張弘喆，孔繁宇，馬正波，孫樂書，劉 珂，朱洪波

（國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

中性點接地方式是指電力系統(tǒng)的中性點與地之間的連接方式［1］。我國35 kV 及以下電力系統(tǒng)中性點接地方式主要以中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地等為主［2-3］。當(dāng)發(fā)生最常見的單相接地故障時，中性點不接地系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)繼續(xù)運行，因此中性點不接地方式得到廣泛應(yīng)用［4］。然而隨著線路“手拉手”供電模式的普及，小電阻接地方式由于具有切除故障線路快、可有效限制弧光接地過電壓等優(yōu)點［5］，逐步成為新的主流中性點接地方式。越來越多的變電站在35 kV 及以下系統(tǒng)中加裝接地變壓器，將中性點接地方式改造為小電阻接地方式［6］。由此帶來的故障特征變化對繼電保護(hù)相關(guān)配置造成了較大的影響［7］，可能造成保護(hù)誤動或拒動。

本文首先介紹了接地變壓器的工作原理和電氣特性，然后闡述了小電阻接地系統(tǒng)接地變壓器電流保護(hù)的配置和整定原則，并據(jù)此分析電流保護(hù)誤動的原因。最后以一起單相接地故障引起接地變壓器電流保護(hù)誤動作的故障案例為例，對保護(hù)的動作過程和誤動原因進(jìn)行分析探討，為類似故障和缺陷的處理與預(yù)防提供借鑒，深化檢修人員對小電阻接地系統(tǒng)接地變壓器保護(hù)配置的理解，提高處理此類故障的速度，并盡可能消除可能引發(fā)此類故障的缺陷。

1 接地變壓器的工作原理

在對三角形接線的中性點不接地系統(tǒng)變電站進(jìn)行小電阻接地系統(tǒng)改造的過程中，為了引入中性點，最普遍的做法是在母線處增設(shè)一臺接地變壓器［8］，目前通常采用Z 型接地變壓器引入接地點［9-10］，接下來就Z型接地變壓器的工作原理進(jìn)行分析。

Z型接地變壓器在結(jié)構(gòu)上與普通的電力變壓器相同，但是每相鐵芯上的繞組分為上、下匝數(shù)相等的兩部分，以曲折形狀進(jìn)行連接，其接線方式如圖1所示。

圖1 Z型接地變壓器原理圖

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路時，零序電流通過中性點流入，由于Z 型接地變壓器采用曲折接線方式，上下兩繞組中的零序電流方向相反，因此Z型接地變壓器的零序阻抗很小，不會產(chǎn)生過高的弧光接地過電壓。至于正、負(fù)序阻抗，由于Z 型接地變壓器具有變壓器的電磁特性，因此對正、負(fù)序電流呈現(xiàn)高阻特性［11-13］。

當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，接地變壓器無二次負(fù)載，接地變壓器處于幾乎空載運行的狀態(tài)。但是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，在接地變壓器中將通過故障電流的正序、負(fù)序、零序分量。由于接地變壓器具有正、負(fù)序阻抗高而零序阻抗低的特性，接地變壓器處保護(hù)裝置測量的電流基本為電網(wǎng)的零序電流［14］。

2 接地變壓器的電流保護(hù)配置與分析

接地變壓器的電流保護(hù)通常包括相間電流保護(hù)和零序電流保護(hù)兩種［15］。

2.1 接地變壓器相間電流保護(hù)整定

2.1.1 整定原則

接地變壓器相間電流保護(hù)包括電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)，其整定原則如下：

1）電流速斷保護(hù)電流定值與供電變壓器同側(cè)后備過電流保護(hù)相配合，保證接地變壓器在最小運行方式下兩相短路的靈敏性，保證在充電合閘時躲過變壓器勵磁涌流（一般為7?10 倍接地變壓器額定電流），躲過接地變壓器低壓側(cè)故障電流。

2）過電流保護(hù)電流定值按躲過接地變壓器額定電流，且躲過區(qū)外單相接地時流過接地變壓器的最大故障相電流整定。

3）電流速斷保護(hù)為瞬時動作，沒有延時，一旦達(dá)到定值，保護(hù)瞬時動作。

4）過電流保護(hù)作為接地變壓器相間短路的后備保護(hù)，存在一定的短延時，其電流定值也低于電流速斷保護(hù)的定值。

2.1.2 跳閘方式

1）接地變壓器接于供電變壓器低壓側(cè)母線時，電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)動作后應(yīng)聯(lián)跳供電變壓器同側(cè)斷路器。

