农网配电开关零序电流采集异常分析及零序保护整定计算方法应用

2022-06-28刘瑞贵宋先琴伍继红

农村电气化 2022年6期

刘瑞贵，宋先琴，伍继红，陈东，邹力

（贵州电网有限责任公司安顺供电局，贵州平坝 561000）

为保障10 kV 配电线路安全运行，快速隔离用户设备故障，平坝电网要求凡新增的10 kV 高压用户，应在产权分界处安装带配电自动化终端的分界开关设备。要求安装的分界开关和终端设备应具备自动隔离用户侧相间短路、自动切除用户侧接地故障的功能，以达到隔离用户故障，缩小停电范围的目的。本文针对一起客户产权分界开关FTU零序电流采样异常进行分析及零序电流保护整定计算的实例应用分析。

1 零序电流异常现象

2021 年03 月24 日，我局配电班人员在客户分界开关日常巡视过程中，发现齐佰矿山支线81#杆处FDR-310 分界开关控制器显示零序电流值异常（一次值：Ia=63.8 A、Ib=63.5 A、Ic=180.6 A、Io=238 A），ABC 三相电流不对称，零序电流偏大，直接影响设备安全可靠运行，可能由采样异常引起保护定值执行不正确，有保护误动跳闸引起停运的风险，将造成用电客户的直接经济损失。

2 零序电流异常分析

2.1 设备配置情况

齐佰矿山总装机容量2×630 kVA配电变压器2台，负荷主要是三相电机感性负载。配置的ZW32-12型户外高压柱上真空断路器：额定开断电流25 kA、额定电流630A，TA变比600/5、400/5、200/5 3种。采用FDR-310 分界开关控制器，配置三段式过电流保护、三次重合闸、零序电流保护、带短信告警等功能，零序电流采集采用ABC三相合成零序计算方式。

2.2 三相电流采样值不平衡分析

现场检查发现FDR-310 型分界开关控制器的一次电流采集值分别为：IA=63.8 A、IB=63.5 A、IC=180.6 A、I0=238 A，其中C相电流值180.6 A是其他A、B两相的3倍，初步判断C相电流互感器电流变比错误。

查出厂说明书ABC三相TA电流变比都是600/5（出厂值），二次额定电流5 A，即每相TA变比K=600/5=120，将采集的一次电流值都归算到二次侧电流值得：IA=63.8/120 ≈ 0.5A、IB=63.5/120 ≈ 0.5 A、IC=180.6/120 ≈ 1.5A。

该矿山的用电负荷90%以上全部是三相动力负载，可按三相负载对称情况计算分析。以A、C 相二次电流值折算的等比关系推算出C相实际变比K′。

已知：二次电流IA=0.5A、IC=1.5 A，TA变比K=600/5=120，求C相TA变比K'。

由上式可知：C 相TA变比K'=40，实际变比应为200/5，变比错误是引起C相电流采样数值偏大的主要原因。

2.2.1 TA变比改接后三相电流平衡出现零序电流

为了解决C 相电流采样数值偏大问题，配电班人员办理工作票后，停运该矿山支线分界开关进行检查改接线，现场发现C 相TA实际所接变比为200/5与理论计算分析结果一致，其余A、B相TA变比接600/5 与出厂值相符，可以确定该分界开关出厂时，厂家人员将C相TA变比接错，是导致C相电流采样数值偏大的主要原因。现场将C 相TA变比改接成600/5 后，ABC 三相电流采样平衡（IA=32.1A、IB=32.2 A、IC=31.4 A、I0=62.5A）。从图1 看出：改接C相TA变比后，虽然A、B、C三相电流平衡，但是出现了较大的零序电流“3I0=62.5A”，直接影响保护整定。零序电流3I0偏大原因，可能是该分界开关本体TA接线还存在问题。为此，笔者搜集现场的大量数据进行以下分析论证。

图1 现场C相TA变比改接

2.2.2 三相电流不对称时确定TA反极性相别

笔者查阅了该分界开关FDR-310控制器说明书，得知零序电流3I0是采用软件“合成零序”的计算方法，即3I0=IA+IB+IC计算公式。而且该分界开关FDR-310 控制器无“电流相位角”调阅功能，各相电流回路极性的正确性不能直观准确判断，给现场分析带来极大的难度。为此，现场了解了该矿山90%以上的用电负荷都是三相动力负荷，而且从电流数值上来看三相负载平衡对称，而且在投运时供电部门对该分界开关的进、出线相序进行核相为正序相序，从上面第一手资料的掌握，可初步判断某相TA极性反极性引起“零序电流”偏大，并根据未改C 相TA变比前的电流采集数值“IA=63.8A∠0°、IB=63.5 A∠240°、IC=180.6 A∠120°”进行理论推算（A、B、C三相电流取正序角度），计算出各相反极性时零序电流3I0数值与装置实采3I0（238 A）数值进行比较确定反极性TA相别。

假设A相TA反极，即：

图2 A相TA反极性时3I0相量图

假设B相TA反极性，即：

图3 B相TV反极性时3I0相量图

假设C相TA反极性，即：

由图4 计算结果可知：在三相电流不对称的情况下，以“C 相反极性”理论计算出的合成零序电流值与装置采集3I0（238 A）数值基本相符，可以判断C 相TA反极性，是引起零序电流3I0偏大的主要原因。现场打开分界开关电流端子盒，发现A、B、C 三相电流回路只引出首端IA、IB、IC二次线，三相电流回路N 端二次线全部并接在分界开关本体内部，无专用工具暂时不能处理，且该分界开关在保修期内，待返厂维修，如图5所示。

