地铁共享主变电站馈线电缆头故障保护选择性分析

地铁共享主变电站馈线电缆头故障保护选择性分析

邓灿

长沙市轨道交通运营有限公司湖南长沙410000

摘要：本文针对一起地铁110kV/35kV共享主变电站接地变保护零序过流I、II段动作跳闸故障分析，讨论共享主变电站馈线电缆头故障情况下保护选择性的问题，通过对故障现象的分析，故障点的试验，保护装置保护的配置，提出在发生此类该故障情况下保护选择性的解决方案，为确保地铁的正常运营提供保障。

关键词：110kV/35kV主变压器；电流互感器；保护装置；接地变保护零序过流

(一)引言

长沙市轨道交通2、4号线设置游泳中心和咸嘉湖两座共享主变电所，主变电所110kV侧采用线路变压器组接线方式，正常运行时主变电所110kV/35kV两台主变压器分裂运行，35kV侧采用了分支接线，其主要电气主接线如图1所示：301、302为2号线I、II段母线供电，303、304为4号线III、IV段母线供电。如果任一线路单相电缆对地故障时，3110和304的零序保护未动作，而是接地变保护零序过流I、II段动作，会跳了故障母线4号线进线柜，同时也会跳了非故障母线2号线进线柜，使保护失去选择性，扩大了故障范围，对地铁运营造成严重影响。

(二)故障跳闸经过

2019年2月14日12时13分51秒，咸嘉湖主变电站35kV4号线IV段母线咸福馈线3110间隔B相电缆头故障（电缆头位于CT上端靠近母线侧），发生单相接地短路，如图1、图2所示。

故障后，2#接地变保护零序过流I、II段动作，闭锁备自投300（I、II段母联），跳302（I段母线进线）、304（IV段母线进线）断路器。

从故障录波的电压数据可以看出：A、C相电压升高为线电压，B相电压接近为0，判断为典型的B相单相接地故障。

通过逐个回路的绝缘测试，并对开关柜进行开柜检查。发现3110柜内的B相电缆头出现击穿故障。

（三）保护选择性问题分析

通过上述故障现象可以发现，本次单相接地短路电流为490A左右，经查询各保护装置的整定值单，故障电流大于3110零序保护定值（102A），大于JDB2（2#接地变）的高压侧零序（240A）、大于JDB2（2#接地变）的低压侧零序保护定值（270A），小于302和304的零序保护定值（33600A）。

由此带来两个问题：

（1）主变低压侧进线302/304的零序保护整定值为什么远大于单向接地短路电流？

（2）3110的零序保护定值比JDB2高低压侧保护定值的电流值和时间值都更小，为什么未启动？

通过对主变电所保护定值进行核查和分析，由于主变电站40.5kV开关柜采用了“T接方式”，接地变直接通过电缆直接连接到主变低压侧铜排，接地变虽然单独配置了保护装置，但是本身并没有配置独立断路器，其保护动作出口是跳其他断路器（例如300、302、304、520）

经调查发现，302和304的南瑞PCS-9681保护装置的零序保护电流端子未接线（整定值为缺省的最大值，相当于未投入）。通过对保护装置的说明书分析，该装置的零序保护需要采用外接零序电流作为输入，不允许采用自产零序（包括内部程序计算或外部ABC并联），而必须是外接零序电流，以减小CT误差对保护装置的影响。

同时对3110开关柜检查时发现，北开的柜型采用的电流互感器下置方案，即电缆头需要穿过CT才能达到电缆插座。当电缆头发生单向接地故障时，由于电流在互感器之前入地，3110柜内的互感器无法检测到这一短路电流，使得此类故障不在3110的差动保护（区外故障）或零序保护范围之内。

（四）结论

1、故障原因为：

（1）地铁的35kV系统为小电阻接地系统，因为接地电阻（33Ω）的作用，最大单相接地电流被限制在600A以下，与正常的负荷电流接近，若故障不在差动保护（高灵敏且高可靠）范围内，只能依靠零序保护识别此类故障。

（2）4号线在咸嘉湖主变内新建的III、IV段母线的35kV开关柜电流互感器设置不合理，电流互感器在电缆头下方，且成一字型布置，不利于安装CT托架（用以将电缆铠装编织线穿越CT接地），导致3110馈线的纵差保护和零序保护无法识别电缆头位置发生的单相接地故障。

（3）主变低压侧进线304由于保护装置与一次接线存在冲突（保护装置要求是要求自产零序判断方向，外接零序跳闸，但实际2、4号线301～304柜体未配置外接CT），零序保护定值采用了缺省最大值，导致零序保护实际为退出状态。进线的零序十分重要，若母线发生单相接地（例如电压互感器的单相接地），在既有主变电所未配置母线差动保护的前提下，只有进线的零序保护具有选择性，因此该保护装置不应退出。

（4）2、4号线共用接地变，接地变支路上的保护装置无法识别接地故障是由302还是304引起。属于单相接地故障总后备保护的接地变零序保护，其保护动作无选择性。

2、整改建议：

（1）接地变零序保护动作时间长（2.1s～2.9s），属于总后备保护，对于故障切除不利，且对于共享主变，这种保护动作没有选择性，会将非故障的母线切除，影响运营。且对于35kV母线的单相接地，只有进线零序具备选择性，而不是可有可无的保护，有必要在这个保护之前设置选择性好的零序保护。

基于咸嘉湖主变电所35kV馈线柜无法安装专用零序互感器的现状（实际上GIS开关柜受空间限制，一般都不安装零序CT），推荐采用主变低压侧进线后备保护采用互感器外部串接的方式（实际上仍然是自产零序）。据调查，长沙轨道交通1号线盛世主变站也是采用了自产零序的做法，配置了进线零序保护。

（2）对北开的馈线柜CT进行改造，设置支架将CT抬起一定距离，将电缆头的屏蔽及铠装引出的铜编织线穿过CT接地，将馈线电缆头的故障纳入正线的电缆光纤纵差保护范围以内。

参考文献：

佟智勇,张远超,施宁宁.电缆头常见故障分析与处理措施[J].河北电力技术,2010,29(5):49-51.

杨剑梅,杨雪梅,高辉.变压器后备保护选择性与灵敏性配合问题的分析[J].电气技术,2015(3):122-124.