城市电网35 kV系统单相接地故障分析

金 英

(上海电力公司市区供电公司，上海 200080)

在城市电网220 kV及110 kV变电站中，35 kV接地方式主要采用接地变经小电阻接地，35 kV接地变有两种接入方式，即接地变接在35 kV母线上和接地变接在主变35 kV侧。在一些老厂站中，还采用接地变接在35 kV母线上，该方式的特点是主变回路与接地变回路完全独立，接地变要占用一个仓位，接地变开关跳闸联跳同母线主变35 kV开关 (主变35 kV开关跳闸不联跳接地变开关)。近几年新建厂站中，多采用接地变接在主变35 kV侧的方式，该方式的特点是主变与接地变必须一一对应运行，二者必须作为一个整体考虑，不能分别停役检修，但接地变不占用仓位。两种接入方式的接地变位置不同，相应的零流保护配置也不同，因此，利用对称分量法，按照故障点位置的不同，对零流保护的配置及动作情况进行分析。

1 对称分量法分析单相接地故障

对称分量法是分析不对称故障的常用方法，根据对称分量法，一组不对称的三相量可分解成正序、负序和零序三组对称的三相量，选A相为基准相进行不对称短路分析时，各序网络故障点的电压、电流方程式为

Xf1、Xf2、Xf0——分别为正序、负序和零序网络中短路点的输入阻抗;

当发生A相单相接地时，忽略负荷电流，接地点A相电压为0，B、C两相故障电流为0，即用对称分量表示为即接地点相故障电流，整理可得

由此可知，对于经小电阻接地系统，当发生单相接地故障时，在忽略负荷电流的情况下，接地点故障相流过3倍的零序电流，而非故障两相流过的电流为0，同时接地电阻上也流过3倍的零序电流。

单相接地点零序电压最高，距离接地点越远，节点的零序电压越低，因此，选取接地点至电源方向为零序电流正方向。

2 接地变接在35 kV母线上

2.1 35 kV出线发生单相接地故障 (A相)

35 kV出线发生单相接地时 (K点A相单相接地)，故障电流的流通路径如图1所示。

图1 35 kV出线单相接地时故障电流流通路径

各处电流互感器流过的零序电流:出线回路(a处电流互感器)接地点故障相A相流过的故障电流为，B、C两相无故障电流流过，因此，a处电流互感器流过零序电流为主变35 kV回路 (b处)A相故障电流为C相故障电流均为，且与A相方向相反，因此，b处电流互感器流过零序电流为接地变35 kV回路 (c处)A、B、C三相均流过故障电流，且方向相同，大小同图1中母线上流过的零序电流，因此，c处电流互感器流过零序电流为接地变中性点回路 (d处)流过零序电流为

2.2 35 kV母线发生单相接地故障

35 kV母线发生单相接地时，故障电流流通路径如图2所示。

图2 35 kV母线单相接地时故障电流流通路径

各处电流互感器流过的零序电流:a处无零序电流;b处A相故障电流为均为且与A相方向相反，因此，b处电流互感器流过的零序电流为，B、C相故障电流c处 A、B、C三相均流过故障电流，且方向相同，大小同图2中母线流过的零序电流，因此，c处电流互感器流过零序电流为d处流过零序电流为

2.3 主变35 kV侧发生单相接地故障

主变35 kV侧 (主变35 kV引出线与主变35 kV电流互感器之间)发生单相接地时，故障电流的流通路径如图3所示。

各处电流互感器流过的零序电流:a处无零序电流;b处A、B、C三相均流过故障电流，且方向相同，大小如图3所示，因此，b处电流互感器流过的零序电流为c处A、B、C三相均流过故障电流，且方向相同，大小同图3中母线流过的零序电流，因此，c处电流互感器流过零序电流为d处流过的零序电流为

图3 主变35 kV侧单相接地时故障电流流通路径

由此可见，a处电流互感器在35 kV出线单相接地故障时有零序电流流过，b处电流互感器在主变35 kV引出线与主变35 kV电流互感器之间单相接地故障时有零序电流流过，c处电流互感器在三处单相接地故障时都有零序电流流过，d处电流互感器处于接地点位置，发生35 kV系统单相接地故障时会流过零序电流。

对于35 kV母线单相接地故障，装设2套接地变零序电流保护 (零流保护2为零流保护1的近后备)，零序电流取自d处电流互感器。两套保护动作均跳接地变开关，并联跳主变35 kV开关。该保护为35 kV母线单相接地的主保护，也是35 kV出线单相接地的后备保护。

对于35 kV出线单相接地故障，装设2套出线零流保护 (零流保护2为零流保护1的近后备)，零序电流取自a处电流互感器。保护动作跳35 kV出线开关。同时接地变零流保护也是35 kV出线单相接地的后备保护，当35 kV出线单相接地时，出线零流保护先动作 (动作时间短)，跳出线开关。若保护或出线开关拒动，接地变零流保护动作，跳接地变开关，联跳主变35 kV开关，切除故障，但扩大停电范围。