2）接地變壓器接于供電變壓器低壓側(cè)引線時，電流速斷保護(hù)和過電流保護(hù)動作后應(yīng)跳供電變壓器各側(cè)斷路器。

2.2 接地變壓器零序電流保護(hù)整定

2.2.1 整定原則

1）電流定值保證單相接地故障時有足夠的靈敏度。

2）與下級零序電流保護(hù)全線靈敏度的長延時保護(hù)定值配合。

3）零序電流1 時限應(yīng)考慮躲過兩條線路相繼發(fā)生單相接地故障。

4）動作時間應(yīng)大于母線各連接元件零序電流Ⅱ段的最長動作時間。

接地變壓器零序電流保護(hù)不作為主保護(hù)，因此存在三個時限［16］，分別如下所示：

2.2.2 跳閘方式

1）接地變壓器接于變電站相應(yīng)的母線上時，零序電流保護(hù)動作1 時限跳母聯(lián)斷路器或分段斷路器，并閉鎖備用電源自動投入裝置（以下簡稱“備自投”）；2 時限跳接地變壓器和供電變壓器的同側(cè)斷路器。

2）接地變壓器接于供電變壓器相應(yīng)的引線上時，零序電流保護(hù)動作1 時限跳母聯(lián)斷路器或分段斷路器，并閉鎖備自投；2 時限跳供電變壓器同側(cè)斷路器；3時限跳供電變壓器各側(cè)斷路器［17］。

2.3 接地變壓器電流保護(hù)動作分析

通過對接地變壓器保護(hù)配置的分析可以看出，接地變壓器的相間電流保護(hù)和零序電流保護(hù)在跳閘方式上存在很大不同，零序電流保護(hù)動作時會閉鎖備自投，而相間電流保護(hù)動作時則不會閉鎖備自投［18-19］。

當(dāng)接地變壓器保護(hù)裝置測量的零序電流達(dá)到零序電流保護(hù)動作值，若系統(tǒng)發(fā)生接地故障，則由于接地變壓器是小電阻接地系統(tǒng)中零序電流的唯一通路，接地變壓器保護(hù)裝置可以判斷出發(fā)生接地故障，但無法對接地故障的準(zhǔn)確位置進(jìn)行定位。假設(shè)接地故障發(fā)生在出線上，保護(hù)動作切除接地變壓器后，備自投裝置自動投入備用母線，備用母線重合于接地故障線路，備用母線上的接地變壓器仍可測量到零序電流，保護(hù)裝置動作于跳閘，此時備自投裝置未完成充電，可能造成停電范圍擴(kuò)大。因此接地變壓器零序電流保護(hù)動作必須閉鎖備自投。

當(dāng)接地變壓器相間電流保護(hù)動作而零序電流保護(hù)未動作時，由于接地變壓器本身的電氣特性，保護(hù)裝置判斷此時相間短路故障發(fā)生于接地變壓器本體，動作于接地變壓器跳閘，切除接地變壓器，并聯(lián)跳供電變壓器同側(cè)斷路器，同時備自投裝置投入備用母線。由于故障位于已經(jīng)被切除的接地變壓器上，此時備自投裝置投入的備用母線重合于正常線路，從而恢復(fù)供電。

綜上所述，接地變壓器相間電流保護(hù)與零序電流保護(hù)動作的故障原因和故障位置判斷截然不同，兩種保護(hù)的整定與配置應(yīng)進(jìn)行良好區(qū)分［20］。然而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時，接地變壓器相間電流保護(hù)測量到的電流仍包含有大量的零序電流分量，很可能造成相間電流保護(hù)誤動。由于兩種保護(hù)在備自投的投入與否上差異很大，保護(hù)誤動可能導(dǎo)致故障范圍擴(kuò)大，甚至造成全站失電的嚴(yán)重后果。

3 案例分析

3.1 故障經(jīng)過

某110 kV 變電站一次接線圖如圖2 所示。故障前，1 號主變壓器低壓側(cè)018 斷路器處于合閘位置，2號主變壓器低壓側(cè)032 斷路器處于合閘位置，034 斷路器處于試驗位置。2023年7月30日06時14分，該110 kV 變電站2 號接地變壓器過電流Ⅰ段保護(hù)動作，2號接地變壓器022斷路器跳閘，同時聯(lián)切2號主變壓器低壓側(cè)032 斷路器，10 kV 的Ⅱ段和Ⅲ段母線失電，備自投動作合10 kVⅠ、Ⅱ段母線分段020 斷路器。06 時36 分，1 號接地變壓器過電流Ⅰ段保護(hù)動作，跳1 號接地變壓器015 斷路器，同時聯(lián)切1 號主變壓器低壓側(cè)018斷路器，10kV 的Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段母線失電，備自投動作合2 號主變壓器低壓側(cè)032斷路器，同時合上2 號接地變壓器022 斷路器，此時故障仍然存在，2 號接地變壓器過電流Ⅰ段保護(hù)動作，2號接地變壓器022斷路器跳閘，同時聯(lián)切2號主變壓器低壓側(cè)032 斷路器，至此該變電站10 kV 系統(tǒng)全部停電。

