為了抑制單相接地時(shí)產(chǎn)生的過電壓幅值，某些大城市的10 kv電網(wǎng)開始采用低阻接地的接線方式。本文分析了經(jīng)接地變壓器低阻接地方式的城市變電所中，其10 kv母線不同位置接地時(shí)的零序電流流向以及接地變壓器的零序保護(hù)邏輯方案，提出采用零序電流方向保護(hù)作為主變壓器低壓側(cè)為雙分支接線方式的接地變壓器零序保護(hù)，使保護(hù)具有選擇性，從而提高了對(duì)用戶供電的可靠性。
1、引言
隨著電力負(fù)荷的迅速增長，城市電網(wǎng)建設(shè)正如日中天。由于城市電網(wǎng)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)建和延伸，受城區(qū)規(guī)劃、環(huán)保和場地等條件制約，市區(qū)變電所越來越多地采用電纜饋線，以致10 kv系統(tǒng)單相對(duì)地電容電流大幅度增加。為抑制單相接地時(shí)產(chǎn)生的過電壓幅值，一些大城市的10 kv電網(wǎng)開始采用低阻接地(接地故障電流約為400～600 a)接線方式，以便當(dāng)10 kv系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)，根據(jù)接地點(diǎn)所在位置，由相應(yīng)零序保護(hù)有選擇性動(dòng)作將接地故障隔離，以防電弧重燃引發(fā)過電壓，保證電網(wǎng)中健全設(shè)備安全供電。通常城市變電所主變壓器(以下簡稱“主變”)10 kv側(cè)為三角形接線，無中性點(diǎn)引出，為能形成人為中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地，需配置zn型接線的接地變壓器(以下簡稱“曲折變”)。
本文就城市電網(wǎng)10 kv低阻接地系統(tǒng)中曲折變零序保護(hù)接線方案作些探討。討論所依據(jù)的主接線圖中曲折變和所用變壓器分別設(shè)置，以減少曲折變的停電幾率，保證10 kv接地系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；并假定系統(tǒng)發(fā)生金屬性直接接地，各相參數(shù)對(duì)稱；同時(shí)忽略電纜饋線的電阻和絕緣泄漏電阻，接地故障時(shí)僅計(jì)及各段10 kv系統(tǒng)單相等效電容對(duì)接地電流的影響。
2、110 kv變電所中的曲折變零序保護(hù)
2．1 110 kv變電所的10 kv電氣主接線
110 kv變電所的10 kv電氣主接線通常采用圖1單母線四分段接線，＃1、＃3主變低壓側(cè)不帶分支直接接于10 kv母線，＃2主變低壓側(cè)帶雙分支各接一段10 kv母線。每臺(tái)主變10 kv引線上各設(shè)置1臺(tái)曲折變用于引接接地電阻。
2．2 曲折變零序保護(hù)方案
曲折變的零序保護(hù)用于10 kv系統(tǒng)單相接地保護(hù)，按圖1中主變10 kv側(cè)接線方式，可分為單分支進(jìn)線的曲折變零序保護(hù)和雙分支進(jìn)線的曲折變零序保護(hù)兩種方案。
2．2．1 單分支進(jìn)線的曲折變零序保護(hù)方案
單分支進(jìn)線的曲折變只需裝設(shè)零序過電流保護(hù)，保護(hù)由接于曲折變中性線電流互感器的過流繼電器構(gòu)成，其動(dòng)作時(shí)限應(yīng)考慮與10 kv饋線的零序過流保護(hù)相配合，保護(hù)動(dòng)作后以較短時(shí)限跳開10 kv分段斷路器，并閉鎖備用電源自動(dòng)投入裝置；第二時(shí)限跳開主變低壓側(cè)斷路器(根據(jù)實(shí)際情況也可以不設(shè)這段時(shí)限)；第三時(shí)限跳開主變高、低壓側(cè)全部斷路器。此保護(hù)接線簡單，動(dòng)作可靠，能有效隔離故障。當(dāng)然如單相接地故障發(fā)生于圖1中主變低壓側(cè)及其引線k1處，按理此時(shí)不必動(dòng)作10 kv分段斷路器及閉鎖備用電源自動(dòng)投入裝置，只要跳開主變高、低壓側(cè)斷路器已可將故障隔離，但為了簡化保護(hù)，允許此處發(fā)生接地故障時(shí)按母線接地等同處理。
