一起线路高阻接地故障引起的主变越级跳闸事故分析

尹超勇，徐浩，许立强，李辉

(国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

0 引言

单相接地故障是电力系统中常见的故障[1-8]，当输电线路发生单相高阻接地故障时，由于电压降低，三相线间电压依然几乎对称，同时故障电流一般较小，零序电流也较小[9-10]。若线路长时间带高阻接地故障运行，可能导致相间绝缘击穿，最终转化为相间故障，故障范围扩大。由于高阻接地故障特征量不明显，因而保护的启动和动作困难，影响保护动作的灵敏性，给保护二次分析与故障查找带来极大困难[11-13]。对此，分析了一起典型的110 kV电网高阻接地故障，其故障过程中的故障电流特征和保护动作行为为高阻接地故障分析研究和保护装置算法设计提供参考[14-15]。

1 事故简述

2018年某220 kV变电站某110 kVⅡ母一条出线发生高阻接地故障，该线路保护距离因不满足条件未动作，由于故障电流周期性间断增大的原因零序保护也未动作。随后，该线路再次发生单相接地故障，故障电流逐渐增大，其主保护距离、零序保护不满足动作条件未动作，而位于110 kVⅠ母3号主变压器的中压侧零序方向过流保护(Ⅰ段)满足条件动作，跳开母联断路器，但故障未切除。随后该变电站对侧110 kV线路零序保护(Ⅳ段)动作，但故障仍未切除，最终110 kVⅡ母线上的4号主变压器间隙零压保护动作，跳开其三侧断路器，切除故障。此次故障持续时间长、保护动作过程复杂、影响范围大，暴露出在线路发生高阻接地故障时，距离保护和零序保护灵敏度低、零序定值整定难以适用系统复杂的运行方式，以及其保护装置中算法、定值的缺陷导致保护不能正确反映故障和越级跳闸等问题。

2 保护动作行为及原因分析

如图1所示，该变电站拥有220 kV主变压器两台，运行方式为并列运行，其中3号主变压器两侧中性点接地，4号主变压器两侧中性点不接地。3号主变压器中压侧530断路器运行于110 kVⅠ母，4号主变压器中压侧540断路器运行于110 kVⅡ母，110 kV母联500断路器处于运行状态，线路L1空载运行，L2与该变电站对侧110 kV 1号主变压器连接，其中性点接地运行。

图1 故障前系统运行方式

此次高阻接地故障持续时间长，两次故障过程中，故障电流特点和保护动作都存在较大差异，下面分析在每次故障过程中保护的动作行为和原因。

2.1 非稳定性高阻接地中保护动作行为分析

线路L1首次发生A相高阻接地故障时，线路L1录波波形如图2所示，从图中可以发现，A相电流周期性的振荡增大，且变化周期逐渐增大。此次故障过程中线路保护装置未动作，且装置发出TA断线告警信息。

图2 非稳定性高阻故障时线路L1录波波形

2.1.1 线路L1距离保护分析

如图2所示，故障时A相接地阻抗(Zφ=Uφ/(Iφ+k×3I0))最小阻抗值为13.92Ω左右(如图3所示)，没有达到距离保护动作定值(接地距离Ⅲ段阻抗定值13Ω)，因此距离保护不动作。

图3 故障时三相接地阻抗值

2.1.2 线路L1零序保护分析

在故障初始阶段，线路L1故障电流周期性的不连续，使得故障零序电流未能持续满足零序保护Ⅳ段定值(1.25 A，3.3 s)，当故障零序电流低于返回电流0.4Iset，且时间超过一个工频周期20 ms时，保护重新计时，因而线路零序保护未动作。

由于故障电流周期振荡，造成线路保护装置发出TA断线告警信号，闭锁了相关零序电流保护。线路保护TA断线判据为零序电流3I0大于装置的TA断线判据零序电流门槛值，并持续12 s后报“TA断线异常”告警并且闭锁有关零序各段保护，TA断线计时采用正负累积方式(零序电流升高至超过零序电流门槛值时累计时间为正，降低至低于返回电流时累计时间为负)。根据录波分析，故障发生后18 s左右TA断线累计时间达到12 s，装置发出TA断线告警并闭锁了保护。

