城市电网10 kV低阻接地系统中接地变压器零

随着电力负荷的迅速增长，城市电网建设正如日中天。由于城市电网规模不断地扩建和延伸，受城区规划、环保和场地等条件制约，市区变电所越来越多地采用电缆馈线，以致10 kV系统单相对地电容电流大幅度增加。为抑制单相接地时产生的过电压幅值，一些大城市的10 kV电网开始采用低阻接地(接地故障电流约为400～600 A)接线方式，以便当10 kV系统发生接地时，根据接地点所在位置，由相应零序保护有选择性动作将接地故障隔离，以防电弧重燃引发过电压，保证电网中健全设备安全供电。通常城市变电所主变压器(以下简称“主变”)10 kV侧为三角形接线，无中性点引出，为能形成人为中性点经小电阻接地，需配置Z_N型接线的接地变压器(以下简称“曲折变”)。
　　本文就城市电网10 kV低阻接地系统中曲折变零序保护接线方案作些探讨。讨论所依据的主接线图中曲折变和所用变压器分别设置，以减少曲折变的停电几率，保证10 kV接地系统稳定运行；并假定系统发生金属性直接接地，各相参数对称；同时忽略电缆馈线的电阻和绝缘泄漏电阻，接地故障时仅计及各段10 kV系统单相等效电容对接地电流的影响。

2　110 kV变电所中的曲折变零序保护
2．1　110 kV变电所的10 kV电气主接线　　
    110 kV变电所的10 kV电气主接线通常采用图1单母线四分段接线，＃1、＃3主变低压侧不带分支直接接于10 kV母线，＃2主变低压侧带双分支各接一段10 kV母线。每台主变10 kV引线上各设置1台曲折变用于引接接地电阻。

2．2　曲折变零序保护方案
    曲折变的零序保护用于10 kV系统单相接地保护，按图1中主变10 kV侧接线方式，可分为单分支进线的曲折变零序保护和双分支进线的曲折变零序保护两种方案。
    2．2．1　单分支进线的曲折变零序保护方案
　　单分支进线的曲折变只需装设零序过电流保护，保护由接于曲折变中性线电流互感器的过流继电器构成，其动作时限应考虑与10 kV馈线的零序过流保护相配合，保护动作后以较短时限跳开10 kV分段断路器，并闭锁备用电源自动投入装置；第二时限跳开主变低压侧断路器(根据实际情况也可以不设这段时限)；第三时限跳开主变高、低压侧全部断路器。此保护接线简单，动作可靠，能有效隔离故障。当然如单相接地故障发生于图1中主变低压侧及其引线k₁处，按理此时不必动作10 kV分段断路器及闭锁备用电源自动投入装置，只要跳开主变高、低压侧断路器已可将故障隔离，但为了简化保护，允许此处发生接地故障时按母线接地等同处理。
    2．2．2　双分支进线的曲折变零序保护方案
　　对采用双分支进线的＃2主变，其曲折变零序保护接线方案讨论如下：
    (1)曲折变中性线零序过电流保护方案
　　此方案沿袭当前普遍通行的设计，保护接于曲折变中性线电流互感器，它与单分支进线的曲折变零序保护方案相同，当10 kV系统发生接地故障，保护以较短时限同时动作于A、B段分段断路器跳闸，并闭锁各段备用电源自动投入装置；第二时限同时跳开主变低压侧的A、B分支断路器；第三时限跳开主变高、低压侧全部断路器。众所周知，＃2主变10 kV侧之所以分成A、B两个分支是为了提高对用户供电的可靠性，即当A段母线k₂处发生接地故障或该段馈出线接地且其保护或断路器拒动，只要求跳开A段分段断路器和分支断路器并闭锁该段备用电源自动投入装置就可将故障隔离，勿需牵及B段设备同时跳闸，＃2主变可继续保证对B段用户供电。无疑作为双分支进线的曲折变零序保护，本方案保护动作方式不尽人意，没有积极体现电气主接线设计意图，降低了对用户供电的可靠性。
    (2)主变低压侧分支零序过电流保护方案
　　此方案需在每一分支上装设零序过电流保护，接线也较简单，每段进线的零序过流继电器分别接入主变低压侧各分支电流互感器零序电流接线。图2画出了110 kV变电所中10 kV母线各处短路时的零序等值电路。图中TA_A、TA_B分别表示由A、B分支 电流互感器零序电流接线，R_N为曲折变中性点接地电阻，C_A、C_B分别为10 kV各段馈电系统单相等效电容，U₀为接地点的零序电压，I_RN为流经曲折变的接地电流，I_CA、I_CB分别为A、B各段馈电系统等效电容提供的接地电流。
　　如图2(a)所示，当A(或B)段k₂处发生接地故障时，各分支TA中都有接地故障电流通过，但电流数值大小不同。与接地故障段直接相连的A(或B)分支TA_A(或TA_B)中流过的电流为流经曲折变的接地故障电流I_RN加上另一段馈电系统的电容电流I_CB(或I_CA)，与接地故障段不直接相连的B(或A)分支TA_B(或TA_A)中流过的电流仅为本段馈电系统的电容电流I_CB(或I_CA)，为使保护动作具有选择性，显然各分支零序过流保护整定电流应大于本段馈电系统等效电容提供的接地电流。然而当图2(b)中所示k₃处发生接地故障，曲折变中通过的接地故障电流已不流经任何分支电流互感器，各分支TA中流过的电流仅为本段馈电系统的电容电流，根据以上整定原则，各分支的零序过电流保护不会启动。可知此保护接线原理存在缺陷，根本无法清除k₃处的接地故障电流，事实上不能采用。

