小电阻接地系统中零序保护故障及其原因分析王小萌

小电阻接地系统中零序保护故障及其原因分析王小萌

王小萌

（国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司新疆哈密83900）

摘要:本文对中性点不同接地方式的常见划分，分析了从两种方式在接地故障下的基本特征进行深入分析，从理论上为不同方式的不同应用提供依据，并根据实际的故障案例，对故障原因进行了深入分析。

关键词:小电阻接地系统；零序保护故障；原因

1.引言

小电流接地系统，分为中性点不接地、经高阻接地、经消弧线圈接地系统。对于中性点不接地系统，由于不构成短路回路，无法形成大的短路电流，因此调度规程一般规定可以继续运行1～2h，但随着线路长度增加，以及市区大量电力电缆的使用，使得电容电流增大，弧光接地过电压倍数增高，长时间运行容易造成相间短路，因此应立即查找故障点；而对于中性点经高阻接地系统，目前调度定值单中一般设定为达到零序电流定值立即跳闸，因此对整个系统不造成影响。本文主要从小电阻接地方式下的零序保护原理出发，分析了一起小电阻接地系统线路零序保护由于存在保护死区致使故障范围扩大案例，并对变电运行工作中如何防止零序保护拒动问题进行了探讨。

2.零序电流保护

零序电流保护一般使用在有条件安装零序电流互感器的电缆线路或经电缆引出的架空线路上。当在电缆出线上安装零序电流互感器CT时，其一次侧为被保护电缆的三相导线，铁心套在电缆外，其二次侧接零序电流继电器。当正常运行或发生相间短路时，一次侧电流为零，二次侧只有因导线排列不对称而产生的不平衡电流。当发生一相接地时，零序电流反映到二次侧，并流入零序电流继电器，使其动作发出信号。

零序电流保护的基本原理是基于基尔霍夫电流定律：流入电路中任一节点的电流的代数和等于零，即I=O，它是用零序电流互感器作为取样元件，在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和等于零(对零序电流保护假定不考虑不平衡电流)，因此零序电流互感器的二次侧绕组无信号输出(零序电流保护时躲过不平衡电流)，执行元件不动作。当发生接地故障时的各相电流的矢量和不为零，故障电流使零序电流的环形铁心中产生磁通，零序电流互感器的二次侧感应电压使执行元件动作，带动脱扣装置，切换供电网络，达到接地故障保护的目的。

3.接地零序保护常见故障

3.1整定不当或二次回路故障

由于人为因素致使保护装置整定不当或装置故障致使其二次回路故障，导致零序保护不动作的原因可以归纳为以下原因：(1)设备施工或检修时，致使线路保护装置零序保护回路接线错误；(2)馈线保护装置自身故障；(3)压板投退等原因致使零序保护不动作。

3.2故障分量无法启动保护装置

根据20kV和10kV线路零序保护动作的充分必要条件，即故障时刻零序电流I0大于零序保护整定值I0zd，故障持续时间t大于零序保护整定时间t0zd，对于架空线路瞬时接地故障，接地时间t远远大于整定值t0zd，t满足t＞t0zd的条件；而I0=U0/Z0≈U/Z0，U为系统电压，基本不变，影响I0的就基本只有线路接地的综合零序阻抗Z0，而Z0由接地变中性点电阻Z0r、线路阻抗Z01、线路接地过渡阻抗(包括地网阻抗Z0j共同组成，即Z0=Z0r+Z0l+Z0j＞Z0zd。针对以上原因，需要继保专业人员对站内各站相关设备进行检查、试验，确保当系统内发生接地故障时，测定准确的整定参数，使其满足I0＞I0zd以及t＞t0zd整定的动作条件。

3.3现有配置方式及所存隐患

零序电流保护具体应用时，可在三相线路上各装一个电流互感器，或让三相导线一起穿过一零序电流互感器，也可在中性线N上安装一个零序电互感器，利用这些电流互感器来检测三相的电流矢量和，即零序电流I0，当线路上所接的三相负荷完全平衡时(无接地故障，且不考虑线路、电器设备的泄漏电流)，I0=0；当线路上所接的三相负荷不平衡，则I0=IN，此时的零序电流为不平衡电流IN；当某一相发生接地故障时，必然产生一个单相接地故障电流Id，此时检测到的零序电流I0=IN+Id，是三相不平衡电流与单相接地电流的矢量和。

