小電流接地系統(tǒng)異名相接地故障分析及跳閘策略研究

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(江蘇省電力有限公司檢修分公司無錫分部，江蘇 無錫 214000)

0 引 言

在中國3～66 kV城市配電網(wǎng)絡中大量采用電纜供電方式的小電流接地系統(tǒng)[1-3]。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障時，故障相電壓降低，非故障相電壓升高為線電壓且相間電壓保持不變，不影響系統(tǒng)正常供電。非故障相電壓升高對線纜絕緣產(chǎn)生破壞，時常會造成新的接地點，形成不同線路異名相兩點接地故障。此時，快速準確切除兩條故障線路，防止絕緣擊穿事件擴大化成為關鍵。

針對中性點非有效接地系統(tǒng)的故障選線，國內外學者開展了大量研究[4-7]。選線方法集中針對故障的第一階段，即未發(fā)生絕緣擊穿導致異名相兩點接地故障，長期保持在一點接地的情況。實際上，隨著電纜運行年限增加，線纜的絕緣強度逐步下降。同時，單相接地故障時伴隨的電弧現(xiàn)象，可能使非故障線路的最高暫態(tài)電壓達到相電壓的3～3.5倍左右，容易發(fā)生非故障相絕緣擊穿或絕緣子閃絡。因此，單相接地故障時常伴隨有其他線路絕緣擊穿，形成兩點接地故障[8]。文獻[9]僅從供電可靠性角度出發(fā)，不考慮異名相故障電流差異，以過電流保護為跳閘判據(jù)，通過改變動作時間，實現(xiàn)有選擇性跳閘。文獻[10]同樣未考慮消弧線圈接地系統(tǒng)異名接地故障相電流的差異，并且僅從供電可靠性的角度考慮，提出了一種選擇性切除故障線路的新方案。實際運行時，中性點不接地系統(tǒng)中，兩點接地異名相故障電流始終相等，相當于線路異名相相間短路[11]；中性點經(jīng)過消弧線圈接地系統(tǒng)中，由于中性點消弧線圈補償電流的影響，且異名相電動勢的相角差異，異名相故障電流始終不相等。

同一線路不同相別絕緣老化程度基本相同，單相故障引發(fā)其他線路異名相絕緣擊穿時，該線路正常相絕緣基本也在破壞邊緣。此時，應快速切除故障線路，如僅切一條繼續(xù)維持單點接地狀態(tài)，極有可能引發(fā)三相擊穿或CT靠主變壓器側絕緣擊穿，造成故障范圍擴大。因此，從設備絕緣耐受的角度考慮，應快速切除兩條故障線路。

考慮到這種差異，這里首先建立了消弧線圈接地電網(wǎng)不同線路異名相兩點接地故障的數(shù)學分析模型，基于電路疊加原理，給出了不同故障線路故障相電流及電流差值的解析式。同時以過電流模塊為啟動元件，以接地距離模塊為選相元件，實現(xiàn)異名相兩點接地故障快速切除。

1 中性點非有效接地系統(tǒng)及故障分析

1.1 系統(tǒng)單一接地故障情況

系統(tǒng)中廣泛應用的中性點非有效接地系統(tǒng)分為兩類：中性點不接地系統(tǒng)、中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。如圖1所示，當1G斷開時，圖示為中性點不接地系統(tǒng)，線路L1發(fā)生B相接地故障時，故障點故障電流為系統(tǒng)電容電流之和，圖1中實心箭頭表征此時的故障電流流向；當1G閉合時，圖示為中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，圖中空心箭頭電流為消弧線圈提供的感性注入電流，該電流與系統(tǒng)電容電電流共同構成了新的故障電流。

1.2 系統(tǒng)異名相異地兩點接地故障情況

如圖2所示，L1線B相單相接地運行過程中，非故障相A相與C相電壓升高為線電壓，實際運行過程中，存在A相與C相絕緣降低而擊穿接地可能。以L2線C相絕緣降低而擊穿情況分析，此時系統(tǒng)存在L1線B相與L2線C相兩個接地點，因此，中性點消弧線圈提供的感性注入電流會在兩個接地點分流，并通過兩條線路共同掛載母線構成故障電流流通路徑(如圖2空心箭頭所示)。