2．2．2 雙分支進(jìn)線的曲折變零序保護(hù)方案
對(duì)采用雙分支進(jìn)線的＃2主變，其曲折變零序保護(hù)接線方案討論如下：
(1)曲折變中性線零序過電流保護(hù)方案
此方案沿襲當(dāng)前普遍通行的設(shè)計(jì)，保護(hù)接于曲折變中性線電流互感器，它與單分支進(jìn)線的曲折變零序保護(hù)方案相同，當(dāng)10 kv系統(tǒng)發(fā)生接地故障，保護(hù)以較短時(shí)限同時(shí)動(dòng)作于a、b段分段斷路器跳閘，并閉鎖各段備用電源自動(dòng)投入裝置；第二時(shí)限同時(shí)跳開主變低壓側(cè)的a、b分支斷路器；第三時(shí)限跳開主變高、低壓側(cè)全部斷路器。眾所周知，＃2主變10 kv側(cè)之所以分成a、b兩個(gè)分支是為了提高對(duì)用戶供電的可靠性，即當(dāng)a段母線k2處發(fā)生接地故障或該段饋出線接地且其保護(hù)或斷路器拒動(dòng)，只要求跳開a段分段斷路器和分支斷路器并閉鎖該段備用電源自動(dòng)投入裝置就可將故障隔離，勿需牽及b段設(shè)備同時(shí)跳閘，＃2主變可繼續(xù)保證對(duì)b段用戶供電。無疑作為雙分支進(jìn)線的曲折變零序保護(hù)，本方案保護(hù)動(dòng)作方式不盡人意，沒有積極體現(xiàn)電氣主接線設(shè)計(jì)意圖，降低了對(duì)用戶供電的可靠性。
(2)主變低壓側(cè)分支零序過電流保護(hù)方案
此方案需在每一分支上裝設(shè)零序過電流保護(hù)，接線也較簡單，每段進(jìn)線的零序過流繼電器分別接入主變低壓側(cè)各分支電流互感器零序電流接線。圖2畫出了110 kv變電所中10 kv母線各處短路時(shí)的零序等值電路。圖中taa、tab分別表示由a、b分支 電流互感器零序電流接線，rn為曲折變中性點(diǎn)接地電阻，ca、cb分別為10 kv各段饋電系統(tǒng)單相等效電容，u0為接地點(diǎn)的零序電壓，irn為流經(jīng)曲折變的接地電流，ica、icb分別為a、b各段饋電系統(tǒng)等效電容提供的接地電流。
如圖2(a)所示，當(dāng)a(或b)段k2處發(fā)生接地故障時(shí)，各分支ta中都有接地故障電流通過，但電流數(shù)值大小不同。與接地故障段直接相連的a(或b)分支taa(或tab)中流過的電流為流經(jīng)曲折變的接地故障電流irn加上另一段饋電系統(tǒng)的電容電流icb(或ica)，與接地故障段不直接相連的b(或a)分支tab(或taa)中流過的電流僅為本段饋電系統(tǒng)的電容電流icb(或ica)，為使保護(hù)動(dòng)作具有選擇性，顯然各分支零序過流保護(hù)整定電流應(yīng)大于本段饋電系統(tǒng)等效電容提供的接地電流。然而當(dāng)圖2(b)中所示k3處發(fā)生接地故障，曲折變中通過的接地故障電流已不流經(jīng)任何分支電流互感器，各分支ta中流過的電流僅為本段饋電系統(tǒng)的電容電流，根據(jù)以上整定原則，各分支的零序過電流保護(hù)不會(huì)啟動(dòng)。可知此保護(hù)接線原理存在缺陷，根本無法清除k3處的接地故障電流，事實(shí)上不能采用。
(3)零序電流方向保護(hù)方案
