樞紐變電站10kV側接地變過流保護Ⅱ段誤動作分析

卞英楠 高曉陽

（河南交通職業技術學院）

0 引言

10kV供電系統在我國極其常見，在城市配電網中，扮演重要角色。在居民區的配電開閉所內，它往往作為400V居民供電的上一級，在供電系統中必不可少。早些年，城市用電負荷小、線路少，經濟不發達，電線桿為主體的架空線隨處可見，此時為了保障發生單相接地故障時居民仍能可靠用電一段時間，供電系統采用中性點經消弧線圈的接地方式。統計發現，單相接地故障相比于相間短路、三相短路以及兩相接地故障，其發生率最高也較常見。在面對單相接地故障時，10kV系統若采用傳統接地方式，則其非故障相對地電壓升高到原來的倍，三相之間的線電壓保持不變。在單相對地耐壓合格的情況下，此時系統仍能穩定運行2h［1］。但隨著各種新型家用電器、新能源電車的出現，以及近年來夏季氣溫的增高，城市用電負荷顯著增多，相應的出線也增多了，所以在發生單相接地故障時，2h內切除故障難度增大。雖然10kV系統在采用中性點經消弧線圈接地的傳統方式時，可以通過配置小電流接地選線裝置來排除故障線路，但該方法容易出現誤選線的情況。因此，越來越多的城市10kV供電系統，采用中性點經小電阻接地方式［2］。為了人為引出中性點，10kV側通常使用接地變，而為了保護接地變自身，接地變會設置過流保護。本文以某110kV樞紐變電站10kV側線路發生單相接地后接地變過流保護誤動作的案例作為研究對象，分析了背后的原因。

1 事件基本情況

1.1 事件發生前的運行方式

該110kV樞紐變電站的一次系統如圖1所示。110kV系統部分為雙母線，線路1在110kVⅠ母經開關1帶1號主變運行；線路2在110kVⅡ母經開關2帶2號主變運行；母聯航空110備用，備自投投入，1號、2號主變分列運行。

圖1 某110k V樞紐變電站一次系統圖

10kV系統采用中性點經小電阻接地，母線部分為單母線分段。1號主變經航空1011、航空1012開關帶10kVⅠ、Ⅱ段母線運行；2號主變經航空1023、航空1024開關帶10kVⅢ、Ⅳ段母線運行；母聯航空140、230備用，備自投投入。1號接地變在10kVⅡ母運行，2號接地變在10kVⅣ母運行，10kV各分路在10kVⅠ～Ⅳ母線運行。

1.2 事件發生的過程

在某日15∶31∶15時，地面施工，由于施工人員未看到地下有電纜的安全警示，挖斷了10kVⅢ母上某支線的電纜，從而導致該線路單相接地，隨即觸發了一系列的二次保護。15∶31∶17時后臺機報警鈴響，電腦報文顯示“2號接地變”過流Ⅱ段動作，“2號接地變分位”，“航空1023分位”，“航空1024分位”，“10kVⅢ母失壓”，“10kVⅣ母失壓”；15∶31∶22時，顯示“母聯航空110備自投動作”，“母聯航空230備自投動作”；15∶31∶23時，顯示“母聯航空140合位”，“母聯航空230合位”，“航空10kV Ⅲ母電壓110.7kV”，“航空10kVⅣ母電壓110.6kV”；15∶31∶26時，顯示“1號接地變”過流Ⅱ段動作，“1號接地變分位”，“航空1011分位”，“航空1012分位”，“母聯航空140分位”，“母聯航空230分位”，“10kVⅠ母失壓”，“10kVⅡ母失壓”，“10kVⅢ母失壓”，“10kVⅣ母失壓”。

1.3 事件影響

在15∶31∶15由于施工不慎導致10kV某出線單相接地故障后，至15∶31∶26整個10kV系統全部失壓結束。短短11s的時間，由10kV某一出線的單相接地故障，最終導致整個樞紐變電站10kV系統全部停電，很明顯故障造成的影響擴大化了，波及了整個10kV系統用戶，造成了大面積停電。在經現場全面檢查后，手動斷開故障線路的出線開關，重新合上了1號、2號接地變，航空1011、1012、1023和1024開關，緊急恢復了供電。

