主變低壓側(cè)區(qū)內(nèi)單相接地保護(hù)分析及引起負(fù)荷損失的思考

朱曉東，馮宗建，王其林，鄭潤藍(lán)

（中國南方電網(wǎng)深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

某變電站#1 主變和#2 主變變高及變低正常合閘，分段521 處于分閘狀態(tài)下，#1 主變10 kV 低壓側(cè)A相母線橋發(fā)生單相接地故障，主接線及故障點位置示意如圖1 所示。10 kVⅠ段母線上的接地變零序Ⅱ段動作跳閘521 開關(guān)，接地變零序Ⅲ段動作跳閘501 開關(guān)并且閉鎖521 備自投，10 kVⅠ段母線失電造成負(fù)荷損失。接地故障點位于主變區(qū)內(nèi)，主變差動保護(hù)、高低壓側(cè)復(fù)壓過流均未動作，故障一直持續(xù)至運行人員手動分閘1101 開關(guān)停運#1 主變，存在故障擴(kuò)大的隱患。

圖1 主接線及故障位置示意圖

主變區(qū)內(nèi)發(fā)生10 kV 側(cè)單相接地故障后，保護(hù)不動作行為計算分析的相關(guān)文獻(xiàn)較少，文獻(xiàn)[1-4]主要講述是發(fā)生單相接地后差動保護(hù)正確動作的案例，文獻(xiàn)[5]講述的是配網(wǎng)小電阻接地中壓系統(tǒng)產(chǎn)生零序電流對主變差動保護(hù)的影響。文獻(xiàn)[6]雖然分析的是不動作，但是主要針對主變斷線故障。文獻(xiàn)[7]與本文分析內(nèi)容結(jié)構(gòu)接近，不同點是本文采用實際故障零序電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，分析保護(hù)不動作行為的正確性。另外針對防止負(fù)荷損失，文獻(xiàn)[7]提出的方案為增加變低自產(chǎn)零序突變量電流保護(hù)，在接地變保護(hù)動作之前切除變低開關(guān)。本文提出的是備自投加入自產(chǎn)零序電流判據(jù)，不須要考慮保護(hù)動作和接地變返回時間的配合問題。文獻(xiàn)[8]提出了采用暫態(tài)過程自適應(yīng)邏輯，實現(xiàn)全站無故障設(shè)備的全部自動恢復(fù)供電，有一定參考意義。但是須要加入暫態(tài)量的分析和邏輯判斷，對裝置和互感器的精度等提出較高的要求。文獻(xiàn)[9-13]討論備自投相關(guān)問題，但是無法解決本文主變區(qū)內(nèi)低壓側(cè)單相接地后備自投被閉鎖，引起10 kV 母線失電造成負(fù)荷損失的問題。

本文根據(jù)故障期間接地變保護(hù)讀取的故障零序電流大小，計算主變兩側(cè)TA 感受電流大小，分析保護(hù)元件的動作行為正確性，根據(jù)主變低壓側(cè)區(qū)內(nèi)單相接地和主變低壓側(cè)區(qū)外單相接地零序電流不同點特征，提出備自投加入反閉鎖措施，避免10 kV母線失電引起負(fù)荷損失，提高供電可靠性，同時提出備自投動作聯(lián)切變高開關(guān)的優(yōu)化方案，及時切除故障，阻止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，保障設(shè)備的安全性。

1 保護(hù)動作行為分析

故障點位于主變區(qū)內(nèi)10 kV 側(cè)母線橋，涉及的保護(hù)和安自裝置有：主變差動保護(hù)、主變高壓側(cè)復(fù)壓過流保護(hù)、主變低壓側(cè)復(fù)壓過流保護(hù)、接地變零序保護(hù)、10 kV 分段521 備自投。

1.1 主變差動保護(hù)動作分析

深圳電網(wǎng)任一110 kV 主變10 kV 母線向系統(tǒng)看進(jìn)去正序阻抗為0.3 Ω[7]，負(fù)載阻抗遠(yuǎn)大于該值（本次故障期間實際數(shù)值約為9.2 Ω）。故障時負(fù)載側(cè)電流正序分量和負(fù)序分量較電源側(cè)正序分量和負(fù)序分量小，因此復(fù)合序網(wǎng)中可分析主變空載后發(fā)生單相接地故障后差流計算，對應(yīng)的復(fù)合序網(wǎng)[14-15]如圖2所示。

圖2 主變低壓側(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)生單相接地復(fù)合序網(wǎng)圖

根據(jù)復(fù)合序網(wǎng)圖可以得出，主變低壓側(cè)主要為零序電流，abc 三相電流大小相等，相位相同。主變高壓側(cè)由電源提供正序和負(fù)序電流，不存在零序電流。主變的差流可以由以下公式求出：

根據(jù)式（3）、（4）可求解得出：

根據(jù)式（1）、（2）和（5）可以求得：

現(xiàn)場保護(hù)裝置顯示最大零序電流為1.84 A，零序TA 變比為150/1，零序電流一次值為IK=276 A。以主變低壓側(cè)為基準(zhǔn)可以計算差動大小為：

主變額定容量S為63 MV·A，低壓側(cè)額定電壓為10.5 kV，帶入計算得出差動電流為： 0.079 7Ie，遠(yuǎn)低于差動啟動定值 0.5Ie，因此主變差動保護(hù)不會動作。