進(jìn)一步分析圖2中的零序電流流向，可以看出流經(jīng)各分支的零序電流方向?qū)㈦S接地點(diǎn)的不同而改變。即當(dāng)k2處接地時(shí)，與接地故障處直接相連分支零序電流方向指向10 kv母線，非直接相連分支的零序電流方向背離10 kv母線；而當(dāng)k3處接地時(shí)，各分支的零序電流方向均背離10 kv母線。但無論何處接地，曲折變中性線上總有接地電流通過且方向不會(huì)改變。因此可采用圖3所示邏輯構(gòu)成零序電流方向保護(hù)，其中零序電流i0采自曲折變中性線電流互感器，零序方向p0a(或p0b)由各分支電流互感器零序電流接線的i0a(或i0b)和相應(yīng)母線段的u0a(或 u0b)產(chǎn)生，正方向指向各自10 kv母線。當(dāng)k2處發(fā)生接地，與接地故障段直接相連分支的零序方向p0a以及曲折變中性線的零序電流會(huì)同時(shí)動(dòng)作，經(jīng)“與”門啟動(dòng)相關(guān)保護(hù)出口，動(dòng)作方式與單分支接線的曲折變零序保護(hù)相同，但其動(dòng)作對(duì)象僅與故障段設(shè)備有關(guān)，不會(huì)擴(kuò)大故障停電范圍，主變?nèi)阅芾^續(xù)對(duì)非故障段用戶供電。當(dāng)k3處發(fā)生接地時(shí)，因?yàn)楦鞫勿侂娤到y(tǒng)的電容電流均由10 kv母線流向k3處，即a(或b)分支中零序電流方向都反向，各段“與”門均 被閉鎖，但由于曲折變中性線零序過電流啟動(dòng)，經(jīng)t4延時(shí)后即可全跳變壓器高、低壓各側(cè)斷路器將故障隔離，隨后各段母線備用電源自投裝置相繼動(dòng)作，由相應(yīng)主變恢復(fù)對(duì)10 kv負(fù)荷供電，從而提高了對(duì)用戶供電的可靠性。
經(jīng)對(duì)以上各方案討論可知，為滿足繼電保護(hù)選擇性和可靠性要求，有效隔離接地故障，當(dāng)主變低壓側(cè)為雙分支進(jìn)線時(shí)，推薦采用零序電流方向保護(hù)作為曲折變的零序保護(hù)。
3、220 kv變電所的曲折變零序保護(hù)
3．1 220 kv變電所的10 kv電氣主接線
220 kv變電所的10 kv電氣主接線見圖4?？紤]到不致因曲折變故障而影響220 kv和110 kv系統(tǒng)運(yùn)行，220 kv變電所中曲折變接于10 kv母線段而不從主變低壓側(cè)出線處引接。同時(shí)由于220 kv變電所每臺(tái)主變的10 kv母線均分成a、b兩個(gè)半段，為保證任何工況下每臺(tái)主變只接一臺(tái)曲折變，即只允許一個(gè)人為接地點(diǎn)運(yùn)行，曲折變按奇偶原則分別接于各自主變相對(duì)應(yīng)的10 kv母線段上。
3．2 曲折變零序保護(hù)方案
圖4中220 kv變電所各主變接線方式類同，各曲折變的零序保護(hù)方案基本一致，故仍以＃2主變?yōu)槔?。與前面討論過的110 kv主變低壓側(cè)為雙分支進(jìn)線的曲折變零序保護(hù)一樣，若僅在曲折變中性線上裝設(shè)簡單的零序過電流保護(hù)，某些情況下當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)會(huì)擴(kuò)大故障停電范圍，以致分段斷路器及相應(yīng)的備用電源自動(dòng)投入裝置不能很好地發(fā)揮作用，從而降低了對(duì)用戶供電的可靠性，因此原則上220 kv變電所的曲折變也需裝設(shè)零序電流方向保護(hù)。但因220 kv變電所和110 kv變電所的曲折變接線形式有所不同，對(duì)此還需作些討論。圖5畫出了220 kv變電所10 kv側(cè)不同地點(diǎn)單相接地時(shí)的等值電路圖，其中圖5(a)為未接曲折變的母線段單相接地等值電路，圖5(b)則是接有曲折變的母線段單相接地等值電路，圖5(c)表示主變低壓側(cè)至分支電流互感器引線間單相接地等值電路。圖中除ta0表示曲折變中性線上電流互感器外，其他文字標(biāo)注與圖 2相同。
