（广东电网有限公司汕尾供电局）
1、事故过程
1.1概述
2017年6月16日2时59分，广东汕尾南塘变电站至头垳站的35kV线路（头南线）遭受雷击，致使南塘站头南线馈线保护装置CSC-211过流II段保护动作跳闸，头垳站内35kV母线的A相避雷器动作，正在运行的1#主变差动保护CSC-216GC动作跳闸，切除主变高低压侧断路器。
本分析报告主要针对头垳站主变差动保护动作情况进行详细分析。
故障时的系统图如图1-1所示。
图1-1 系统图
1.2头垳站保护动作情况
1）头垳站1#主变差动保护动作报文
0.00”保护启动
0.106”比率差动A相出口 Ida=2.616A （头垳站CSC-326GC保护）
0.110”比率差动B相出口 Idb=2.681A （头垳站CSC-326GC保护）
从动作报文可见，1#主变比率制动差动保护AB两相出口跳闸，动作时的差流约为2.6A。
2）头垳站1#主变差动保护装置故障录波
头垳站1#主变CSC-326GC差动保护装置的故障录波图如图1-2所示。录波显示故障时间为2017.6.16.02：59：015：99，跳闸时刻主变高压侧三相电流IA，IB，IC，主变低压侧三相电流Ia，Ib，Ic如表1-1所示。
图1-2 头垳站1#主变差动保护装置故障录波图
从1#主变CSC-326GC差动保护装置的录波图来看，主变高低压侧三相电流在故障发生后，均有不同程度的畸变，特别是高压侧B相电流畸变严重，直观来看，高低压侧A，B两相电流波形不一致，从而产生差流。故在保护启动后78ms，A，B两相进入差动保护动作区，此时ABC三相的二次谐波均较小，没有达到闭锁定值，故差动保护在落入动作区12ms后跳闸出口。
1.3 南塘站（上级站）保护动作情况
1）上级变电所南塘站头南线馈线保护装置的动作报文
0.320”过流II段保护动作 （头南线CSC-211保护）
38.938”重合闸动作 （头南线CSC-211保护，重合成功）
动作报文说明，馈线保护装置在保护启动后320ms动作跳闸，跳闸电流为24A，对应一次电流1920A。
2）南塘站头南线馈线保护装置故障录波
上级变电所南塘站头南线馈线保护装置的录波图如图1-3所示。
图1-3 南塘站头南线馈线保护装置故障录波图
从图1-3南塘站头南线CSC-211线路保护装置的故障录波图可见，Ia和Ib大小相等、相位相反，Ic很小，很明显是AB两相短路故障，故障电流约24A（24A*400/5=1920A），三相电压也符合AB两相短路特征。三相电流大约在350ms处变为零，过流保护II段动作跳闸切除了故障。
3）南塘站全站故障录波
南塘站全站故障录波如图1-4所示。
从南塘站全站故障录波可以清楚地看到，35kV的I段母线出现较高零序电压，约为52.386V。该零序电压一直持续到头南线过流II段保护动作，表明AB相接地故障是持续存在的。
图1-4 南塘站全站故障录波图
1.4 故障情况综述
从上述保护动作报文、各种故障录波、避雷器动作情况等，综合分析可以得出如下结论：
南塘变电站至头垳站的35kV线路（头南线）遭受雷击，头垳站内35kV母线的A相避雷器动作。雷击产生的过电压造成线路对地绝缘下降，致使A，B两相对地短路接地，35kV线路上零序电压较大，头南线A，B两相电流高达24A（1920A），超过了过流II段保护动作值。故障一直持续了约350ms，直到南塘站头南线馈线保护装置CSC-211过流II段保护动作跳闸切除故障。故障发生后，头垳站正在运行的1#主变高、低压侧电流波形畸变，特别是A，B两相电流波形不一致，从而产生差流。因此，头垳站1#主变差动保护在保护启动后78ms，A，B两相进入差动保护动作区，但由于二次谐波没有达到闭锁定值，故差动保护跳闸出口。
2、事故分析
按事故发生的时间顺序，可以将事故过程分为：故障前的正常运行、故障初期、故障中期、故障后期等几个子过程。每个子过程的故障表现都不一样，以下详细分析之。