1.2 主變高壓側(cè)復(fù)壓過流動作分析

主變高壓側(cè)電流互感器可感受到故障電流的正序和負(fù)序分量以及正常帶載負(fù)荷電流，根據(jù)上文計算已經(jīng)得出故障分量大小：

主變高壓側(cè)額定電壓110 kV，計算可得出A 相電流和B 相電流故障分量大小為15.2 A，即使故障電流與負(fù)荷電流疊加，也遠(yuǎn)達(dá)不到高壓側(cè)復(fù)壓過流定值。 因此，高壓側(cè)復(fù)壓過流不會動作。

1.3 主變低壓側(cè)復(fù)壓過流動作分析

主變低壓側(cè)電流互感器可感受到故障電流的零序分量以及正常帶載負(fù)荷電流，根據(jù)上文已經(jīng)得出故障分量大小：

計算可得出A 相、B 相和C 相電流故障分量大小為92 A，低壓側(cè)復(fù)壓過流一次定值最低為4 850 A，即使故障電流與負(fù)荷電流疊加，也達(dá)不到低壓側(cè)復(fù)壓過流定值。因此，低壓側(cè)復(fù)壓過流不會動作。

1.4 接地變零序保護(hù)和備自投閉鎖動作分析

零序Ⅱ段、零序Ⅲ段一次值為75 A（二次值0.5 A，變比150/1），零序Ⅱ段時間定值2.3 s，零序Ⅲ段時間定值2.6 s，故障二次電流為1.84 A，接地變保護(hù)正常動作。接地變高低零序Ⅲ段保護(hù)動作后閉鎖分段備自投，本次故障屬于正常閉鎖。

2 問題及改進(jìn)措施思考

主變低壓側(cè)發(fā)生單相接地后，故障電流較小，主變相關(guān)的保護(hù)無法感受故障，接地變零序Ⅲ段跳閘變低開關(guān)并且閉鎖備自投，導(dǎo)致10 kV 母線失電引起負(fù)荷損失。接地故障一直持續(xù)至運行人員手動切除變高開關(guān)停運空載的主變。

問題1：故障點在主變母線橋處，變低開關(guān)跳開后，故障被隔離在變低開關(guān)靠主變側(cè)，此時若能通過備自投合521，可避免10 kV 1 M 失壓，但接地變保護(hù)無法判斷單相接地點位置，發(fā)出了閉鎖備自投的命令。

問題2：如若故障是在主變母線橋處永久性單相接地故障，變低開關(guān)跳開后，非故障相電壓升高到線電壓，影響設(shè)備絕緣，可能發(fā)展成為相間或三相故障，須主變差動或者高后備保護(hù)動作跳開變高開關(guān)，隔離故障點。

對于問題1，提出2 個解決方案。方案1：當(dāng)接地故障點在主變保護(hù)區(qū)內(nèi)（變低互感器為界），主變變低電流互感器可感受到零序電流，則接地故障點在變低互感器靠主變側(cè)；當(dāng)主變變低互感器無法感受到零序電流，則接地點在變低主變保護(hù)區(qū)外。因此考慮可按照此不同點，將主變變低零序電流接至接地變保護(hù)，作為接地變保護(hù)跳主變變低開關(guān)的輔助判斷，參與跳閘邏輯運算，區(qū)分跳主變變低的同時是否閉鎖備自投。對于低壓側(cè)雙分支的變壓器，接地變保護(hù)須接入低壓側(cè)雙分支零序電流的和電流作為輔助判據(jù)。方案2：利用備自投中接入的變低電流自產(chǎn)零序電流作為備自投受不受外部閉鎖的輔助判據(jù)。當(dāng)有自產(chǎn)零序電流時，接地變開入的閉鎖備自投信號無效；當(dāng)無自產(chǎn)零序電流時，接地變開入的閉鎖備自投信號有效；對于低壓側(cè)雙分支的變壓器，備自投裝置應(yīng)把雙分支自產(chǎn)零序電流的和電流作為輔助判據(jù)。方案2 與方案1 相比，外部二次接線改動較小，只須修改備自投裝置動作邏輯。同時增加分段保護(hù)零序過流功能，作為分段開關(guān)備投于主變變低開關(guān)與互感器之間的死區(qū)故障的保護(hù)。

對于問題2，對于110 kV 的變壓器，可考慮接地變跳變低時，聯(lián)跳主變變高開關(guān)，將故障完全隔離，避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 結(jié)束語

本文對主變低壓側(cè)區(qū)內(nèi)單相接地故障進(jìn)行計算，分析保護(hù)動作行為的正確性。根據(jù)實際接地零序電流數(shù)據(jù)，計算出主變低壓側(cè)單相接地電流較小，分析主變差動保護(hù)、高低后備保護(hù)正確不動作。

根據(jù)由故障引起的負(fù)荷損失以及故障不能及時隔離兩個問題進(jìn)行思考，提出具體可實施的解決方案，即通過備自投引入變低自產(chǎn)零序電流進(jìn)行反閉鎖，并增加分段零序過流保護(hù)作為死區(qū)故障的保護(hù)。接地變跳110 kV 主變變低時，聯(lián)切變高開關(guān)及時隔離故障。該方案后續(xù)可推廣使用，對提高電網(wǎng)供電可靠性和設(shè)備安全性具有積極的參考意義。