中压电阻接地系统零序保护动作行为分析

苏国友，袁军芳

（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山 243000）

前言

某特大型钢铁企业于2005 年5 月开工建设了一套年产500万t规模的炼钢项目，主要产线有：2座7.63 m 70 孔焦炉及干熄焦装置，2 台360 m2烧结机，2 座3 600 m3高炉，2 座300 t 转炉及配套LF 精炼炉、连铸机；1 条2 250 mm 热连轧线；1 条2 130 mm 酸洗冷连轧线、2 条热镀锌线；2 台4 万m3/h 制氧机及配套的其他公辅设施等。

为提高电能自给率，配套1台153 MW燃气—蒸汽联合循环发电机组，全部项目于2007 年9 月竣工投入运行。为此，配套建设了1 座220 kV 变电所、6座110 kV 变电所和1 座高炉风机站，1 座自备电厂，供上述炼焦、烧结、炼铁、炼钢和轧钢及其他公辅负荷。除热轧主传动负荷外，各产线均以10 kV 电压等级配电，同时考虑整个配电系统全部采用了电缆线路，为快速切除系统单相接地故障，各10 kV 配电系统均采用了电阻接地方式，设计接地电流为100 A。中压系统选用了5 家保护厂家的产品，目前，10 kV 配电系统运行基本稳定。

1 某炼钢厂事故情况

2018 年1 月12 日3:50 和2018 年9 月11 日21:40，某炼钢厂总降变电所供除尘开关站10 kV Ⅱ段母线的出线开关柜零序Ⅱ段保护2 次动作跳闸，造成除尘开关站Ⅱ段母线失电，影响1#转炉、2#转炉、3#转炉、渣处理生产线和炼钢区域的主要除尘风机。经检查，故障点均是由于除尘开关站一出线柜电缆绝缘被破坏导致系统单相接地，但该柜的零序保护未动作，造成上级总降变电所出线柜的零序保护越级动作跳闸。2 次事故后，炼钢厂均安排了对除尘开关站故障馈线柜保护装置的零序保护进行了检验，结果表明保护装置动作及显示均正常，并在第一次故障后更新了同型号的保护装置。

2 某炼铁厂事故情况

2018 年9 月18 日4:57，某炼铁总降变电所一开关零序Ⅰ段保护动作开关跳闸，保护装置显示动作值为：121.12 A、0.505 s（整定值：70 A、0.5 s），炼铁厂高炉槽下10 kVⅠ段母线失电。后经检查，未发现明显的故障点，于6:06 将总降变电所跳闸开关恢复运行，高炉槽下10 kV Ⅰ母送电正常，系统恢复运行。

10:55，炼铁厂总降变电所同一开关零序Ⅰ段保护动作再次跳闸，保护装置显示动作值为121.44 A、0.507 s。高炉槽下10 kV Ⅰ段母线再次失电。11:26，检查总降变电所开关出线电缆正常，并对高炉槽下10 kV Ⅰ段母线进行耐压试验。为维持生产，高炉槽下高配室供电的下一级转底炉高配室单回路带全所运行。

12:37，炼铁厂降变电所EMS 发10 kV Ⅱ段PT保护动作、2#主变低后备保护装置运行告警，10 kVⅡ段PT 消谐装置告警等信息。经现场检查，有5 台出线柜发出保护启动信息。经询问得知高炉槽下供电的转底炉高配室1 台电机烧坏，其高压开关速断保护动作跳闸，初步判断事故原因为该电机相间短路所致。

高炉槽下高配10 kV Ⅰ段母线耐压试验合格后，13:25，恢复高炉槽下10 kV Ⅰ段母线送电运行。

后经分析，转底炉高配室电机发生了单相接地，其本柜及槽下出线柜的零序保护均未可靠动作，越两级导致炼铁总降变电所出线柜零序保护动作跳闸。

3 事故原因分析

3.1 零序电流互感器特性分析

针对炼钢和炼铁总降变电所4次零序保护越级跳闸事故，结合系统保护配置情况，即下级高配室配置的都是同一厂家的保护装置，炼钢总降变电所和炼铁总降变电所出线柜配置的均是国内某厂家的保护装置。虽然事故后检验下级故障出线柜保护装置的零序保护动作及显示正常，但在事故时却均不能正常动作，初步判断该系列保护装置本身存在某种缺陷。后综合分析该系列装置配置了3 A/3.53 V 零序电流传感器。当输入的零序电流大于3 A时，装置的零序电流传感器即进入饱和区或负斜率区，即随着输入电流的增加，零序电流传感器的输出电流反而越来越小，不能够反映真实的外部事故电流值，导致零序保护拒动。该保护装置的零序电流传感器测试数据如表1所列。

