20kV小電阻接地系統零序保護整定計算探討

陳福全++李鐵柱

【摘 要】 本文針對小電阻接地系統，描述了小電阻安裝地點及零序電流獲取方式，對其優缺點進行了分析。在此基礎上結合合肥地區電網20kV配網系統及保護配置現狀，根據實際案例對小電阻接地系統單相接地故障電流進行計算，提出了變電站主變、20kV出線，以及下一級環網柜、開閉所20kV零序電流保護配合方案，用較簡單的方法實現了小電阻接地系統零序保護的配合。

【關鍵詞】 小電阻接地系統 零序電流保護 整定計算

當前我國的配電網絡以不接地系統為主，隨著經濟快速發展，城市配電網電纜線路爆發式增加，單相接地故障時電容電流遠遠超過限額，極易產生弧光過電壓發展為相間短路。與此同時電纜永久性故障占比大、抗過電壓能力差，電容電流較大時消弧線圈補償設備配置困難等問題不斷出現，不接地系統持續供電的優點難以發揮作用。為適應社會經濟和電網發展的新形勢，彌補10kV系統輸送容量小、損耗大，降低電網建設成本，提升配電網的供電能力，從2010年開始，合肥供電公司在合肥濱湖新區配電網中逐步取消了10kV不接地系統，推廣應用20kV小電阻接地系統，取得了良好的成效。

1 小電阻安裝地點及零序電流獲取方式

1.1 小電阻安裝地點

小電阻接地系統變壓器低壓側接線組別分星形和三角形兩大類，小電阻安裝也主要有主變低壓側中性點和母線接地變中性點兩種方式。供電公司系統變電站一般采用主變低壓側中性點方式，220kV三圈變壓器組采用Y/Y/Y/Δ接線，110kV變壓器組采用Y/Y/Δ接線，Δ側為穩定繞組，取變壓器容量的25～30%。因加裝穩定繞組的變壓器造價較貴，用戶變電站220kV三圈變壓器組采用Y/Y/Δ接線，110kV變壓器組采用Y/Δ接線，以降低造價成本。按照《3kV～110kV電網繼電保護運行整定規程》的要求：低電阻接地系統有且只能有一個中性點運行，當接地變壓器或中性點電阻失去時，供電變壓器的同級斷路器必須同時斷開。所以接地電阻裝在接地變壓器中性點時，雖然節約了成本，但也降低了供電可靠性，所以不為供電公司采用。

1.2 零序電流獲取方式

在實際工程中，零序電流獲取主要有兩種方式：一種是外接穿心式，零序電流互感器直接套在三相封裝電纜中，多見于電纜出線；另一種是合成自產式，由三相饋線電流互感器相電流在保護裝置上合成零序電流，多見于架空線出線。

外接穿心式電流互感器較靈敏，一次零序電流發生微小變化就能引起二次側電流較大改變，內部不平衡電流小，但零序電流大時易飽和、傳變誤差易增大。自產合成式三相電流互感器靈敏度稍差，三相電流互感器傳變特性差異將產生零序不平衡電流，發生相間故障時不平衡電流隨一次電流增大而增大，給保護整定帶來不便，其優點是線性范圍大，能耐受較大短路電流而不飽和，傳變誤差較小。在工程中外接穿心式對零序電流互感器安裝工藝要求高，電纜內金屬護層必須正確接地，否則發生接地故障時，接地線中電流將影響零序互感器正確采樣，正確接地方式如下圖（圖1、圖2）所示。

2 主變零序電流保護計算分析

根據《3kV～110kV電網繼電保護運行整定規程》的要求：10～35kV低電阻接地系統中接地電阻的選取宜為6～30Ω，單相接地故障時零序電流（3I0）限以1000A內為宜。下面就系統內常見的，在變壓器中性點安裝一個20Ω電阻器方式（圖3）接線開展單相接地故障分析。