2.2 稳定性高阻接地故障中保护动作行为分析

线路L1再次出现A相高阻接地时，此时故障电流缓慢增大，此次故障过程线路L1保护未动作，但导致线路L1相关后备保护动作。整个过程的录波图如图4所示，故障过程中3号主变压器中压侧零序过流Ⅰ段、对侧线路L2零序保护和4号主变压器间隙保护先后分别动作，但线路L1保护仍然未动作，下面分别分析各个保护动作行为和原因。

2.2.1 本侧线路L1保护动作行为分析

如图4所示，故障开始阶段，A、B、C三相接地阻抗(Zφ=Uφ/(Iφ+k×3I0))最小值分别为24.31Ω、53.17Ω、56.27Ω(如图5所示)，未达到距离保护动作定值，因此距离保护不会动作。

图4 稳定性高阻故障时线路L1录波波形

图5 故障时三相接地阻抗值

线路L1的A相再次出现故障电流并缓慢增大，线路保护装置内部录波如图6所示。可以看出，至3号主变压器跳闸前，尽管线路保护零序电流已经满足其定值，但线路保护装置自产3U0最大不超过1 V，不满足线路保护装置零序功率方向元件开放条件(当零序电压3U0门槛值低于2 V，零序相关保护闭锁)。因此，线路零序保护仍没有动作。

图6 线路L1保护装置内部录波形

2.2.2 本侧3号主变压器保护动作行为分析

由系统故障前运行方式可知线路L1发生A相高阻接地时，零序电流的路径如图7所示。

由于110 kV线路L2对侧的系统中性接地点与L1线路故障点之间的电气距离远小于3号主变压器中性接地点与L1故障点之间的电气距离，因此在此阶段L2线路的故障零序电流均很小，线路L2零序保护在此阶段未动作，而3号主变压器中压零序过流保护动作。

图7 故障后系统中零序电流路径

本侧3号主变压器中压侧录波波形如图8所示，随着故障的发展，主变压器中压侧零序电流缓慢增大，直至大于3号主变压器中压侧零序方向过流Ⅰ段动作定值(1.38 A，3.6 s)，保护装置自产零序电压为3.1 V左右，满足正方向条件(3号主变压器中压侧零序方向过流的零序电压门槛值3U0=0.8 V)，3.6 s后保护正确动作出口，跳开500断路器。

图8 本侧3号主变中压侧录波波形

2.2.3 对侧线路L2保护动作行为分析

当母联500断开后，系统中的零序电流路径如图9所示，此时零序电流全部转移到线路L2上。

图9 母联500断开后系统中零序电流路径

从图10中录波可以看出，此时110 kV对侧L2线路故障零序电流值3I0=2.29 A，满足线路零序过流Ⅳ段定值(1.0 A，1.8 s)，跳开516断路器。

图10 对侧L2线路录波波形

2.2.4 本侧4号主变压器保护动作行为分析

当对侧线路L2保护跳开516断路器后，220 kV本侧4号主变压器110 kVⅡ母零序网络失去所有中性点接地，4号主变压器中压侧零序电压录波如图11所示。

图11 本侧4号主变压器录波波形

由录波图可以发现，线路L2断开后，4号主变压器零序电压3U0电压增至214 V左右。因此，线路L2断开约4 s后，4号主变压器间隙零压保护(定值:180 V，4 s)动作出口，跳开主变压器三侧断路器。

3 结论

1)无论在稳定性高阻接地过程中，还是非稳定性高阻接地过程中，接地距离保护都可能拒动，其选择性、灵敏性都难以实际满足要求。

2)线路L1在发生非稳定性高阻接地故障过程中，由于线路距离保护达不到定值未动作、线路零序保护故障电流出现间断非稳定周期性增大，导致在一个周期内无法满足零序保护整定计时，造成保护在故障初始阶段未动作。而且故障电流的周期性间断的特点造成零序保护闭锁，使得零序保护在故障中后期也未动作。

3)线路L1在发生稳定性高阻接地故障过程中，零序电流不仅满足线路L2零序保护Ⅳ段定值，还满足3号主变压器中压侧零序过流保护Ⅰ段定值，但零序电压(装置固定，无法整定)只满足3号主变压器中压侧零序电压定值，未达到线路L2零序电压定值，闭锁了线路零序Ⅳ段保护，所以导致3号主变压器越级跳闸。