图4 C相TA反极性时3I0相量图

图5 A、B、C三相电流回路N相内部已并接

3 合成零序电流与独立零序电流区别

所谓的“独立零序电流”就是将A、B、C三相TA二次绕组首、尾端并接后，在电流回路的中性线N上穿上一个零序小TA所采集的零序电流。合成零序电流则是利用A、B、C三相电流有效值进行相加计算所得的零序电流。二者有明显的区别。

在中性点不接小电流系统中，发生单相接地时，实际上故障相电流就是非故障相电容电流之和，我们把这种故障相电流俗称为“零序电流”其故障时的幅值很小，在零序电流保护中非常难以整定计算，特别是“合成零序电流”保护整定计算更加困难，有可能三相电力负荷不平衡会产生较大的“零序电流”引起误动，运行可靠性非常差易误动，该类保护已被淘汰不能作为零序保护投入使用。其原理只作为三相电力负荷的“不平衡电流”保护、零序电流方向元件、零序保护启动逻辑条件等使用。

目前，市场上主流的“零序电流”保护，均采用独立零序电流采集方法，选用小TA变比（20/1）精确度可以达到1%，能真实地反应小电流系统接地时的零序电流（即电容电流）大小，有利于零序电流保护整定计算，确保正确动作率，可有效提高供电可靠性。笔者在安顺供电局选取了接地故障率非常高的10 kV 乐大线线路，作为验证“独立零序电流保护”正确动作率的试点，并在100 号杆处安装FTU 及分界开关，掌握线路参数后，进行了零序电流保护整定计算，零序电流一次值整定1 A，如表1所示。2020 年3—6 月期间，发生了4 次接地故障，所有故障正确切除，避免了调度全线段拉闸停电，供电可靠性得到大幅提升。动作实例如下。

2020 年 3 月 21 日，10 kV 乐大线 100 号杆后段“新河支线2号杆”处发生A相接地故障，独立零序保护正确动作切除故障点，故障电流2.3 A。故障点如图6所示。

图6 10 kV乐大线100#杆后段新河支线2号杆处故障点

2020 年 6 月 13 日，10 kV 乐大线 100 号杆后段“桃花支线71 号杆”处发生C 相接地故障，独立零序保护正确动作切除故障点，故障电流1.5A。故障点如图7所示。

图7 10 kV乐大线100#杆后段桃花支线71号杆故障点

2020 年 6 月 15 日，10 kV 乐大线 100 号杆后段“大尧支线1号杆”处发生B相接地故障，独立零序保护正确动作切除故障点，故障电流1.9 A。故障点如图8所示。

图8 10 kV乐大线100#杆后段大尧支线1号杆故障点

2020 年 6 月 15 日，10 kV 乐大线 100 号杆后段“大尧配变”高压侧C相避雷器接地故障，独立零序保护正确动作切除故障点，故障电流1.6 A。故障点如图9所示。

图9 大尧配变高压侧C相避雷器接地故障

通过上述动作实例分析，不难看出“零序电流保护整定计算方法”是可行的，能确保切除单相接地故障正确动作率达100%。验证期间遇雷雨、大雾、阴雨等天气未发生误动情况。

4 存在的问题

该矿山分界开关属于电旧设备，其功能过于落后，达不到南方电网公司的《10 kV 柱上真空断路器成套设备技术规范书》相关要求，也不能满足现阶段平坝供电局配网自动化系统的运行要求。具体如下：

未采用“独立零序TA”配置，只配置“合成零序保护”整定误差相当大，而且合成计算出的“零序电流”随负荷电流变化较大，配网人员只是凭借经验整定定值，特别是短线路的零序电流定值整定更加困难，经常发生保护误动、拒动现象，直接降低全线路供电可靠性；

交流工频输入量（电流、电压）基本误差较大，不能满足运行要求，直接影响保护动作的可靠性、准确性，也有误动、拒动的风险，保护定值执行非常困难；

不能实现与配电网自动化设备通信要求。

5 采取的措施

为了确保该矿山人身和设备安全及提高供电线路供电可靠性，由客户服务中心制定合理的供用电管理办法，与用户签订供用电合同时，将南方电网《10 kV柱上真空断路器成套设备技术规范书》相关要求列入其中，安装符合技术要求的分界开关成套设备，完全能接入配电自动化系统中，满足运行要求。安顺供电局将对客户的产权设备上网进行常态化模式管理，对不满足配电自动化系统运行要求的设备一律禁用，同时清理不合格的客户产权设备，重新配置符合技术要求的自动化设备，确保安全、可靠接入到配电自动化系统中。

6 结束语

综上所述，合成零序电流保护应用在小电流不接地系统中“零序电流”的采集是根据ABC三相负荷电流合成计算得出的，误差值非常大，可能任一相负荷电流变化时，将引起较大的不平衡电流，容易引起零序电流保护误动，造成井下停电危及人身和设备的安全。如果取消该零序保护功能，当发生单相接地故障时，分界开关不能及时切除接地故障，井下的工作环境非常潮湿，工作人员也容易发生人身触电，直接危及人身安全。调度员可根据相关调度运行规定将全线路拉闸停电，将造成大面积停电，供电可靠性将大大降低。为此，笔者查阅大量的关于小电流系统“零序电流保护”整定方法资料，并通过实践论证，最终找出图10中的最佳“零序电流保护”整定计算方法，彻底解决了“零序电流保护”整定困难的棘手问题。