一起110kV末端线路单相接地故障分析
国网巴中供电公司、武汉大学电气工程学院的研究人员胡泽文、刘涤尘，在2016年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，随着科技的发展，各种生产设备和生活电器对供电电源的可靠性要求越来越高，电网运行方式和保护配合问题得到重视。
本文结合一起110kV末端线路单相接地故障案例，运用MATLAB仿真工具，深入分析了110kV电网末端线路单相接地故障现象，对末端站的保护配合提出建议。
电网的安全、经济、可靠、稳定运行，靠坚强电网结构、合理安排运行方式、正确整定继电保护来实现[1]。目前我国110kV及以上的电网系统，通常采用中性点直接接地运行方式；110kV以下的系统通常不直接接地运行[2-4]。
110kV末端变电站将直接接地、不直接接地电网系统连接起来，过电压击穿未接地运行的变压器中性点间隙后，导致系统中性点接地方式改变，按正常运行方式整定的零序保护受到干扰，线路故障造成主变停电，平行线路停电的现象屡有发生[5-7]；由于部分110kV末端变电站还同时与主电源和小电源相接，主变压器误停，将直接造成不必要的负荷损失[8]。
如何使这类变电站的继电保护更好适应运行方式的特点，提高供电可靠性，是本文的研究重点。
本文介绍了一起110kV末端线路单相接地故障案例，运用MATLAB软件建立了末端电网简化模型，通过仿真分析证明了故障电压可能击穿末端变压器中性点间隙，这将对按正常运行方式整定的零序电流保护选择性造成影响。文章还针对案例中末端变电站零序保护整定的问题提出了解决方案。
1 故障过程及原因分析
1.1 电网结构
图1 电网接线示意图
如图1所示的电网接线示意图，是一种典型的110kV电网末端网络，该接线形式在县级电网中普遍存在。甲站为220kV变电站，与主网相接，变压器T1 220kV侧、110kV侧中性点直接接地；乙站为110kV变电站，110kV线路L1、L5将该变电站与甲变和系统其它变电站相连，正常运行时线路L5热备用；丙站为末端站，经线路L2与主网相连；变压器T2、T3高压侧（110kV）中性点经间隙接地。
1.2 动作过程
08月04日06时54分31秒782ms（故障后317ms），乙站L2线路保护距离保护Ⅱ段、零序过流Ⅱ段动作，出口跳闸成功；故障测距31.9km，零序电流7.83A（电流互感器变比600/5）。54分32秒838ms，乙站L2线路开关重合闸动作，合闸成功。故障报告及波形如图2所示。
图2 乙站故障录波报告
丙站T3变零序电流Ⅰ段在故障后327ms出口跳三侧开关，全站失电;变压器保护测得零序电流16.32A（电流互感器变比300/5），零序电压19.33V。故障波形如图3所示。
图3 丙站故障录波报告
1.3 故障原因分析
分析图2可以发现，故障后，乙站L2线路保护测量点测得零序电流（7.83A）和零序电压，A、C相电压略降，B相电压降至约正常值一半；A、C相电流相序、幅值相近，B相电流幅值约为A、C相电流幅值4倍，相序与A、C相相反。该故障波形与大电流接地系统单电源线路单相接地故障电源侧电流、电压波形相吻合，可初步判断为B相单相瞬时接地故障。
分析图3可以发现，故障后，丙站L2线路保护测量点测得零序电流（16.323A）和零序电压，A、B、C三相电流相序、幅值相近。该故障波形与大电流接地系统单电源线路单相接地故障负荷侧电流、电压波形相吻合，可判断为B相单相瞬时接地故障。并且，折算到一次侧后乙站、丙站零序电流值相近，这也从侧面证明上述故障原因推断正确。
综上，本次故障因L2线路B相单相瞬时接地造成，乙站保护判断正确。虽然丙站线路保护未动作，但是丙站T3高压侧中性点经间隙接地却产生了零序电流。
2 动作过程仿真与分析
2.1 仿真模型
