風電場35 kV集電線路零序電流保護拒動分析

李占龍

(中國三峽新能源(集團)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生的，零序功率方向與正序功率方向相反，是由線路流向母線。

零序電流可通過零序電流過濾器來獲取，是將三相互感器同極性并聯，流入繼電器的電流為三相電流之和，正好相當于3倍的零序電流，此種方法因為三相電流互感器的勵磁特性不同，二次回路負載阻抗不均衡導致獲取的零序電流受不平衡電流影響較大。

對于純電力電纜線路或由電纜引出的架空線路，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點是不會因互感器勵磁特性或者二次負載阻抗的大小對測得的零序電流產生影響。

但是，如果電力電纜金屬護層接地線安裝方式出現錯誤，在電纜出現對地故障時，將會導致零序電流保護拒動，致使事態擴大。

1 故障簡述

1.1 風電場主接線

某風電場風力發電機組總裝機容量150 MW，通過一臺150 MW主變壓器將電壓升至220 kV送出，35 kV集電線路6條，靜態無功電容器2臺，動態無功裝置SVG 2臺，接地變壓器通過小電阻接地方式運行。

1.2 跳閘前運行工況

跳閘前，該220 kV 5號母線運行正常，1號主變運行正常，發生故障的312線路帶10臺風電機組處于滿發狀態，所帶負荷約25 MW。

1.3 故障工況

2021-11-21T10：51：06：857，312開關保護裝置整組啟動后返回。

10：51：06：865，接地變整組啟動，604 ms后，零序電流I段一時限動作跳開831接地變，隨后跳開1號主變低壓側301開關。現場進一步檢查發現，312開關所帶的集電線路56號鐵塔B相跌落保險燒毀，35 kV 5號母線PT三相一次保險均燒毀。

2 事故原因分析

2.1 保護定值及動作情況

35 kV 5號母線接地變和312集電線路的零序保護定值見表1。

表1 5號母線接地變和312集電線路的零序保護定值

根據故障錄波和故障報文分析可知，312集電線路是帶10臺2.5 MW風機滿負荷運行，18號風機B相跌落保險燒斷，因該跌落保險后帶3臺2.5 MW風機滿負荷運行，B相跌落保險熔斷后3臺風機持續缺相運行，故與A， C相負荷電流相差約0.12 kA。B相跌落熔絲熔斷后保險并未從鐵塔上掉落而是隨著大風搖擺，在經過894.5 ms后B相熔斷保險對鐵塔發生弧光接地，再由弧光接地發展為金屬性接地故障，金屬性接地持續120 ms后轉變為非金屬接地。接地故障發生656.5 ms后，831接地變零序電流I段動作831開關跳閘，經

21.8 ms后1號主變低壓側301開關跳開。

2.2 越級跳閘原因分析

當集電線路發生單相接地故障時，接地變壓器通過接地電阻R向接地點提供附加阻性電流，接地點的阻容性電流是電容性電流與電阻性電流的相量和，此時接地點電流相比中心點不接地系統時的接地電流要大。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，從而保證產生的弧光接地過電壓不超過2.6倍的相電壓。B相接地時穩態情況下的零序電流分布如圖1所示，等效零序網絡如圖2所示。

圖1 穩態時零序電流分布

圖2 接地時零序等值網絡

圖2中，是集電線路發生單相接地故障產生的零序電壓，是流過故障線路零序電流互感器的零序電流，是接地變通過接地電阻提供的阻性電流，XC總是35 kV母線上所有線路和電氣設備的對地電容，XB是接地變壓器的電抗值。選擇接地變壓器中性點接地電阻值的原則是使流經接地點的阻性電流是容性電流的1～1.5倍，即：IR=(1～1.5)IC。

根據現場實際參數計算，流過接地變壓器接地電阻和故障線路的零序電流比值為K=IR/IC=1.11，兩者相差不大。接地變零序動作電流一次值為0.21×400=84 A，動作時限0.6 s，312開關零序動作電流一次值為0.56×150=84 A，動作時限0.3 s。兩者的一次定值是一樣的，發生接地故障后，線路零序保護應該先動作，從故障錄波文件查看，312線路的零序保護在完全發展為金屬性接地故障時達到了動作定值，在故障發展為非金屬接地時未達到312線路零序電流保護定值，312線路零序保護返回，而接地變外接零序CT測得的零序電流一直達到零序保護動作值。

312開關柜的自產零序和外接零序電流互感器測得零序電流理論上應該是一樣的。按故障錄波發生時刻測得的二次電流進行相關計算。

開關自產3I0=3×0.097×900=261.9 A (一次值)，外接零序CT故障錄波測得3I0二次值為0.787 A，一次值為0.787×150=118 A，小于自產值。

