一起500kV变电站站用交流断路器剩余电流保护误动分析

黄 晨

（广东电网有限责任公司梅州供电局）

0 引言

变电站站用交流系统为站内运行的主变压器、断路器、端子箱等设备直接提供冷却、储能、驱潮、照明等电源，而且为变电站场地检修箱提供电源，满足现场作业人员的电气设备用电需求［1］。2022年10月，某500kV变电站380V站用交流馈线屏内场地检修箱供电断路器加装剩余电流保护。2022年11月，作业人员在场地检修箱使用试验仪器、角磨机等用电设备时，发生多次上级交流馈线屏断路器脱扣故障。变电站值班人员现场检查场地检修箱及站用交流屏内均无接地故障，现场测量交流馈线空开各相负荷电流并分析站用交流系统结构，发现站用交流系统存在N线重复接地且交流环网共用N线的问题，这将导致负荷正常用电时N线回路电流发生分流现象，剩余电流互感器无法监测完整负荷电流，最终导致上级交流馈线屏断路器剩余电流保护误动作。

1 站用交流系统概况

1.1 站用交流系统的组成部分及主要负荷类型

站用交流系统主要由站用变压器、ATS、380V交流母线、分段断路器、低压交流馈线屏、交流供电网络组成。站用交流系统还为站内直流充电屏提供交流电源，站用交流系统的安全稳定运行保障了站内直流系统的可靠运行［2］。

变电站交流系统主要负荷类型如下：

（1）场地动力负荷：电机储能、刀闸电机电源，加热电源等。

（2）场地检修箱：现场检修电源。

（3）继保室动力负荷：照明、风机、空调、事故照明等。

（4）继保室二次设备交流电源负荷：保护屏内的装置交流电源、计算机电源、打印机电源等。

（5）其他：通信、冷却装置、UPS、消防等电源。

1.2 站用交流系统接线方式

站用380V交流母线采用三相四线制，一般配置380VⅠ段交流母线与380VⅡ段交流母线，并在Ⅰ段、Ⅱ段交流母线之间装设分段断路器，正常运行时母线分列运行。站用变压器通过ATS装置分别对两段交流母线进行供电。

站用交流供电负荷配置原则：根据负荷均分和三相平衡的原则，变电站内设备分别与380VⅠ段、Ⅱ段交流母线相连。交流负荷分别采用双电源切换回路供电、冗余配置的单电源供电、非冗余配置的单电源供电的模式，具体如下。

双电源切换回路供电模式：用电设备的两路交流输入电源应分别接至380VⅠ段、Ⅱ段交流母线，配置交流电源自动切换装置。

冗余配置的单电源供电模式：用电设备通过两个低压交流馈线屏的断路器分别接入380VⅠ段、Ⅱ段交流母线，正常时为开环运行，既其中一侧低压交流馈线屏的断路器合上，另一侧低压馈线屏的交流断路器断开。

非冗余配置的单电源供电模式：根据负荷均分原则，用电设备分别通过不同的低压交流馈线屏断路器连接到不同的交流母线。

2 站用交流系统剩余电流保护

2.1 剩余电流保护意义

剩余电流保护是一种安全保护措施，用于保护人员免受电击伤害。在正常情况下，电流应该在电气系统的线路和设备内流动，但如果有漏电现象，电流会通过接地或其他路径流回到地面，从而形成剩余电流。剩余电流保护器（RCD）可以检测到这种剩余电流，并在出现问题时立即切断电源，以避免人员受到电击伤害。

这种保护措施尤其适用于多人用电的场所，如住宅、商业建筑、医院、学校等。在这些场所，人们往往会接触到许多电气设备和线路。剩余电流保护能够在用电设备故障时及时断电，确保人身安全。

此外，由于剩余电流保护器可以在电气设备出现问题时立即切断电源，因此还可以避免火灾等意外事故的发生。因此，剩余电流保护器是一项非常重要的电气安全保护措施，应得到广泛应用［3］。

2.2 剩余电流保护工作原理

剩余电流保护工作原理如图1所示，图中IA、IB、IC为流过负载的三相电流，IN为中性线电流。根据基尔霍夫电流定律，流入任意封闭面的电流有效值的相量之和等于零，则有：