2 事件原因分析

作為城市中的樞紐變電站，該變電站低壓側10kV系統未使用傳統的中性點經消弧線圈的接地方式，而是采用中性點經小電阻接地方式。在此接地方式下，若10kV低壓側某出線發生單相接地故障，則10kV系統通過故障接地點與小電阻形成閉環，可以產生較大的零序電流。此時通過配置零序互感器或者自產零序的方式檢測到故障發生線路的零序電流，并配合綜保裝置設置零序保護，可以及時地將發生接地故障的線路從整個10kV系統切除出去，防止故障擴大。相比于中性點經消弧線圈接地，雖然該接地方式在某出線發生單相接地故障時，無法維持整個10kV系統持續運行2h。但對于出線較多的情況，2h內排除出故障線路的難度較大，而且對于10kV出線較多且多為電纜時，系統的對地容性電流增大，若采用傳統的中性點經消弧線圈接地方式，相應的消弧線圈容量也要提升，需增加成本。

綜上，本案例中在10kV某出線發生單相接地后，正常情況下，該出線的開關應該經零序保護跳開。然而，最后故障線路非但沒有及時從系統切除，反而導致整個10kV系統最后全部失壓而造成故障擴大。因此，首先需要排查故障線路的綜保裝置，檢查其是否發生了零序保護失靈及拒動的現象；其次，若故障線路的綜保失靈，在零序拒動的情況下，接地變的零序保護本應動作，而在本案例中則是接地變的過流保護啟動了，需要分析出接地變過流保護Ⅱ段誤動作的原因。

2.1 綜保記錄

事后現場調查發現故障線路的綜保并無問題，且記錄下來故障發生時A、B、C三相的電流情況如圖2所示。

圖2 故障線路三相電流記錄圖

由圖中可見，事故為A相單相接地，此時B、C兩相幾乎無電流，零序電流為自產，即三相電流矢量和。1號、2號接地變開關處記錄下的三相電流如圖3、4所示。

圖3 1號接地變三相電流記錄圖

圖4 2號接地變三相電流記錄圖

由圖中可見，故障發生時，由于接地變本身的特性，此時流經接地變A、B、C三相電流相等，三相矢量和為零序電流，等于自產零流，由于圖2～4中的電流皆為二次側電流，沒有考慮CT變比，實際分析時需考慮CT變比后，換算成一次側電流。在發生單相接地故障開始至接地變保護動作之前，故障線路和接地變之間的三相電流關系將在下文分析。

2.2 理論分析

分析應考慮一次側電流，所以給出母聯航空140、230開關，故障線路，1、2號接地變的CT變比及零序保護的定值。其中，兩個母聯開關的參數一致，兩個接地變的參數也一致。該案例中的接地變零序保護共有I、Ⅱ段，作為整個10kV系統的后備保護，其動作順序為零序I段閉鎖母聯航空140、230備自投，跳開母聯航空140、230；零序Ⅱ段跳開對應主變的10kV側進線開關，即航空1011、1012，或航空1023、1024（2號接地變）以及接地變自身的進線開關。具體參數見表。

表 線路、母聯開關和接地變相關參數

為了更好地分析事故的整個過程，先把零序保護的二次值結合CT變比換算成一次電流，并于圖5中標注出來，結合圖5還原事故發生的過程。

圖5 事故發生后零序電流走向圖

由圖2故障線路三相電流記錄可知，事故為A相單相接地，定義表示故障相電流的有效值。那么≈2.61A，此為二次值，且B、C相電流近乎為0，忽略不計，則故障線路的零序電流≈2.61A也為二次值。由于沒有外接零序電流互感器，用的自產零序，則零序電流變比也為200／5，換算成一次側電流，此時故障線路零序電流有效值近似為313.2A。

在首次發生單相接地后，由于母聯航空230處于斷開狀態，2號接地變在10kVⅣ段，故障線路位于10kVⅢ段，第一次接地后零序電流走向如圖5標注所示。由圖5可知，故障線路的零序保護與2號接地變自身的兩段零序保護的定值與時間滿足級差配合，設計合理。在發生單相接地后，故障線路的零序電流有效值313.2A＞84A，滿足零序保護動作定值，在1.0s后，故障線路開關應跳開，若開關拒動，則在1.5s后開始由2號接地變的零序保護動作。但是故障發生0.6s后，2號接地變的過流Ⅱ段保護先動作，跳開了航空1023、1024開關以及自身進線開關，而此時故障線路開關由于零序保護未達到動作時間所以并未跳開。