圖2 某110 kV變電站一次接線圖

3.2 現(xiàn)場設(shè)備檢查情況

對現(xiàn)場一次設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)1號和2號接地變壓器本體無異常，10 kV Ⅲ段母線電壓互感器040間隔開關(guān)柜外觀無異常。檢查開關(guān)柜頂部上封蓋，發(fā)現(xiàn)上封蓋處有明顯水跡，檢查開關(guān)柜手車室，發(fā)現(xiàn)活門擋板C相位置嚴(yán)重?zé)g，上活門擋板存在2個燒蝕孔洞。C 相上觸頭盒及靜觸頭嚴(yán)重?zé)龘p，且上觸頭盒內(nèi)存有積水。檢查避雷器手車，發(fā)現(xiàn)C 相上、下動觸頭存在一定燒損，彈簧有退火痕跡，觸臂絕緣筒受損。檢查開關(guān)柜母線倉，發(fā)現(xiàn)C 相母線排外絕緣套燒損。母線倉背板C 相處有明顯水漬，帶電顯示器傳感器外部有水珠。檢查開關(guān)柜電壓互感器倉，三相電壓互感器外觀無異常，但電壓互感器倉底部存有少量積水。

3.3 故障原因分析

10 kV Ⅲ段母線電壓互感器倉上部鋼支架漏雨，雨水滲入開關(guān)柜，導(dǎo)致C 相母線對外殼絕緣降低并放電，燒損相關(guān)絕緣件和靜觸頭，隨即發(fā)展為金屬性接地。變電站10 kV 系統(tǒng)采用小電阻接地方式，當(dāng)10 kV Ⅲ段母線發(fā)生單相接地時，2 號接地變壓器流過零序電流，A 相、B 相和C 相電流互感器中均流過大小相等、相位一致的零序電流，每相電流二次值約為4.3 A，過電流保護(hù)Ⅰ段電流定值為2.5 A，動作時限為0.8 s，滿足過電流保護(hù)Ⅰ段動作條件，保護(hù)動作跳閘。接地變壓器過電流Ⅰ段保護(hù)動作不閉鎖10 kV 備自投，因此先后發(fā)生多次保護(hù)動作情況，最后一次2 號接地變壓器保護(hù)動作后，因10 kV 備自投充電時間未到，不再動作，10 kV系統(tǒng)全部停電。

該變電站保護(hù)裝置定值整定中存在“相電流消零”控制字，但是該控制字整定為“0”，不能消除相電流中零序電流的影響。因此當(dāng)母線單相接地，相電流中的零序分量大于過電流保護(hù)定值時，過電流保護(hù)會動作。本次故障零序電流為13 A，若投入“相電流消零”控制字，保護(hù)裝置通過軟件濾除相電流中的零序分量，過電流保護(hù)不會動作。由于“相電流消零”控制字整定為“0”，且零序電流大于零序過電流保護(hù)Ⅰ段電流定值1.4 A，最終零序過電流Ⅰ段動作，1時限動作跳10 kV 的Ⅰ、Ⅱ段母線分段020斷路器并閉鎖10 kV 備自投，2 時限跳該接地變壓器斷路器及對應(yīng)主變壓器低壓側(cè)斷路器。此時10 kV 備自投閉鎖，10 kV 的Ⅲ段和Ⅱ段母線失電，1 號主變壓器可帶10 kVⅠ段母線正常運行。因此，“相電流消零”控制字未投入是該故障的主要原因。

4 結(jié)語

本文闡述了接地變壓器電流保護(hù)的整定原則，探討了當(dāng)零序電流過大時相間電流保護(hù)可能誤動的問題，并對一起接地變壓器相間電流保護(hù)誤動的故障案例進(jìn)行了分析。為防止此類故障再次發(fā)生，應(yīng)做好以下工作：

1）檢查小電阻接地系統(tǒng)接地變壓器保護(hù)裝置中是否有類似“相電流消零”控制字等軟件消除零序電流影響的措施，并將其投入。

2）如果小電阻接地系統(tǒng)接地變壓器保護(hù)裝置沒有相應(yīng)清除零序電流影響的措施，應(yīng)充分考慮過電流保護(hù)、零序電流保護(hù)的定值配合，以避免發(fā)生同類故障。