圖1 中性點非有效接地系統(tǒng)及單相接地電流流向

圖2 不同線路異名相兩點接地故障

以上分析可見，中性點不接地時，僅僅用過電流保護即可同時切除兩條故障線路。中性點經(jīng)消弧線圈接地時，由于中性點向共同的接地點注入了電感電流，這對于其中一條故障線為助增電流，對于另一條故障線為汲出電流，僅用過電流保護只能切除起著助增作用的那條故障線。因此，建立中性點消弧線圈接地系統(tǒng)異名相兩點接地故障數(shù)學模型，求解并分析故障相電流及其差別，是進一步提出合理保護配置方案的重要基礎。

2 異地非同名相兩點接地故障量化分析數(shù)學模型(經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng))

2.1 異地非同名相兩點接地量化分析數(shù)學模型

圖3 雙線不同相別同時單點接地故障

根據(jù)圖3中不同電氣量之間的關系，可列以下4個求解方程式：

(1)

2.2 線性電路疊加求解

將圖3故障電路圖等效為圖4，將式(1)求解方程轉化為對兩個單電源回路故障電流求解，即以系統(tǒng)僅有B相或C相單一電源求解故障電流。

圖4 故障系統(tǒng)等效圖

假定ZB=ZM1+(1+K)Z1l1，ZC=ZM1+(1+K)Z1l2，則方程求解如下：

(2)

(3)

ZC、ZB表示線路阻抗，一般其復數(shù)角度為70°～80°，由于ZB旋轉了240°，ZC與ZBej240°必然存在相量角度差，兩者的矢量差也必然不為0。可見，兩故障相故障電流必然存在差異，表征為一者因助增而增大，一者因汲出而減小。現(xiàn)有的35 kV及以下中壓配電網(wǎng)均只裝設過電流保護，此時，如果均以電流閾值為動作標準，必然會導致增強作用的故障線更容易動作，而減小作用的故障線極大可能會不動作。因此，必須尋找到一種保護配置方案，可以可靠切除故障電流被減小的線路。

3 故障雙線跳閘方案

3.1 保護安裝處電壓電流關系

對于線路來說，相當于發(fā)生了單相接地短路。接地點為零電位點，保護安裝處母線電壓滿足式(4)：

(4)

因此，可以直接用線路保護中成熟的接地距離保護模塊來選擇故障線路。

3.2 保護配置方案

國家電網(wǎng)公司現(xiàn)有35 kV及以下供電線路，基本配置國電南自的PSL641系列或南瑞繼保的RCS9611系列保護，這些保護均只有電流判別模塊，無法選出異名相接地時故障電流較小的故障線路。同時考慮到成本優(yōu)化，采用集中分析選擇故障線路的方式比較合理。

為此，提出按母線單位配置選線裝置的方式。母線電壓直接通過屏頂小母線采集，各個間隔電流通過以太網(wǎng)絡從總控交換機采集，選線配置CPU1過電流模塊與CPU2接地距離模塊。CPU1以原有間隔的過電流一段定值為判據(jù)，當某一間隔電流突破定值，跳開故障線路一，并啟動CPU2接地距離模塊。CPU2以CPU1動作時刻所有間隔的采樣數(shù)據(jù)為分析數(shù)據(jù)，通過接地距離選相元件，選出故障線路并出口跳開故障線路二。

4 仿真實例

江蘇某地區(qū)電網(wǎng)累計發(fā)生多起不同線路異名相兩點接地故障。以其中一起故障的實際故障錄波數(shù)據(jù)來仿真分析。變電站保護配置及接線見圖1。

圖5 變電站保護配置及接線

故障過程：初期Ⅰ線A相接地故障，此時可運行2 h。由于B、C相電壓的升高，Ⅱ線絕緣水平下降，發(fā)生C相接地故障。此時發(fā)生不同線路異名相兩點接地故障，第1次只有Ⅰ線保護動作跳閘。此過程結束后，系統(tǒng)又轉化為Ⅱ線的C相單相接地狀態(tài)，故障電流驟減。1 min后，Ⅱ線的B相被擊穿造成Ⅱ線BC相間故障(兩相接地故障)引發(fā)Ⅱ線開關保護跳閘。

