，王宏偉，崔海文．電力系統繼電保護［M］．北京:中國電力出版社，2010．

［4］ 國家電力調度通信中心．電網調度運行實用技術問答 (第二版)［M］．北京:中國電力出版社，2008．