10kV電機零序電流保護的誤動原因分析

2020-11-29 電氣新科技

作者分析了10kV三芯電纜屏蔽層接地對零序電流保護的影響，並對本次故障波形中的零序電流做出了合理的解釋。

目前化工企業的供配電多採用10kV三芯電纜，導致10kV配電網對地電容電流增大。為了防止電纜單相接地故障時發展成相間故障，在10kV母線上加裝Z型接地變經小電阻接地為10kV系統提供中性接地點。當10kV電纜出線發生接地故障時系統中就會出現零序電流，保護裝置零秒動作切除故障線路。10kV電纜出線櫃均配置有零序CT,保護裝置採用零序CT獲得零序電流。

為了人身及設備的安全，要求10kV三芯電纜的屏蔽層採用兩端接地方式。可是，在施工過程中時常發生電纜屏蔽接地錯誤，引起零序電流保護誤動事故發生。本文通過一起零序電流保護誤動原因的查找分析，來說明電纜屏蔽層正確接地的重要性。

故障現象

2012年1月份，開閉所10kV泥漿泵電動機在正常運行中發生零序電流保護動作跳閘，故障波形如圖1所示。從圖中可知保護動作前A、C相運行電流16.5A（該電機額定電流為23.2A，分相CT僅配置有A、C兩相），零序電流接近為零；705ms時出現零序電流波形，736ms時零序保護O1出口動作，此時零序電流達到穩定值39.6A。

803ms時斷路器分閘，A、C相電流由16.5A變為零，奇怪的是零序電流仍然為39.6A沒有變化；從波形上看A、C相電流的波形正常為標準正弦波，零序電流的波形已經嚴重偏離正弦波形，畸變的電流波形中含有大量的諧波成分。

一般發生接地故障時會出現故障相電壓降低、非故障相電壓升高的典型故障波形[2]，而本次零序電流保護動作前後ABC三相相電壓波形穩定無異常，由此初步判定本次保護動作應該不是由真正的接地故障造成。

圖1 故障波形

故障原因的查找

零序電流保護動作的原因大致分為以下幾類：電纜或電動機接地故障、保護裝置誤動、零序CT故障、電纜屏蔽層接地錯誤，下面針對這幾種原因進行逐一檢查。

1 檢查電纜和電動機的絕緣性能

使用2500V兆歐表檢查電纜的相間絕緣、相對地絕緣均為1000MΩ左右，電動機繞組對地絕緣800 MΩ左右，電纜、電動機的絕緣均合格。

2 檢查保護裝置的參數及可靠性

查看保護裝置的定值、變比、基準電流等參數設置都正確。泥漿泵電動機的零序電流保護定值為15A、時限為0.0s，跳閘時零序電流值為38A，大於保護定值屬於正常動作。對保護裝置的零漂、零序電流保護動作值、動作時限進行校驗均合格。

3 零序CT的檢查

零序CT安裝牢固、外觀正常，二次接線端無鬆動。對該零序CT進行了絕緣測試、伏安特性測試、直阻測試均正常。

4 檢查電纜屏蔽層的接地

泥漿泵電動機的電纜外護套沒有發現電纜破損，電纜的母線側屏蔽接地和電動機側屏蔽接地都沒有鬆動現象。開關櫃內的電纜終端頭安裝在零序CT的上方，電纜銅屏蔽接地線沒有穿過零序CT在電動機側接地如圖2所示。

故障原因分析

正常運行時電纜三相電流矢量和為零，電纜屏蔽層沒有電流流過，零序CT的一次電流值接近為零。當電纜單相或兩相接地故障時，電纜相芯與電纜屏蔽層短路，接地電流從故障相流向電纜屏蔽層，順著電纜屏蔽層流入接地點。故障時電纜三相電流合成的零序電流會反映在零序CT一次側，而CT二次側相應地產生二次電流驅動保護裝置動作。

圖2 本次故障時母線側屏蔽層接地
圖3 母線側屏蔽層的正確接地

當電纜母線側屏蔽層採用圖2接地時，穿過零序CT的電流為3I0=Ia+Ib+Ic-Ii。根據上述故障錄波圖1分析可知，本次保護動作前後無接地故障即Ia+Ib+Ic=0，此時穿過零序CT的電流為3I0=-Ii=39.6A。

由於10kV三芯電纜的屏蔽層採用母線側、電動機側兩端都接地，通常開閉所開關櫃的接地電阻比現場電動機的接地電阻要小，當現場電機外殼或其連接的金屬設備因為其他原因帶電時，部分電流Ii將會從電機側沿著電纜屏蔽層回到母線側並由開閉所接地點流入大地。

斷路器分閘時切斷的是ABC三相電纜的電流，屏蔽層電流Ii來自電機現場而非電力系統，這就解釋清楚了為什麼斷路器已經分閘還有39.6A的零序電流存在。

當電纜母線側屏蔽層採用圖3接地時，穿過零序CT的電流3I0=Ia+Ib+Ic-Ii+Io。由於屏蔽層上的電流Ii與Io大小相等、方向相反，在零序CT中正好相互抵消不會影響到電纜接地故障時三相合成的零序電流在零序CT上的反映。因此，穿過零序CT的電流也可表示為3I0=Ia+Ib+Ic，符合零序電流保護的計算公式。

零序保護動作後到現場查看時發現泥漿泵電動機附近有電焊作業，使用的電焊機型號為HT-NB500可攜式逆變電焊機，同時檢修現場的臨時電纜存在多處破口。逆變電焊機工作原理如圖4所示，其內部含有二極體、IGBT等多種電力電子元件。

當電焊機工作時將會產生大量的諧波，這與圖1故障波形中的零序電流波形發生嚴重畸變相吻合。從而驗證了電纜屏蔽層按照圖2接地時，電動機現場的幹擾電流將會流入開閉所接地點，造成零序電流保護誤動作。

圖4 逆變電焊機原理圖

結論

電纜屏蔽層的正確安裝應是三顆電纜芯穿過零序CT，屏蔽層不穿過零序CT，留在零序CT下面直接接地。當電纜的屏蔽層已經穿過零序CT時，其屏蔽層連接的編織軟銅帶應從上往下穿過零序CT後接地。

通過上述的分析，本次零序保護誤動是由電纜安裝方面的錯誤造成。在實際施工過程中為了方便電纜安裝，工作人員通常會把三芯電纜整體穿過零序CT後製作電纜頭，所以圖2的接地方式較為常見，其危害性也是最大的。在今後的電纜施工及繼保校驗中應當引起重視。以杜絕此類現象的發生， 提高零序電流保護動作的正確率。

本文編自《電氣技術》，標題為「10kV電機零序電流保護的誤動原因分析」，作者為劉學武、王國偉 等。

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