2.1 事故前的正常运行
在t= -39ms～ -7ms 时间段，为故障前的正常运行状态。图2-1为录波图，其中白色竖条虚线左时间线，-39ms，红色竖条虚线为右时间线，-7ms。
图2-2为主变高低压侧电流的相量图。[1]，[2]，[3]为高压侧A，B，C相电流，[4]，[5]，[6]为低压侧A，B，C相电流。高压侧IA，IB，IC互相差120°，低压侧Ia，Ib，Ic互差120°，并滞后高压侧电流150°。
图2-1 故障前运行状态
图2-2 主变高低压侧电流相量图
图2-3 低压侧电流滞后高压侧电流150°示意图
图2-3为低压侧电流滞后高压侧电流150°的示意图。由于主变为Yd11接线，故低压侧电压超前高压侧电压30°，由于变压器绕向和标号的缘故，低压侧电流与低压侧电压方向是反的，因此，低压侧电流滞后高压侧电流150°是正确的。
表2-1为主变高低压侧电流。高压侧电流约为1A（40A），低压侧电流约为1.2A（147A）。
2.2 故障初始阶段
图2-4 故障初期（-6ms~-4ms）
如图2-4所示，故障初始时期，左右时间线分别为t= -6ms～ -4ms 的时间段。故障起始时刻为t= -6ms，持续约2ms。高压侧IB明显大于其他两相电流，IB最大瞬时值达到11.7A（一次电流）。三相电流之和不为零，如图2-5所示。
图2-5 故障初期高压侧三相电流及三相电流之和
图2-5中，3I0为三相电流之和，可见与IB几乎相同。由于一次系统为中性点不接地系统，不可能有这么大的零序电流，因此，该3I0实际上不是一次系统产生的零序电流，而是由高压侧三相电流求和得到的。这说明录波数据中的高压侧三相电流不是系统真实的一次电流的反映。
这是一种较为罕见的故障情况。如图2-6所示。
图2-6 故障初期故障示意图
故障起始于雷击。雷击瞬间产生超高的过电压，致使系统多点高阻接地（对地绝缘严重下降）。可以确定的是，雷击后的故障初始时刻，至少有不同相别的两点接地，如图2-6所示，A相的A1点和B相的B1点接地。
本次故障的特别之处在于：
1）头垳站的10kV母线带有小水电发电机组，并且并网运行。因此，短路故障时，是双侧电源系统，从系统侧和小电源侧分别向故障点提供短路电流。故图中左侧的故障电流是由系统提供的，而右侧的短路电流是由小水电机组提供的；
2）A1和B1两点的接地点有些特别。A1接地点在主变高压侧CT的外侧，属于区外，而B1接地点在主变高压侧CT的内侧，属于区内。因此有：
● 主变高压侧A相CT流过的短路电流是小水电提供的，因而较小。
● 主变高压侧B相CT流过的短路电流是系统提供的，因而较大。
● 主变高压侧C相电流是负荷电流。
● 主变高压侧A，B，C三相CT流过的电流不是同一个电源提供的电流。因此，CT的三相电流之和（图2-5中的3I0）不为零。但这个和电流并不是系统中实际流过的零序电流，它仅仅是CT三相电流之和而已。
根据上述分析，可以得出如下结论：
1）这一段故障持续的时间特别短，仅有2ms，然后就发生了故障转换（转换后的故障详见后续分析）。也就是说，A1，B1两点接地故障的持续时间仅有2ms。因此，高压侧B相电流远未达到稳态短路电流（根据南塘站的故障录波数据，稳态短路电流为24A，折合到一次为1920A。而高压侧B相电流的最大瞬时值仅有11.7A，折合到一次侧为468A）；
2）B相CT的电流为系统侧电源提供的，是A，B两相短路电流，即使由于时间仅有2ms，没有达到稳态短路电流幅值，但相比C相的负荷电流和A相的小水电电源提供的短路电流来说，仍然要大的多。