依據(jù)圖5，可將不同地點(diǎn)接地時(shí)流經(jīng)各電流互感器一次側(cè)的電流方向列表如表1。
由表1所示電流不難看出，只有10 kv母線發(fā)生接地且與接地段直接相連的分支其零序電流才自母線端流出，其他情況分支的零序電流均從母線端流入。當(dāng)設(shè)定零序電流自母線端流出的方向?yàn)檎?，則220 kv變電所曲折變的零序保護(hù)邏輯與圖3中設(shè)計(jì)的邏輯完全一致。為進(jìn)一步闡明問題，可用疊加原理將10 kv系統(tǒng)接地時(shí)的等值電路分解成曲折變部分等值電路和10 kv系統(tǒng)電容部分等值電路(見圖6。圖中用虛線表示110 kv主變的曲折變及其接地電流)。盡管220 kv主變和110 kv主變的曲折變接線位置有所不同，但圖6(b)中流經(jīng)各自曲折變中性線ta的接地電流情況相同，與接地處無關(guān)，且k1處接地時(shí)流經(jīng)接地段分支ta的零序電流方向也相同(為了簡化，圖中沒有畫出)；當(dāng)k2處接地，只有110 kv主變的曲折變接地電流流經(jīng)接地段分支ta，方向自母線端流出，助增了接地段分支零序方向啟動(dòng)；而k3處接地，則只有220 kv主變的曲折變接地電流流經(jīng)分支ta，但其方向從母線端流入，有助于零序電流方向不動(dòng)作。所以不論曲折變接于何處，曲折變的接地電流不會(huì)阻擾各分支零序電流方向正確動(dòng)作。圖6(c)則與曲折變接入位置無關(guān)，但從圖中10 kv系統(tǒng)電容電流的流向可知(圖中僅表示k1處接地的電容電流)，正是它主導(dǎo)了各分支的零序電流方向。故此220 kv主變和110 kv主變的曲折變零序電流方向保護(hù)邏輯完全相同。
總之，按圖3設(shè)計(jì)的保護(hù)邏輯方案動(dòng)作對(duì)象確切，不會(huì)擴(kuò)大事故停電范圍，能較好地滿足用戶對(duì)供電質(zhì)量的要求，適用于220 kv或110 kv主變低壓側(cè)為雙分支接線的曲折變零序保護(hù)。但目前制造廠尚無此相應(yīng)系列產(chǎn)品，對(duì)于微機(jī)系列保護(hù)，用軟件實(shí)現(xiàn)上述邏輯并不困難，建議廠家積極開發(fā)這一產(chǎn)品以滿足市場需求。
此外還需說明，以上分析僅基于金屬性接地故障，在制造及運(yùn)行中應(yīng)考慮過渡電阻等因素對(duì)零序電流方向的影響。另外，電流互感器斷線可能使零序電流方向誤動(dòng)，因此尚需考慮電流互感器斷線閉鎖措施。
4、結(jié)論
城市電網(wǎng)10 kv低阻接地系統(tǒng)的曲折變零序電流保護(hù)方案歸納如下：
(1)接于曲折變中性線電流互感器的零序過電流保護(hù)方案，接線簡單，適用于主變低壓側(cè)不帶分支(即單分支)接線的曲折變零序保護(hù)；
(2)為了避免10 kv系統(tǒng)單相接地時(shí)擴(kuò)大故障停電范圍，提高對(duì)用戶供電的可靠性，110 kv變電所
中當(dāng)主變低壓側(cè)采用雙分支接線時(shí)，推薦采用零序電流方向保護(hù)作為曲折變零序保護(hù)方案；
(3)220 kv變電所的曲折變也推薦采用零序電流方向保護(hù)作為10 kv系統(tǒng)接地故障保護(hù)，以縮小接地故障停電范圍，保證供電可靠性；
(4)本文討論的220 kv和110 kv主變低壓側(cè)為雙分支接線的曲折變零序電流方向保護(hù)邏輯完全相同，其中零序電流采自曲折變中性線電流互感器，零序方向則由流過各分支電流互感器零序電流接線的電流和相應(yīng)母線段的零序電壓構(gòu)成，方向指向各自10 kv母線。
(5)建議廠家積極開發(fā)適合城市電網(wǎng)10 kv低阻接地系統(tǒng)的曲折變零序保護(hù)產(chǎn)品，以滿足市場對(duì)保護(hù)選擇性提出的要求。