不同于零序保護，接地變過流保護的目的是當發生相間短路故障時，及時地從10kV系統切除，同時由于10kV系統失去了接地點，所以主變10kV側的進線開關也會斷開，但是并不閉鎖母聯航空140、230的備自投。因此在2號接地變過流Ⅱ段保護動作后，失壓7s后，母聯航空140、230備自投動作。由于接地故障點并未從10kV系統切除，系統發生了第二次接地。第二次接地后零序電流走向如圖5所示，零序級差配合設計合理。但和2號接地變一樣，在第二次接地后的0.6s，1號接地變的過流Ⅱ段保護動作，跳開了航空1011、1012開關以及自身進線開關和母聯航空140、230開關，自此10kV系統全部失壓。

接下來重點分析接地變過流Ⅱ段保護誤動作原因，現場排查綜保并無問題，那就是保護定值設置可能存在問題，通過檢查綜保發現，1、2號接地變的過流保護Ⅱ段設置為2.0A／0.6s，結合CT變比200／5，所以，接地變的過流保護Ⅱ段換成一次電流值后為80.0A／0.6s。對于部分110kV 樞紐變電站，其10kV系統側的接地變有時也充當站用變，即二次側有負荷。雖然本案例中的接地變低壓側并未有負荷，但其過流保護的設計參考的是站用變的模型，從而得到保護定值［3］。第一次單相接地后零序電流如圖6所示，結合圖6分析第一次單相接地后2號接地變開關零序電流與單相電流關系，第二次單相接地后，1號接地變開關的零序電流與單相電流關系與前述相同，不再分析。需要說明的是本案例為了簡化分析，不考慮系統容性電流。

圖6 第一次單相接地后零序電流

由圖6可知，故障線路發生A相單相接地后，B、C相電流近似為0，定義此時的故障電流為，它等于流經A相的電流，也等于該故障線路的零序電流。由于接地變對正序和負序呈高阻抗、對零序呈電阻抗的特性［4］，流經2號接地變后，被三等分，此時每一相的電流為，即。而后B、C相的電流在經過航空1024開關后，又經過2號主變10kV側△繞組后匯聚成，并和A相的匯聚后等于重新從故障線路的A相接地點流入大地，完成一次閉環。結合圖4也可以發現，事故發生時，流經2號接地變開關處的三相電流近乎相等，其二次電流峰值約等于3.666A，有效值為2.592A，結合前文表中的CT變比200／5，換算成一次電流有效值為103.68A。所以，≈103.68A，結合圖2及前文所述，此時故障線路電流有效值＝313.2A，所以，與前述結論一致。

結合2號接地變過流Ⅱ段保護定值一次有效值為80.0A，不難發現，當故障線路發生A相單相接地時，流經接地變高壓側任一相的電流≈103.68A ＞80.0A，滿足過流Ⅱ段的動作條件，因此在時間達到0.6s后，接地變過流Ⅱ段會先于故障線路的零序保護動作，從而形成單相接地發生后，過流保護Ⅱ段誤動作的結果，造成事故擴大。

3 結束語

近年來，城市中10kV系統為了美觀安全，更多地使用了電纜代替架空線。同時，近年來夏季溫度逐年突破記錄，夏季用電負荷激增，城市規模擴大都間接導致城市用電線路增多，發生單相接地故障概率升高。為了及時切除單相接地故障，城市中越來越多的10kV系統采用中性點經小電阻接地方式代替傳統的中性點經消弧線圈接地方式。由于10kV系統通常采用△連接，因此需要通過接地變人為地引出中性點，而接地變本身的特性不同于站用變，其自身的過流保護設計需仔細考慮。

本文以某110kV樞紐變電站的10kV側線路發生單相接地故障后，10kV系統的接地變過流Ⅱ段保護誤動作的事故作為研究對象，對事故原因進行了理論分析并結合實際結果加以驗證。發現在10kV出線發生單相接地故障時，流經系統接地變三相的電流可能達到接地變過流Ⅱ段保護的定值動作條件，從而引發事故擴大化，所以在設計接地變過流Ⅱ段保護時，不能簡單套用站用變的設計方法，應注意保護定值的設計是否合理，可以通過增大過流Ⅱ段保護的動作時間，使其大于出線零序保護的動作時間，來避免此事故的發生。