小電阻接地系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵點(diǎn)分析

張 偉，劉曉倩

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明650100）

引言

隨著35kV 及其以下電壓等級(jí)的低壓電力系統(tǒng)中性點(diǎn)改造為小電阻接地系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，對(duì)保護(hù)的配置要求也隨之改變，工程實(shí)際運(yùn)用中，保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)的情況時(shí)有發(fā)生，本文結(jié)合一起工程實(shí)例，分析了影響保護(hù)正確動(dòng)作的因素，總結(jié)了工程實(shí)際運(yùn)用中的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 準(zhǔn)備知識(shí)

電力系統(tǒng)中發(fā)生的短路故障以單相接地故障的概率最大，由電力系統(tǒng)不對(duì)稱短路故障分析可知，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)中存在零序電流，零序電流的大小取決于系統(tǒng)等效正序阻抗、負(fù)序阻抗和零序阻抗，零序電流的分布取決于系統(tǒng)中的零序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在分析小電阻接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，只需要確定系統(tǒng)的零序網(wǎng)絡(luò)，即能找出零序電流的分布規(guī)律。

2 小電阻接地系統(tǒng)單相接地時(shí)零序電流分布及保護(hù)配置

小電阻接地系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，需要對(duì)故障時(shí)的電氣量進(jìn)行分析，確定唯一的電氣量變化關(guān)系，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。

零序電流的分布取決于系統(tǒng)中是否有零序通路，在形成零序通路，站內(nèi)主變壓器10kV 側(cè)繞組為三角形接線，也不能形成零序通路，只有站內(nèi)接地變壓器，其高壓側(cè)繞組為星形接線，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地，低壓側(cè)繞組為三角形接線，當(dāng)接地變壓器高壓側(cè)施加三相零序電壓時(shí)，零序電流可以流通，所以接地變壓器作為唯一的零序電流通路。構(gòu)成零序電流保護(hù)。當(dāng)線路3 發(fā)生單相接地時(shí)，線路3 保護(hù)設(shè)備檢測(cè)到零序電流，判斷為該線路有接地故障，保護(hù)設(shè)備動(dòng)作切除故障線路，同時(shí)接地變壓器保護(hù)設(shè)備也檢測(cè)到零序電流，判斷為10kV 系統(tǒng)內(nèi)有接地故障，作為接地故障的后備保護(hù)，當(dāng)線路3 保護(hù)設(shè)備或斷路器拒動(dòng)時(shí)，經(jīng)延時(shí)動(dòng)作切除主變壓器。

圖1 單相接地時(shí)零序電流通路

3 工程實(shí)際運(yùn)用中的關(guān)鍵點(diǎn)分析

作者在工程實(shí)際中，以一起某變電站10kV 側(cè)小電阻接地系統(tǒng)一條10kV 出線發(fā)生單相接地故障，線路零序保護(hù)拒動(dòng)事件為例，分析故障時(shí)保護(hù)裝置拒動(dòng)的原因。

變電站的一次主接線與圖1 的結(jié)構(gòu)類似，某日10kV母線上其中一條10kV 線路發(fā)生A 相接地故障，該間隔線路保護(hù)零序保護(hù)拒動(dòng)，接地變零序保護(hù)延時(shí)動(dòng)作切除10kV 母線。線路保護(hù)及接地變保護(hù)采集的波形分別如下圖2、圖3 所示：

圖2 故障線路電流、電壓波形

圖3 接地變電流、電壓波形

圖2 中故障時(shí)，10kV 母線A 相電壓驟降，故障線路A 相電流較大，B、C 相電流相比可忽略不計(jì)。圖3 中故障時(shí)A 相電壓驟降，接地變A、B、C 三相電流波形相等（B相未安裝電流互感器），即接地變的三相電流僅有零序電流，正序、負(fù)序分量可忽略不計(jì)，考慮接地變壓器的負(fù)荷通常較小，即等效正序、負(fù)序阻抗很大，短路故障時(shí)可以忽略其影響，在系統(tǒng)接地故障時(shí)，接地變壓器作為唯一的零序電流通路，所以故障時(shí)接地變壓器的電流僅包含零序分量，即接地變壓器的三相電流應(yīng)幅值相等且相位相同。

利用波形分析軟件對(duì)波形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析如表1。

（1）故障線路的相電流為安裝在各相上的電流互感器取得，零序電流為安裝在電纜上的零序電流互感器取得，理論上三相電流的和與零序電流應(yīng)相等，但在表中三相電流的和為510 安，而零序電流僅為184 安，兩者并不相等。

表1 故障線路、接地變電流值

（2）根據(jù)本文第2 小節(jié)中分析，接地故障時(shí)，零序電流的通路僅有故障支路和接地變，接地變的零序電流與故障支路的零序電流應(yīng)相等，表中接地變的三相電流和為492 安，零序電流為504 安，故障線路的三相電流和為510 安，可以看出接地變的零序電流與故障支路的零序電流相等，誤差可忽略不計(jì)。