3）主变高压侧B相CT电流远大于另外两相电流，使得三相电流之和（3I0）不为零。但该3I0不是系统中实际的零序电流（系统中的实际零序电流非常小）。其产生的原因是B相CT流过的电流是系统侧电源提供的，而A，C两相电流是小水电发电机组提供的。因而A，B，C三相电流不是同一个电源所提供，故其三相电流之和不为零。由于B相电流远大于另外两相电流，因此，三相电流之和（图2-5中的3I0）与B相电流接近相等。
35kV小水电机组（8000kW）对于高压侧三相电流来说起到的作用仅仅是助增作用，对以上的分析不产生影响。在此忽略。
2.3 故障发展阶段
故障发展阶段从-3ms至29ms（见下图左右时间线）。
图2-7 故障发展阶段录波图
图2-8 故障发展阶段高压侧电流
故障发展阶段的高压侧ABC三相电流及三相电流之和（3I0）如图2-8所示。从图中可见：
1）IC相对比较稳定，变化较小，电流约为1.5A左右；
2）IA，IB幅值和相位均有一定程度上的变化，并且二者在大小和相位上都接近相等；
3）三相电流之和（3I0）在-5ms~13ms幅值相对较大，在10ms~26ms为零，在27ms~29ms突起，并且与IB接近相同；
从波形图上来看，故障发展阶段的各相电流波形及其特征，与故障初始阶段的波形完全不同。与初始阶段相比，本阶段变化最大的是B相电流，其未能维持初始阶段的高值，波形从高点急转直下，有效值降从11.7A降低到1.5A。这是由于发生了故障转换的原因造成的。分析如下：
图2-9 故障发展阶段系统故障示意图
雷击瞬间产生的过电压，可能会造成多点同时接地故障。在雷击后的前2ms，为A1，B1两点接地，故障特征如上一节故障初始阶段所述。2ms后，又有B相的B2点也接地了，如图2-9所示。此时的各相电流流向和B相CT的电流比较复杂，大致情况如下：
1）系统侧提供的B相短路电流IB（图中红虚线）从B1，B2两个接地点经大地分别流到A1接地点返回系统。因此，流经主变高压侧B相CT的电流被B2接地点分流了一部分；
2）小水电机组提供的B相短路电流同样从B1，B2两个接地点经大地分别流到A1接地点返回系统。因此，小水电提供的B相短路电流被主变高压侧B相CT和B1接地点分流，其中一部分流过了主变高压侧B相CT；
根据上述分析可见，主变高压侧B相CT电流，与故障起始阶段相比，发生了较大变化。一方面，原来由系统侧提供的较大的短路电流全部流过该CT，由于B2接地点的分流，变为仅有一部分流过该CT；另一方面，由小水电机组提供的短路电流，原来直接从B1接地点流出，没有流过该CT，变为其中的一部分流过该CT，另一部分仍从B1接地点流出。因此，主变高压侧B相CT电流由两个系统的两个电流合成，数值比故障初始阶段的要小的多，仅有约1.5A左右。
同样的，本阶段的三相电流来自不同的电源系统，故其三相电流之和（3I0）不为零，它不是系统中实际的零序电流（系统中的实际零序电流非常小）。
由于接地电弧不是特别稳定，因而A，B两相电流以及三相电流之和有一定的波动，无论是在幅值还是相位上都在波动，出现前述的故障波形变化。
35kV小水电机组（8000kW）对于高压侧三相电流来说起到的作用仅仅是助增作用，对以上的分析不产生影响。在此忽略。
2.4 故障稳态阶段
故障稳态阶段如图2-10中左右时间线所示。
由于高低压侧电流波形不一致，使得AB两相电流出现较大差流，超过差动保护定值，且二次谐波没有达到闭锁定值，故差动保护动作出口。
图2-10
图2-11 故障稳态时的系统情况
图2-12 高压侧三相电流相量图
图2-13 低压侧三相电流相量图
图2-14
图2-15
在故障稳态阶段，高低压侧电流趋于稳定。高压侧B相电流较大，AC两相电流相对小一些，并且接近反相。低压侧a相电流接近于零，BC两相电流接近反相。
由于高压侧AB两相接地短路，C相有一定的负荷电流，加之低压侧10kV小水电（1360千瓦）经升压变向短路点提供短路电流，同时10kV母线上的电容器、电动机等均向短路点提供能量，使得低压侧三相电流波形不是典型的变压器高压侧两相短路电流波形。