对于主变35 kV侧 (主变35 kV引出线与主变35 kV电流互感器之间)发生单相接地故障，若仅仅依靠接地变零流保护动作，接地变及主变35 kV开关跳闸后故障未被切除，而且系统接地点消失(接地变跳闸)，系统变成不接地系统，不构成零序电流回路，非故障相对地电压升高，容易造成绝缘损坏，从而发展成为进一步故障。因此，需装设主变35 kV零流保护，零序电流取自b处电流互感器。保护动作跳主变各侧开关 (不联跳接地变开关)，且其保护动作时间快于接地变零流保护动作时间，避免接地变零流保护先动作使系统接地点消失。若主变35 kV零流保护拒动，则接地变零流保护动作，会发展成为进一步故障。

若接地变本体发生单相接地，只有d处电流互感器流过零序电流，靠接地变零流保护动作，跳接地变及主变35 kV开关，切除故障。

极端情况，若单相接地故障发生在主变35 kV电流互感器与主变35 kV开关之间，故障电流流通路径与故障发生在35 kV母线相同，此时接地变零流保护动作，跳接地变及主变35 kV开关，但故障未被切除，会发展成为进一步故障。

不将c处电流互感器零序电流引入零流保护的原因是，除接地变本体单相接地故障外，c、d两处电流互感器均流过零序电流，为避免保护重复安装及保护接地变本地单相接地，因此，只将d处电流互感器零序电流引入零流保护。

主变35 kV零流保护整定原则:保证保护范围内单相接地故障有足够的灵敏度;时间定值必须与下级零流保护的时间定值配合，且比接地变零流保护时间定值小Δt(一般为0.3～0.5 s)，为躲过相间故障时不平衡电流，还需要比主变35 kV过流保护时间定值大Δt。

接地变零流保护整定原则:零流保护1电流定值整定原则为保证保护范围内单相接地故障有足够的灵敏度，且与下级零流保护最后一阶段定值配合。零流保护2电流定值整定可参照零流保护1的整定原则，同时为保证高阻接地时的灵敏度，其电流定值要小于零流保护1的电流定值;零流保护1的时间定值必须与母线上除接地变以外所有设备 (包括主变)零流保护最后一阶段中最长时间定值配合。由于零流保护1、2动作所跳开关相同，无需时间级差配合，因此，零流保护1、2的时间定值相同。

3 接地变接在主变35 kV侧

3.1 35 kV出线发生单相接地故障

35 kV出线发生单相接地时，故障电流流通路径如图4所示。

各处电流互感器流过的零序电流:a处接地点故障相A相流过的故障电流为，B、C两相无故障电流流过，因此，a处电流互感器流过零序电流为b处A相流过的故障电流为，B、C两相无故障电流流过，所以b处电流互感器流过的零序电流为c处A、B、C三相均流过故障电流，且方向相同，大小如图4所示，因此，c处电流互感器流过的零序电流为d处流过的零序电流为

图4 35 kV出线单相接地时故障电流流通路径

3.2 35 kV母线发生单相接地故障

35 kV母线发生单相接地时，故障电流流通路径如图5所示。

图5 35 kV母线单相接地时故障电流流通路径

各处电流互感器流过的零序电流:a处无零序电流;b处A相流过的故障电流为，B、C 两相无故障电流流过，因此，b处电流互感器流过的零序电流为c处A、B、C三相均流过故障电流，且方向相同，大小如图5所示，因此，c处电流互感器流过的零序电流为d处流过的零序电流为

3.3 主变35 kV侧或接地变35 kV侧发生单相接地故障

主变35 kV侧 (主变35 kV引出线与主变35 kV电流互感器之间)或接地变35 kV侧发生单相接地时，故障电流流通路径如图6所示。

图6 主变35 kV侧单相接地时故障电流流通路径

各处电流互感器流过的零序电流:a处无零序电流;b处无零序电流;c处A、B、C三相均流过故障电流，且方向相同，大小如图6所示，因此，c处电流互感器流过的零序电流为d处流过零序电流为

通过分析可以看出，a处电流互感器在35 kV出线单相接地故障时有零序电流流过，b处电流互感器在主变35 kV侧或接地变35 kV侧单相接地故障时没有零序电流流过，c处电流互感器在三处单相接地故障时都有零序电流流过，d处电流互感器处于接地点位置，发生35 kV系统单相接地故障时都会流过零序电流。

35 kV出线单相接地故障，装设2套出线零流保护 (零流保护2为零流保护1的近后备)，零序电流取自a处电流互感器，保护动作跳35 kV出线开关。

35 kV母线单相接地故障，需要跳开主变35 kV开关切除故障。主变35 kV侧或接地变35 kV侧发生单相接地故障，需要跳开主变各侧开关切除故障。保护这两处单相故障，只需装设2套接地变零流保护，即接地变零流保护1、2，零序电流取自d处电流互感器。接地变零流保护1动作跳主变35 kV开关，接地变零流保护2动作跳主变各侧开关，零流保护1动作时间比零流保护2短。接地变零流保护1是35 kV母线单相接地的主保护，跳主变35 kV开关，同时又是35 kV出线单相接地的后备保护。主变35 kV侧或接地变35 kV侧单相接地时，接地变零流保护1先动作，跳主变35 kV开关，此时故障未被隔离，接地变零流保护2再动作，跳主变各侧开关，切除故障。接地变零流保护2也是接地变零流保护1的后备保护，若35 kV母线单相接地，接地变零流保护1或主变35 kV开关拒动，则接地变零流保护2动作，跳主变各侧开关，切除故障，但扩大了停电范围。