    (3)零序电流方向保护方案
　　进一步分析图2中的零序电流流向，可以看出流经各分支的零序电流方向将随接地点的不同而改变。即当k₂处接地时，与接地故障处直接相连分支零序电流方向指向10 kV母线，非直接相连分支的零序电流方向背离10 kV母线；而当k₃处接地时，各分支的零序电流方向均背离10 kV母线。但无论何处接地，曲折变中性线上总有接地电流通过且方向不会改变。因此可采用图3所示逻辑构成零序电流方向保护，其中零序电流I₀采自曲折变中性线电流互感器，零序方向P_0A(或P_0B)由各分支电流互感器零序电流接线的I_0A(或I_0B)和相应母线段的U_0A(或 U_0B)产生，正方向指向各自10 kV母线。当k₂处发生接地，与接地故障段直接相连分支的零序方向P_0A以及曲折变中性线的零序电流会同时动作，经“与”门启动相关保护出口，动作方式与单分支接线的曲折变零序保护相同，但其动作对象仅与故障段设备有关，不会扩大故障停电范围，主变仍能继续对非故障段用户供电。当k₃处发生接地时，因为各段馈电系统的电容电流均由10 kV母线流向k₃处，即A(或B)分支中零序电流方向都反向，各段“与”门均 被闭锁，但由于曲折变中性线零序过电流启动，经t₄延时后即可全跳变压器高、低压各侧断路器将故障隔离，随后各段母线备用电源自投装置相继动作，由相应主变恢复对10 kV负荷供电，从而提高了对用户供电的可靠性。

　　经对以上各方案讨论可知，为满足继电保护选择性和可靠性要求，有效隔离接地故障，当主变低压侧为双分支进线时，推荐采用零序电流方向保护作为曲折变的零序保护。

3　220 kV变电所的曲折变零序保护
3．1　220 kV变电所的10 kV电气主接线　　
    220 kV变电所的10 kV电气主接线见图4。考虑到不致因曲折变故障而影响220 kV和110 kV系统运行，220 kV变电所中曲折变接于10 kV母线段而不从主变低压侧出线处引接。同时由于220 kV变电所每台主变的10 kV母线均分成A、B两个半段，为保证任何工况下每台主变只接一台曲折变，即只允许一个人为接地点运行，曲折变按奇偶原则分别接于各自主变相对应的10 kV母线段上。

3．2　曲折变零序保护方案
　　图4中220 kV变电所各主变接线方式类同，各曲折变的零序保护方案基本一致，故仍以＃2主变为例。与前面讨论过的110 kV主变低压侧为双分支进线的曲折变零序保护一样，若仅在曲折变中性线上装设简单的零序过电流保护，某些情况下当系统发生单相接地时会扩大故障停电范围，以致分段断路器及相应的备用电源自动投入装置不能很好地发挥作用，从而降低了对用户供电的可靠性，因此原则上220 kV变电所的曲折变也需装设零序电流方向保护。但因220 kV变电所和110 kV变电所的曲折变接线形式有所不同，对此还需作些讨论。图5画出了220 kV变电所10 kV侧不同地点单相接地时的等值电路图，其中图5(a)为未接曲折变的母线段单相接地等值电路，图5(b)则是接有曲折变的母线段单相接地等值电路，图5(c)表示主变低压侧至分支电流互感器引线间单相接地等值电路。图中除TA

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