1.上级馈线头南线故障录波分析
头南线的故障录波可以看到，AB两相电流大小相等（24A）、相位相反，C相电流很小，零序电流为零；AB两相电压大小相等、相位相反，C相电压为正常电压。故障电流及电压均稳定，一直持续到跳闸。因此，故障为AB两相接地短路故障，故障点在线路80%以上的位置，故有过流II段动作跳闸。
3、总结
这是一起较为罕见的综合性多重转换性故障。故障起因于雷击事故，雷击产生的过电压造成不同相别不同地点的多点接地短路故障。本次故障的特殊性在于：
1）雷击造成不同相别不同地点的多点接地短路故障，特别是B相至少有2个接地点，一个在CT外侧，另一个在CT内侧；
2）故障时为双侧电源系统。35kV母线和10kV母线均带有小水电发电机组，并且并网运行。特别是头垳站的10kV母线带的小水电发电机组，在故障时相向故障点提供了短路电流。故系统图中左侧的故障电流是由系统提供的，而右侧的短路电流是由小水电机组提供的；
3）由于主变高压侧B相CT内外侧各有一个接地点，使得B相CT电流比较复杂，是由多个电源系统的电流合成的。这样就使得高压侧三相CT的电流之和不为零，但这个三相电流和并不是系统中零序电流，它仅仅代表三个CT的电流之和，没有实际意义。
根据以上分析，结论如下：
1）由于雷击使得头南线35kV线路上发生了AB两相接地短路故障。根据南塘站的头南线CSC-211录波图，故障为AB两相短路；另外，根据南塘站的全站录波显示35kV的I段母线3U0较大，故有接地故障。因此，故障性质为AB两相接地短路故障。
2）头南线35kV线路的A相接地点必在线路末端且在头垳站主变高压侧CT的外侧。因为头南线CSC-211是过流II段保护动作，动作电流24A/1920A；头垳站主变高压侧A相电流很小：在故障后的10ms左右出现最大值，峰值为4.1A，在故障稳态阶段，电流瞬时值为1.76A~1.25A，因此，系统侧提供的短路电流并没有流过主变高压侧A相CT，因而其接地点必在CT外侧；
3）头垳站主变高压侧B相CT必然流过系统侧提供的短路电流，也就是说，B相必有一个接地点在B相CT的内侧（B相CT与主变之间）。因为：AB两相短路接地，B相至少有一个接地点；由于主变高压侧三相电流之和不为零且与B相电流在幅值和相位接近相等，而且B相电流有一个峰值电流11.7A远远大于AC相电流（平均1.5A左右），因此，B相CT的电流中，肯定会有系统侧提供的电流。系统侧提供的短路电流较大，稳态值为24A/1920A。因此，B相至少有一个接地点在CT内侧，使得系统侧的短路电流流过B相CT。这样，AC两相电流主要是10kV小水电提供，而B相电流主要由系统侧提供，这样，三相电流之和不为零。系统是中性点不接地的，不会有这么大的零序电流。
4）低压侧a相电流没有饱和。尽管低压侧a相电流快速上升并且有很大的直流分量，然后快速衰减接近于零，波形特征有锯齿状，但这么小的电流不足以使得CT保护，而且波形特征不太像CT饱和波形。
5）因南塘变电站至头垳站的35kV线路（头南线）遭受雷击，雷击产生的过电压造成线路对地绝缘下降，致使A，B两相对地短路接地，头南线馈线保护的过流II段保护动作跳闸，保护动作行为正确。对于头垳站，故障发生后，正在运行的1#主变高、低压侧电流波形畸变，特别是A，B两相电流波形不一致，从而产生差流。因此，头垳站1#主变差动保护在保护启动后78ms，A，B两相进入差动保护动作区，但由于二次谐波没有达到闭锁定值，故差动保护跳闸出口，保护动作行为正确。
论文作者:王海明
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/8/20
标签：电流论文; 故障论文; 高压论文; 相电流论文; 动作论文; 两相论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第13期论文;