表1 零序电流传感器测试结果 单位：A

从上述炼铁总降变电所故障跳闸信息可知，其系统故障零序电流达120 A，对于转底炉高配室故障电机（CT0=100/5，定值10 A，0.1 s）和槽下出线柜（CT0=100/5，定值30 A，0.3 s）的保护而言，输入到保护装置零序传感器的零序电流达6 A，结合上述测试结果，保护装置感应到的零序电流仅仅只有0.24 A，远远小于两装置的整定值0.5 A 和1.5 A，保护不会动作出口。

上述零序传感器的特性充分说明了在大电流时，传感器已达到严重饱和状态，完全失去了应有的功能，从而导致故障设备的供电柜保护拒动，炼铁总降变电所出线柜保护越级跳闸。

但上述原因无法解释炼钢除尘开关站电缆单相接地时的保护动作情况。

3.2 其他因素的影响

根据炼钢总降变电所出线柜（定值70 A，0.5 s；35 A，0.9 s，实际跳闸时间达1.5 s）故障录波信息，其接地电流在2.1～2.7 A 之间波动，折合到一次电流（CT0=100/5）为42～74 A，但除尘开关站故障出线柜一次零序电流互感器的变比是150/5，其二次零序电流为1.4～2.47 A，根据上述保护装置零序传感器的特性，故障电流在保护装置的线性区（0～3 A）且大于二次定值为1 A，0.6 s 和2 A，0.3 s，但保护却未能动作跳闸。比较两处的接地电压和接地电流的波形，炼铁总降变电所系统为电动机绕组接地——近乎金属性接地，接地时的电压和电流都接近于正弦波，如图1。而炼钢总降变电所系统为电缆接地，接地时的电压和电流波形都畸变严重，如图2。

图1 炼铁系统单相接地时的电流电压波形图

图2 炼钢系统接地电流电压波形

随机抽取炼钢总降变电所接地时11 个时刻的零序电流值，并对其进行傅里叶分解，得到11 组频谱图，根据频谱图中各次谐波分量的比例，利用电能功率标准源模拟故障电流中的各次谐波分量，注入保护装置零序回路中，发现在第一组和第九组信号注入保护时，装置零序保护是不动作的。这两组与其他组不同的是，直流分量特别大。如图3。

图3 炼钢系统接地时某一时刻零序电流谐波分量

由此判断，由于直流分量的作用（加速磁路的饱和），加上该系列保护装置选用的零序传感器性能欠佳，最终导致在电缆发生不稳定的接地故障时，出现严重畸变的电压和电流波形，因包含了较大的直流分量，使其无法可靠地反映真实的故障电流数值，致使零序保护拒动，上级保护越级跳闸，切除故障。

4 问题处理

通过上述分析，高炉配电系统逐步使用其他厂家的保护装置更换了该类型的保护装置，炼钢配电系统则更换为同类型保护装置，但对零序电流输入回路进行了改进。目前运行都比较正常。

5 结论

（1）某些品牌保护装置的可靠性是存在一定问题的。由于该品牌保护装置制造厂技术力量有限，造成一些关键的元器件选型存在误区，在满足一定的条件下，存在保护拒动的可能性。

（2）对于电阻接地系统中的薄绝缘设备，如电动机，当发生接地时，往往是金属性接地，此时接地故障电流较大，可能会造成某些品牌保护装置的零序电流传感器进入饱和区，不能反映真实的接地故障电流，造成零序保护拒动。

（3）对于电阻接地系统中的厚绝缘设备，如电力电缆，存在一个不稳定的接地过程，造成电压、电流波形畸变严重，含有丰富的谐波成分，甚至较大的直流分量，造成性能欠佳的零序传感器无法真实反映一次故障电流，导致保护拒动。

（4）事故也反映了用户在保护装置订货时，对系统的接地方式不清晰，或不清楚系统的接地电流值，没有与保护装置供应商进行充分的交流，导致零序电流互感器和保护装置的元器件选择存在问题，不能满足系统接地故障时保护装置可靠动作的需求。