831接地變外接零序電流CT測得二次值3I0=0.727 A，一次值為0.727×400=290.8 A。

綜上判定，312開關柜外接零序CT測得的零序電流不準確。

通過對現場設備和故障錄波定值進行檢查發現，故障錄波831接地變外接零序CT的變比設置有誤(實際為400/1，設置為150/1，故障錄波CT變比設置錯誤對保護的動作行為沒有影響，但故障錄波測得電流值一次值是錯誤的)；通過對312開關柜外接零序CT電纜的金屬護層接地線檢查，發現接地線接錯：未回穿零序CT后接地，如圖3所示。

圖3 312開關外接零序CT錯誤接線

35 kV系統接地變壓器經小電阻接地，由于接地變壓器一次側采用曲折型接線(z接)，二次側一般采用y接，該接法正序阻抗很大、零序阻抗較小，在沒有故障的情況下相當于中性點不接地系統，當接地故障有零序電流時相當于小電阻接地系統。

當發生接地短路故障時，故障點零序電壓最高，離故障點越遠，零序電壓越低；電源處零序電壓最低，接地故障點電容電流實際流向是從故障點流向母線，再經集電線路對地電容流回故障點；接地故障點電流亦經故障線路流回接地變。按規定三芯電力電纜金屬護層兩端接地，正常運行時三相電流平衡，金屬護層中幾乎沒有感應電流流過；但當線路發生接地、斷線或斷線且接地復故障等故障時，三相電流不再平衡。設三相電流的相量和為其在金屬護層感應出的電流為，由楞次定律可知，二者方向是相反的，式中，M為三相導線與金屬護層間的互感系數，Z為金屬護層阻抗與大地接地電阻之和，Z=r+jx。

電流經金屬護層兩端接地與大地構成回路。當忽略r時該電流數值較大，且方向與相反。因此，當電纜金屬護層接地錯誤，接地線未穿回零序CT而直接接地，零序電流互感器二次側感應的零序電流為零序電流互感器變比)將會減小很多(極端情況下可能接近零)，不能正確反應故障電流，從而使線路的零序保護裝置拒動。而接地變壓器的外接零序電流互感器可以正確地測到該零序電流，使接地變和主變低壓側開關跳閘，導致事故停電范圍擴大。

為了防止電力電纜施工中這種接線錯誤，GB 50168—2018《電纜線路施工及驗收標準》7.2.8規定：電力電纜金屬護層接地線未隨電纜芯線穿過互感器時，接地線應直接接地；隨電纜芯線穿過互感器時，接地線應穿回互感器后接地。上述兩種正確接法的零序電流互感器電纜金屬護層接地線和接地故障發生時電流分析如圖4，5所示。圖中，為金屬護層中的感應電流，為故障點接地電流。

圖4 金屬護層接地線在零序CT上方接法

圖4為金屬護層接地線在零序CT上方的接法，零序電流互感器的測量電流為

圖5為金屬護層接地線在零序CT下方的接法，零序電流互感器的測量電流為

圖5 金屬護層接地線在零序CT下方接法

2.3 母線PT三相保險熔斷原因分析

單相接地故障發生時，35 kV系統在接地變壓器跳開后，運行方式突然改變，由小電阻接地系統變為中心點不接地系統。

由于電流和電壓互感器鐵芯電感的磁通之間是非線性關系，非接地相電壓互感器繞組兩端電壓升高導致鐵芯電感飽和，電壓互感器感抗降低，勵磁電流增大，而電壓互感器一次接地點未安裝消諧電阻，電壓互感器一次熔斷器額定電流只有0.5 A，一般鐵磁諧振過電壓幅值可達到3倍以上的相電壓，在起始暫態中過電壓幅值會更高，從而導致了電壓互感器一次繞組保險燒毀。

3 結論與建議

3.1 結論

該故障直接原因是35 kV鐵塔跌落保險熔斷后未完全掉落隨風搖擺造成的B相接地故障。由于35 kV 312開關進線電纜金屬護層接地線接地方式錯誤，線路零序保護采用的是外接零序電流互感器的電流值，線路發生接地故障時，外接零序電流互感器測得的零序電流值較真實值小，導致35 kV 312開關零序保護拒動，最終接地變壓器零序保護動作越級跳開主變低壓側301開關。

3.2 建議

為避免此類故障，應當做好以下工作。

(1) 對全站的零序電流互感器進行排查，對電纜金屬護層接地線接地錯誤的零序電流互感器進行整改，以消除故障隱患。

(2) 按照要求定期對一、二次設備進行預防性試驗，定期檢查保護設備的定值，將設備隱患消除在萌芽階段。

(3) 在PT高壓繞組中性點接地處接入一次消諧電阻器，無論是鐵磁諧振還是低頻振蕩，在接地故障切除時，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) 選用勵磁特性較好的電壓互感器或電容式電壓互感器，改變母線對地電容值，破壞諧振條件。