2.1 系統參數（見表1）

2.2 主變阻抗參數（見表2）

變壓器阻抗電壓Uk%=13.95，則標么阻抗ZT*==1.395；中性點接地電阻20Ω，則標么阻抗R*=320=136.054。主變零序標么阻抗經過計算分別為：ZTH0=1.294、ZTL0=0.703、ZT△0=0.068。

2.3 單相接地短路電流計算

因零序阻抗較大，兩相接地故障的零序電流小，但相間電流很大，完全可以由相間過流保護動作，切除故障，故不再分析。

選取20kV母線發生單相接地故障（圖3 B點），則Z1=0.899+1.395=2.294，則Z0==136.056，因R>>X，所以工程計算中可以忽略變壓器零序阻抗。

所以B處單相接地短路電流3I0==606A，主變20kV總開關零序Ⅰ段，考慮系統小方式下對母線單相接地有1.5倍及以上的靈敏度，則主變20kV總開關零序Ⅰ段取：400A、1.2s（跳本側）；零序Ⅱ段取：300A、1.5s（跳各側）。

保護整定與運行要兼顧靈敏性、速運性和選擇性，低電阻接地系統的設備發生單相接地故障，本設備的保護應可靠切除故障，允許短延時動作，但保護動作時間應滿足設備的熱穩定要求。因單相接地零序電流被限制在600A左右，零序保護動作時間可以相對延長，便于下級線路、開閉所、環網柜零序保護的逐級配合。同時，為避免主變低壓側繞組及引線發生單相接地故障（圖3A點）無法切除，主變20kV總開關零序Ⅱ段1.5s應跳開主變各側開關。

3 線路零序電流保護計算分析

以上分析初步確定了主變零序保護與線路零序保護時間的配合關系。在出線零序保護電流計算分析時，電纜出線零序阻抗較小，接地電流變化不大，線路末端單相接地與母線單相接地在工程上可視為一點。如架空出線則零序阻抗大得多，定值計算時必須充分考慮線路阻抗的影響，現以城配網最大輸送距離10千米考慮，JKLYJ-240型架空出線為例計算分析。

架空線標么阻抗ZL1=10（+j0.4）=2.976+j9.07，ZL0=3（2.976+j9.07）=8.928+ j27.21

3.1 線路零序Ⅰ段保護（考慮開關出口近端金屬性接地故障）

⑴零序Ⅰ段對開關出口單相接地短路有足夠靈敏度

ⅠL01 ≤=303A

⑵零序Ⅰ段電流定值與主變低壓側總開關零序Ⅰ段配合

ⅠL01 ≤=333A

⑶零序Ⅰ段躲區外故障不平衡電流影響

ⅠL01 ≥1.50.11000（設CT為1000/5）=150A

綜合考慮取：300A，0.9s

3.2 線路零序Ⅱ段保護（考慮線路弧光高阻接地故障）

⑴零序Ⅱ段對線路末端單相接地短路有足夠靈敏度

ⅠL02=/1.5=346A

⑵零序Ⅱ段電流定值與主變低壓側總開關零序Ⅱ段配合

ⅠL01 ≤=250A

綜合考慮取：200A，1.2s，（如圖4所示）

上述計算分析中，還需注意單相接地故障時，過流保護與零序保護都將感受到短路電流，當過流保護定值小于零序電流定值時，兩者均有可能動作。如果時限配合不合理，有可能過流保護先動作，對故障分析、排查帶來不便，因此在定值設置時，應確保單相故障時零序保護優先動作。

4 結語

小電阻接地的配電網系統，具有降低絕緣要求，節約電網建設成本，提容降損等方面的優越性，正在逐步推廣。小電阻接地系統零序保護時間設置得當，可以實現保護逐級配合，高效方便的實現故障的隔離與查找。兩臺及以上主變的變電站，不宜并列運行，在降低單相故障短路電流的同時避免由于零序分流造成的上下級定值不配合。

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