保護動作情況：

第1次故障，05：14時，35 kVⅠ、Ⅱ兩線異名相故障。Ⅰ開關保護動作跳閘，但Ⅱ開關保護僅啟動未動作跳閘；

第2次故障，05：15時，35 kVⅡ線相間故障，保護動作跳閘。

故障錄波記錄圖見圖6至圖8。

從圖6、圖7分析，05：14時，Ⅰ線與Ⅱ線開關動作行為正確(前者保護動作跳開開關、后者未動作)，具體計算分析如下：

Ⅰ線過電流Ⅰ段設定動作值為2352 A，動作時間0 s。Ⅰ線故障波形中A相故障電流計算為40×120/1.414=3400 A，大于保護過流Ⅰ段設定動作值，符合保護動作邏輯。

圖6 Ⅰ線的故障波形

圖7 Ⅱ線的故障波形

圖8 Ⅱ線的再次故障波形

Ⅱ線過電流Ⅰ段設定動作值為2880 A，動作時間0 s。Ⅱ線故障波形中C相故障電流計算為32×120/1.414=2710 A，小于保護過流Ⅰ段設定動作值，符合保護不動作邏輯。

結合圖6、圖7的波形中兩條線路電流和同一時間的母線電壓看：Ⅰ線A相接地，引起35 kV系統(tǒng)兩非故障相電壓升高，結果導致Ⅱ線C相因電壓升高而引起電纜絕緣水平降低，長時間運行后惡化為接地故障，此時35 kV系統(tǒng)存在A相與C相兩個接地點，形成兩點接地故障情況。兩點接地故障會在Ⅰ線與Ⅱ線的A相與C相中產(chǎn)生較大的故障電流，但由于實際故障電流的差異造成Ⅰ線保護能正確跳閘、Ⅱ線保護啟動而無法跳閘。

圖8顯示Ⅱ線C相由于達不到保護動作電流而長期接地，同樣非故障相電壓會升高為線電壓，Ⅱ線B相由于長時間承受高電壓而擊穿接地。從圖8故障電流可見，Ⅱ線B相擊穿后在本線形成BC相間故障，同一條線路故障電流會極劇增加而動作切除故障，但第1次故障的情況則不同。

本次故障如果在故障的第1階段就切除兩條故障線路，就不會導致第2階段的絕緣擊穿事件。同時二次絕緣擊穿僅僅發(fā)生在一次擊穿事件后1 min，說明設備絕緣水平在一次擊穿時已到擊穿邊緣，一次擊穿時就應快速切除兩條故障線路。幸好Ⅱ線的絕緣擊穿點在CT內側，第2次故障僅造成一次設備電纜成本的損失。實際由于二次絕緣擊穿點隨機，該電網(wǎng)亦發(fā)生過在開關觸點的絕緣擊穿(CT外側)，造成主變壓器低后備保護動作，跳開35 kV低壓側母線，所有用戶負荷均被甩掉，經(jīng)濟損失及社會影響巨大。

異名相兩點接地時，正常均靠原有過電流保護裝置就可動作切除。但本次由于消弧線圈的不均橫補償作用，出現(xiàn)線路Ⅱ線故障電流偏小，導致線路未被切除的情況。為此，采用所提出的保護配置方案，以大故障電流線路的電流判據(jù)為啟動量，進一步采用接地距離保護模塊選出小故障電流線路，在故障第1階段準確切除兩條故障線路，證明了所提方法的正確性及有效性。

5 結 語

消弧線圈接地系統(tǒng)不同線路異名相兩點接地時，兩條故障線路電流存在差異。研究表明，這種差異會導致兩條線路不同時動作，由于單一故障的切除使系統(tǒng)轉換為單相接地故障狀態(tài)，而一次設備處于絕緣破壞邊界，重復的單相接地故障過電壓極易導致一次設備損壞及故障范圍擴大。

建立了異名相接地故障一般數(shù)學模型，并結合電路疊加原理，求得兩條故障線路故障電流及其差值解析式。從理論上說明了故障電流差異產(chǎn)生原因，并以此為依據(jù)，提出了針對異名相兩點接地故障的保護配置方案。實際電網(wǎng)故障錄波分析證明了理論分析的正確性。如何設計出通用算法及裝置，并在實際配電網(wǎng)中逐步推廣應用是值得深入研究的問題。