图1 剩余电流保护装置工作原理图

正常情况下，三相电流的矢量和与N线上流过的电流大小相等、方向相反，相互抵消，此时安装在回路中的剩余电流互感器采集电流为0A。若线路绝缘发生劣化或其他原因导致电力设备产生对地电流，将导致N线流回的电流值不等于A、B、C三相电流之和，即通过剩余电流互感器的电流矢量和不等于零。剩余电流互感器铁心产生磁通，二次回路产生感应电压输出。此感应电压通过电子信号放大器在断路器分励脱扣器上产生电流。当接地故障电流达到保护动作值时，脱扣线圈中的电流足以推动脱扣器动作，使断路器脱扣，断开交流供电回路［4］。

2.3 站用交流馈线屏断路器剩余电流保护误动原因分析

某500kV变电站220kV区域检修电源箱交流环网原理如图2所示，220kV1号、2号检修电源箱电源来自交流馈线屏1或交流馈线屏2的馈线断路器，交流环网共用N线，N线有两处接地。

图2 220kV区域检修电源箱正常用电交流环网原理图

正常运行方式下，220kV场地检修箱交流馈线断路器1合上，220kV场地检修箱交流馈线断路器2断开。交流馈线屏1剩余电流互感器采集数据为IA、IB、IC、IN1。当220kV 1号检修电源箱接入560W 的角磨机正常用电时：

但由于交流环网共用N线，并且有两处N线接地，产生N线电流分流现象：

交流馈线屏1内剩余电流互感器采集的电流为：

采集的剩余电流值等于另一侧交流馈线屏2内经N线流入接地网的电流值IN2，不符合剩余电流保护采集电力设备产生故障对地电流的工作原理。现场通过钳形电流表测量交流馈线屏2内经N线流入接地网的电流值IN2，测量电流值约为0.76A，如图3所示，大于220kV场地检修箱交流馈线断路器1剩余电流保护动作定值0.5A，导致断路器脱扣。

图3 现场测量交流馈线屏2内经N线流入接地网的电流值IN2

当站用交流系统N线重复接地且交流环网共用N线时，将导致交流馈线断路器剩余电流保护频繁误动，影响场地检修电源箱正常用电。

这可能导致如下隐患：当场地检修电源箱无法正常取电时，作业人员可能会在未经变电站值班人员许可的情况下，从其余无剩余电流保护功能的交流电源取电，若作业用电设备有接地故障，存在发生站用变变低开关跳闸导致1段380V交流母线失压的风险。500kV变电站1段交流母线失压1h以下即为五级电力安全事件［5］。

3 改进措施

变电站通过剩余电流保护监测站内电气设备及电缆的绝缘情况存在两个问题：一是现有的国家和行业标准对N线重复接地要求不一致；二是现有技术标准没有明确规定交流环网是否应该共用N线或是N线是否应该与供电电源同时切断［2］。文献［3］中明确3极或4极断路器的运用，应保障中性线电流只能沿本回路途径返回正常供电电源。

若要将剩余电流保护功能运用于交流系统N线重复接地且交流环网共用N线的变电站，建议通过以下两种方式进行交流系统改造：①将交流系统N线改为单点接地；②将交流环网共N回路的3极断路器改为4极断路器，以保证供电电源仅从自身N线流回。以上两种方法均可保证交流断路器的剩余电流互感器监测到所有工作电流，避免工作电流流过不期望的路径。

通过装设4极断路器的方法去解决站用交流系统剩余电流保护误动问题存在一定的弊端：与使用3极断路器相比，4极断路器在N线上增加了断路器上下端进出线的固定接点和断路器内部的活动连接点，增大了接点虚接或断路器合闸不到位导致零线断开的风险。据GB／T 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》的要求：仅在配电屏处一点接地，后面的PEN或N线不再重复接地［4］。因此，更建议通过将变电站交流系统N线改为单点接地的方式完成改造，确保站用交流系统剩余电流保护有效，避免设备风险和人身伤害。

4 结束语

本文针对一起500kV变电站站用交流断路器剩余电流保护误动的事件进行研究，总结了变电站交流供电系统的主要负荷类型及接线方式，阐明了在站用交流系统N线重复接地且交流环网共用N线的条件下，交流馈线断路器剩余电流保护频繁误动的原因，并对站用交流系统N线改为单点接地或交流环网共N回路的3极断路器改为4极断路器的两种改造方案开展对比研究，结合现有技术规范，提出将交流系统N线改为单点接地的改造建议，以供参考。