为便于验证故障原因是否确为L2线路B相单相瞬时接地，并分析零序电流的产生原因，对案例电网结构简化，并运用MATLABSimPowerSystems模块建立系统仿真模型如图4所示。
图4 末端电网仿真电路
2.2 事故仿真
正常运行时，末端变T3高压侧中性点间隙接地。因此在仿真时将T3变高压侧设为Yn接线，不直接接地，用事故模块Fault模拟系统在0.05s时发生B相单相接地短路。电源侧、负荷侧母线电流、电压仿真波形如图5、图6所示。仿真显示，在电源侧，B相（故障相）电压大幅下降，同时产生故障电流；A、C相电压基本不变，也无故障电流。
在负荷侧，B相电压、电流都降低接近0；A、C相电压不变，也无故障电流。该仿真结果与实际故障波形图2、图3相去甚远，尤其是在线路末端未发现零序分量。因此，可以推断，图1线路L2单相接地故障时，在线路末端丙站出现的零序分量是由于故障电压击穿了末端变T3中性点间隙造成的。
图5 末端变中性点不接地运行时线路首端电压、电流波形
图6 末端变中性点不接地运行时线路末端端电压、电流波形
针对上述仿真分析结果，将T3变高压侧设为Yg接线，直接接地，再次模拟系统在0.05s时发生B相单相接地短路，得到电源侧、负荷侧母线电流、电压仿真波形如图7、图8所示。该故障波形与图2、图3基本吻合。
图7 末端变中性点直接接地运行时线路首端电压、电流波形
图8 末端变中性点直接接地运行时线路末端电压、电流波形
综合两次仿真结果，可以得出以下结论：本文所述故障是由于L2线路B相单相瞬时接地引起；该接地故障还导致末端变T3中性点对地电压升高，接近相电压，击穿中性点间隙，致使线路末端出现零序分量。
2.3 丙站保护动作过程分析
事故前，丙站L2线路无出线开关，线路保护动作跳主变开关；L2线路保护零序电流、接地距离Ⅰ段退出运行，接地距离Ⅱ段整定定值2.8Ω、动作时间0.5s;该站主变高后备保护零序电流Ⅰ段定值1.5A(电流互感器变比300/5)，1时限退出运行、2时限动作时间0.3s，间隙零序电流定值4A(电流互感器变比100/5)、动作时间0.5s;间隙零序电压定值180V、动作时间0.5s。
故障时，主变保护测得零序电流16.32A，零序电压19.33V。结合定值整定情况分析，主变高后备零序电流Ⅰ段保护出口跳闸、间隙零序电流保护启动正确；线路零序电流退出不动作，接地距离Ⅱ段因出口整定时间比主变高后备零序电流Ⅰ段长未出口跳闸。最终造成线路保护拒动、由主变后备保护动作跳闸的结果。
3 措施和建议
一些110kV末端站中低压侧往往接入小电源，直接向负荷供电。为提高继电保护选择性，并减小停电范围，提高供电可靠性，笔者认为，未直接接地运行的末端站零序保护整定应注意以下两点：
(1)对于中性点直接接地电网系统，即使末端站主变未直接接地运行，其线路零序保护也应投入，并建议按主变接地运行方式进行整定。以确保系统发生故障时击穿主变中性点后，由线路零序保护动作切除故障，避免由主变保护动作切除故障导致停电范围扩大；
(2)优化末端站主变零序电压保护、间隙电流保护和零序电流保护，将零序电压与电流保护分开整定、配置。变压器零序电压保护作为防止中性点对地电压升高造成设备损坏的主保护并据此整定动作值和动作时间；而变压器间隙电流保护和零序电流保护考虑作为变压器本体、母线和线路接地故障的后备保护，其范围、尤其是动作时间须配合相关线路保护进行整定，以确保选择性。
4 结论
本文介绍了一起末端110kV线路单相接地故障案例，深入分析了线路两端保护动作原因和过程；并结合案例运用MATLAB软件建立了末端电网通用模型，对末端变中性点经间隙接地、直接接地两种不同运行方式下线路发生单相接地故障进行了仿真分析，得出了以下结论：
(1)末端站只有在其变压器中性点接地时，系统单相接地故障才会出现零序分量；
(2)工程实际中，系统发生单相接地故障导致未接地运行的末端变中性点对地电压升高，可能击穿中性点间隙，产生零序分量。在整定末端站线路、主变零序保护时应考虑到这一因素，使其优化配合。