綜上分析，接地故障時(shí)，故障線路的零序電流僅為184 安，明顯小于實(shí)際線路上的零序電流值，而線路零序電流保護(hù)定值為200 安，所以故障線路的零序電流保護(hù)拒動(dòng)；接地變的零序電流為504 安，零序電流保護(hù)定值為240 安，所以接地變的零序電流保護(hù)動(dòng)作。

進(jìn)一步分析故障線路零序電流偏小的原因，現(xiàn)場(chǎng)檢查了故障線路零序電流互感器的安裝及二次接線情況，二次接線正確，變比使用正確，零序電流互感器的安裝如下圖4 所示：

圖4 零序電流互感器的安裝

查閱相關(guān)資料，用于電力電纜的零序電流互感器及電纜屏蔽層接地線的安裝如圖5 所示。對(duì)照分析發(fā)現(xiàn)故障線路的零序電流互感器及電纜屏蔽層接地線安裝存在兩個(gè)問題：

（1）電纜屏蔽層接地線為金屬導(dǎo)體，未進(jìn)行絕緣包裹，金屬部位裸露在外，與站內(nèi)槽鋼等構(gòu)架觸碰。

（2）電纜屏蔽層接地線需要穿過零序電流互感器，但故障間隔的電纜屏蔽層接地線穿過零序電流互感器的方向與圖5 中不符，圖5 中接地線從上至下穿過零序電流互感器接地，而故障間隔的接地線從下至上穿過零序電流互感器接地。

電力電纜的屏蔽層為包裹在各相芯線外的金屬導(dǎo)體，屏蔽層要求在電纜兩端接地。圖5 中要求的電纜屏蔽層接地線需要穿過零序電流互感器，目的是當(dāng)屏蔽層上流過感應(yīng)電流時(shí)，如圖6 所示，屏蔽層上的感應(yīng)電流雖然經(jīng)過了零序電流互感器，但是感應(yīng)電流通過接地線，又經(jīng)過了零序電流互感器，并且與屏蔽層的電流方向相反，這樣對(duì)于零序電流互感器而言，感應(yīng)電流被抵消，零序電流互感器上采集的電流仍然是線路的零序電流。

圖5 零序電流互感器及屏蔽層接地線安裝示意圖

圖6 屏蔽層感應(yīng)電流走向示意圖

綜上分析，問題：（1）電纜屏蔽層無絕緣包裹措施，與站內(nèi)槽鋼等構(gòu)架觸碰，而槽鋼本身是接地的，導(dǎo)致屏蔽層中的感應(yīng)電流提前從槽鋼處進(jìn)入地網(wǎng)，感應(yīng)電流未完全經(jīng)過零序電流互感器，不能形成完全抵消，零序電流互感器采集的電流中包含有屏蔽層電流未完全抵消的部分問題。（2）電纜屏蔽層接地線從下至上穿過零序電流互感器接地，感應(yīng)電流不僅不能抵消，反而是兩倍的關(guān)系，零序電流互感器采集的電流中包含兩倍的屏蔽層電流。以上兩種情況均有可能造成零序電流互感器采集的電流受到屏蔽層中感應(yīng)電流的影響，而感應(yīng)電流的分布是無規(guī)律的，可能造成零序電流互感器采集的電流變大或變小，使得零序保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

該例子中，可以看出故障線路的零序電流僅為184安，明顯小于實(shí)際線路上的零序電流，而線路零序電流保護(hù)定值為200 安，所以故障線路的零序電流保護(hù)拒動(dòng)。

4 規(guī)律總結(jié)

本文著重分析了小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電流的分布，并結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行了驗(yàn)證，總結(jié)規(guī)律如下：（1）小電阻接地系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序電流的分布僅存在于故障支路和接地變壓器，利用故障支路和接地變壓器的零序電流，構(gòu)成單相接地故障時(shí)的零序電流保護(hù)，保護(hù)原理簡(jiǎn)單，滿足保護(hù)選擇性的要求。（2）小電阻接地系統(tǒng)改造施工過程中，應(yīng)特別關(guān)注電力電纜屏蔽層接地線的施工工藝。首先，屏蔽層接地線為金屬導(dǎo)體，需要進(jìn)行絕緣包裹處理，防止金屬部位裸露在外與站內(nèi)槽鋼等構(gòu)架觸碰，造成提前接地；其次，電纜屏蔽層接地線需要穿過零序電流互感器，接地線應(yīng)從上至下穿過零序電流互感器接地，抵消屏蔽層上的感應(yīng)電流影響，保證零序電流互感器上采集的電流仍然是線路的零序電流。

本文分析得出的規(guī)律，不僅能夠幫助讀者對(duì)小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的零序電流分布有了解，也總結(jié)了電力電纜屏蔽層接地線的施工工藝，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用提供了幫助。