当10kV线路发生接地故障时，首先该线路的零序保护动作，出口跳开线路开关，切除故障；当该线路出现拒动的情况时，故障无法切除，流过接地变的故障量仍然存在，此时，由接地变高压零流动作，出口跳开分段开关，用于判断故障线路所在10kV母线，区分故障后，出口跳开故障母线所在主变低压侧开关，此时已成为越级动作事故。

由上述可知，零序保护的合理配置和正确动作对中性点经小电阻接地系统的安全稳定运行有着重要意义。根据运行经验，零序保护采用零序电流外接方式存在着一些隐患：

(1)外接零序电流互感器故障或者外接零序电流回路故障时，保护装置无法检测判断，易因回路问题造成保护误动或拒动。

(2)因馈线电缆外屏蔽层接地线在开关柜内穿入零序电流互感器的方式不正确而运维人员未能及时发现，导致电缆屏蔽层中的电流已被包含在零序电流互感器测量范围内，造成保护误动。

4.线路零序保护故障案例分析

4.1案例背景

某110kV变电站是一座全户内布置综合自动化变电所，10kV部分采用金属铠装中置柜设备。目前变电所拥有主变压器2台，总容量80MVA；110kV系统拥有线路2回，开关2台，采用线变组接线方式；10kV系统拥有线路20回，开关39台，电容器4组，采用单母线分段接线方式。10kV侧采用全电缆出线，采用小电阻接地方式。

4.2事件经过

某日上午10：30，运维班组接到监控通知，110kV某变2号主变后备保护(零序保护)动作，主变高压侧702、低压侧102开关跳闸。10kVⅡ段、Ⅳ段母线失电，同时伴有10kVⅡ段、Ⅳ段母线瞬间接地。运维人员到达现场后，经现场检查发现10kV高压室内有刺鼻异味，10kV侧122间隔开关柜体后门温度偏高，2号主变及10kV其他设备现场检查正常。经现场检查后运维人员汇报调度，现场2号主变为ABB保护，2号主变为零序保护动作，故障电流420A左右。

11：38，检修人员申请10kV侧122间隔开关及线路事故处理。11：49，10kV侧122间隔开关及线路改检修，10kVⅡ段、Ⅳ段母线上其他线路改为冷备用。打开122间隔开关后柜门发现，出线电缆头与手车开关静触头搭接处A相损坏。12：38，2号主变及10kVⅡ段、Ⅳ段母线恢复送电。13：30，10kV线路送电正常。

4.3问题讨论与原因分析

该变电站线路CT为两相，无法产生零序电流，故零序电流保护采用零序CT电流。由于线路零序CT无法采集当前故障电流，线路零序电流保护无法动作，更无法发线路接地信号，且单相接地故障未发展为相间故障，零序故障电流为420A左右，未达到线路过流保护定值(900A)，线路保护无法动作。由于零序故障电流超过主变零序电流保护定值(120A)，2号主变零序保护动作，2号主变110kV侧702开关跳闸、2号主变10kV侧102开关跳闸。

结论

在零序保护的设计、施工、保护整定、运行维护中应注意以下要求：现实应用时，建议线路零序电流应尽可能采用三相线路CT电流合并而成，零序CT用于接地选线，防止线路零序保护的死区故障(如线路零序CT与线路CT间)，避免CT设置不合理，导致事故范围的扩大；设备施工或检修时，确保线路保护装置零序保护回路接线正确，避免零序保护拒动；要及时发现因馈线电缆外屏蔽层接地线在开关柜内穿入零序电流互感器的方式不正确等造成隐患；加强对保护压板投退的巡视，确保零序护能正常启动；对开关柜前后是全封闭的，平时巡视难以观察的开关柜体，建议停电时加强对该类设备的检查。

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