如果接地变本体发生单相接地，只有d处电流互感器流过零序电流，靠接地变零流保护1、2先后动作，跳主变35 kV各侧开关，切除故障。

如果单相接地故障发生在主变35 kV电流互感器与主变35 kV开关之间，仍靠接地变零流保护1、2先后动作，跳主变35 kV各侧开关，切除故障。

35 kV出线零流保护和接地变零流保护1、2可切除整个35 kV系统单相接地故障，因此，b、c处电流互感器的零序电流不需引入零流保护，以免保护重复。

接地变零流保护整定原则:保证保护范围内单相接地故障有足够的灵敏度，且与下级零流保护最后一阶段定值配合;零流保护1的时间定值必须与母线上除接地变外所有设备零流保护最后一阶段中最长时间定值配合，零流保护2的时间定值比零流保护1时间定值大Δt。

还有一种35 kV系统接线方式，即1台主变分送两段母线的方式 (变电站通常采用三主变六分段或两主变四分段接线方式)，接线方式如图7所示。

图7 1台主变送两段母线接线方式

为满足继电保护动作的选择性，需要哪段母线故障跳哪段母线主变开关 (如图7中35 kV一段母线单相接地，只需跳主变35 kV一段开关)，因此，需要装设主变35 kV零流保护Ⅰ段、零流保护Ⅱ段保护，零序电流分别取自Ⅰ、Ⅱ处电流互感器，作为35 kV一段、二段母线单相接地的主保护，保护动作时间比接地变零流保护1小Δt，确保其先动作，满足选择性。若主变35 kV零流保护Ⅰ段 (或Ⅱ段)保护拒动，则靠接地变零流保护1动作同时跳主变35 kV 2个开关，切除故障，但扩大了停电范围。

可以看出，接地变接在主变35 kV侧，无论单相接地故障发生在何处，都不会因失去接地点而发展成为进一步故障，因此，目前新投运的变电站广泛采用该接线方式。

4 事故分析

220 kV TB变电站接线图 (1号主变检修方式)如图8所示，接地变接在35 kV母线上。

事故前运行方式:1号主变停役检修，35 kV 1号接地变正一段母线热备用状态 (无工作)，2号主变送35 kV副母线，3号主变送35 kV正一、正二段母线 (35 kV正母分段合上)，35 kV 2号母联用双切。

图8 TB站在1号主变检修方式下的主接线

事故发生时35 kV母差保护动作，35 kV 2号接地变零流保护1动作、2号主变35 kV开关跳闸、35 kV 2号接地变开关跳闸、35 kV副母线失电。

根据保护动作情况作初步判断，35 kV母差保护动作，说明35 kV副母线回路设备有故障。35 kV 2号接地变零流保护1动作，2号主变零流保护未动作、高压开关未跳闸，说明2号主变无故障。经站内检查，发现35 kV 2号接地变开关电流互感器侧有明显故障，其他设备无异常。

事故处理:隔离故障的35 kV 2号接地变，停用35 kV 2号母联自切。故障后变电站内只有1台主变供电，不满足“N－1”原则，因此将无故障的2号主变送出，带35 kV 1号接地变运行。首先将35 kV副母线上所有出线开关均拉开，将35 kV 1号接地变冷倒至副母运行，2号主变充35 kV副母线，正常后将35 kV副母线出线逐一送出。由于2号主变带35 kV 1号接地变运行为不对应运行方式，因此，需继电保护做相应调整，并安排人员站内值班。

根据零流保护及其他保护动作情况，调度员迅速判断故障范围，找出故障设备并隔离后，将正常设备送出，恢复对用户的供电。

5 结束语

35 kV小电阻接地系统发生单相接地故障时，由于构成零序电流流通回路，单相接地故障电流很大，为不对设备造成损坏，需要快速切除故障，因此，零流保护对变压器中性点直接接地系统 (包括经小电阻接地)十分重要。通过对两种接地变接入方式零序保护配置的介绍，详细分析了35 kV系统各处单相接地故障时零流保护动作情况及各级零流保护相互配合关系。这些分析有利于帮助调度员及时正确处理电网中35 kV系统单相接地故障，根据零流保护动作情况迅速判断故障点，并加以隔离，快速恢复送电。

［1］ 何仰赞，温增银．电力系统分析 (第三版) ［M］．武汉:华中科技大学出版社，2002．

［2］ 国家电力调度通信中心．电力系统继电保护实用技术问答［M］．北京:中国电力出版社，2000．

［3］ 王海波，王宏伟，崔海文．电力系统继电保护［M］．北京:中国电力出版社，2010．

［4］ 国家电力调度通信中心．电网调度运行实用技术问答 (第二版)［M］．北京:中国电力出版社，2008．