330 kV變電站35 kV側經小電阻接地改造技術可行性分析

劉海濤，牛健

(國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011)

1 背景及意義

在我國電力系統中，6 kV、10 kV 和35 kV 電網一般都采用中性點不接地的運行方式[1]，但是隨著城市建設步伐的加快，城市框架被不斷擴展，城市中壓電網規模也隨之增大，再加上近幾年城市電網受城區規劃、環保和場地等條件制約，對電纜饋線的應用越來越多，城市配網系統的對地電容電流也急劇增加，導致中性點不接地系統在單相接地時接地電弧不能可靠熄滅，出現嚴重過電壓，持續電弧造成空氣離解，破壞空氣絕緣，近而發生相間短路，擴大事故，產生鐵磁過諧振，容易燒壞電壓互感器進而引起繼電器的損壞[2-7]。這些后果嚴重威脅設備安全和供電可靠性，因此大城市的配電網開始采取經小電阻接地方式。小電阻接地方式屬于大電流接地方式，單相接地時，接地故障電流大，故障特征明顯，繼電保護配置簡單，故障時可快速檢測故障并迅速跳閘，能夠有效抑制過電壓(過電壓水平低、持續時間短)[8-11]。

對于電網主網，絕大多數變壓器采用YYD型接線，即變壓器低壓側無中性點，采用不接地方式。低壓側設備發生接地故障時，沒有零序電流，且當短路電流較小時保護無法快速切除故障，高壓電器設備長期帶故障運行容易造成故障進一步擴大，給電網安全穩定運行帶來了巨大隱患[12]。近年來，寧夏電網發生多起因變電站低壓設備在發生接地故障時無法快速切除卻繼續運行，進而導致事故擴大的情況，嚴重影響了變電站安全可靠運行，因此為了改善上述現狀，對330 kV變電站35 kV側經小電阻接地方式的可行性進行分析與論證。

2 經小電阻接地的方式及位置選擇

由于330 kV變電站變壓器35 kV低壓側為角型接線形式，且無法進行外部改造。因此，330 kV變電站35 kV側改造小電阻接地系統需加裝接地變壓器。

Z型接線(或者稱曲折型接線)接地變壓器的每一相線圈分別繞在兩個磁柱上，兩相繞組產生的零序磁通相互抵消，因而Z型接地變壓器的零序阻抗很小(一般小于10 Ω)，空載損耗低，變壓器容量可以被利用90%以上，而普通變壓器零序阻抗要大很多，消弧線圈容量一般不應超過變壓器容量的20%，由此可見，Z型接線的變壓器作為接地變壓器是一種比較好的選擇。

330 kV變壓器35 kV側經接地變壓器和電阻接地，其接入點可以有兩種選擇:一種是直接將接地變壓器和電阻以一個35 kV間隔方式接入35 kV母線，另一種是直接接在變壓器35 kV側引線上，即35 kV母線與變壓器之間，如圖1、圖2所示。

圖1 變壓器角形接線側接地點選擇方式一

圖2 變壓器角形接線側接地點選擇方式二

接地點方式一中，接地變壓器和電阻的接地方式比較簡單，只需要考慮空間及電氣距離等因素。接地變壓器和電阻間隔保護配置較為簡單，不需要與變壓器的保護設備進行配合。在接地點方式二中，接地變壓器和電阻的接地點位于變壓器差動保護范圍內，接地變壓器和電阻作為變壓器的一部分，其內部故障將直接導致變壓器差動保護動作；對于變壓器保護區外接地故障情況，由于保護區內有接地點，零序電流流入變壓器保護區內，導致差動保護誤動。另外，由于此種接線方式下，接地變壓器沒有獨立的斷路器，在接地變壓器檢修時，主變壓器需要陪停，且接地變壓器絕緣耐壓水平相對較低，與主變壓器之間沒有其他保護設備，當出現接地變壓器設備絕緣耐壓出現問題或發生接地故障時，將直接導致主變壓器低壓側繞組出現過電壓甚至絕緣擊穿等嚴重危害，因此，接地點的選擇不予考慮直接接在變壓器低壓側引線處，本方案后續各類計算、分析均只考慮第一種方式。

3 保護配置分析

目前，330 kV變電站中，35 kV側電容器、電抗器、站用變壓器等設備均配備有獨立的保護設備，但因為35 kV側為不接地系統，所以35 kV各低壓保護中的零序保護功能均未投入。當進行35 kV側改經接地變壓器和接地電阻方式接地時，35 kV系統中存在接地點，接地故障時有零序電流，各低壓保護中的零序保護功能可經過重新整定后直接投入，不需要進行保護裝置的程序升級或設備改造。

當保護裝置用于小電阻接地系統，接地零序電流相對較大時，可以用直接跳閘方法來隔離故障。相應地，作為接地變壓器保護裝置，提供了兩段零序過流保護來作為母線接地故障的后備保護，一段零序過流報警功能，其中零序過流Ⅰ段分為3 時限，公用零序過流Ⅰ段定值，獨立時間定值，控制字獨立投退，零序過流告警定值及時間定值與零序過流Ⅱ段公用，控制字獨立投退。當零序電流作跳閘和報警用時，其既可以由外部專用的零序CT引入，也可用軟件自產(保護控制字定值中有“零序電流采用自產零流”控制字)。為了零序保護采樣的準確性和動作的快速性，在條件允許的情況下，可加裝接地變壓器、電容器、電抗器、站用變壓器等間隔的專用零序CT。

4 仿真分析

基于省地一體化繼電保護定值整定及仿真系統建立某330 kV變電站設備及系統模型，其35 kV系統模型如圖3所示，各35 kV高壓設備參數均采用變電站實際參數設置，接地變壓器參數按照表1設置。

圖3 某變電站35 kV以Z型接地變經中性點電阻接地模型

表1 接地變壓器模型參數

4.1 變壓器35 kV側經小電阻接地前后故障計算

分別按照330 kV變電站35 kV側不接地方式和經小電阻接地方式，在系統大、小運行方式下進行仿真計算，當35 kV母線發生故障時，仿真計算結果如表2所示。

表2 35 kV母線故障時的短路電流計算結果

從上述計算結果可以得出，330 kV某變電站35 kV系統加裝接地變壓器和接地電阻后，35 kV母線發生單相接地故障時，短路電流變化不大，零序電流變化明顯，從8.9 A變為2692 A(小方式)。加裝接地變壓器(中性點經5 Ω小電阻接地)導致的零序電流變化明顯，適合增配零序電流保護的要求。

4.2 不同接地電阻情況下支路故障計算

分別將接地變壓器中性點電阻設置為5 Ω、10 Ω，在大方式下，設置故障點為電抗器支路，則電抗器支路的零序電流計算結果如表3所示。

表3 不同接地電阻情況下電抗器支路故障短路電流計算結果

從上述計算結果可以得出，接地變壓器中性點電阻分別取5 Ω、10 Ω時，35 kV母線接地故障時，電抗器支路的零序電流分別為2677 A和1653 A(大方式)，電抗器支路零序短路電流隨著接地電阻的增大而減小。

4.3 電容器退出運行對短路電流影響計算

考慮到330 kV變電站無功調節等因素，在變電站正常運行過程中會進行電容器投退運行，當電容器退出運行時，接地變壓器中性點電阻為5 Ω，對35 kV發生接地故障進行仿真計算，計算結果如表4所示。

表4 電容器退出運行對短路電流影響計算結果

從上述計算結果中可以看出接地變壓器中性點電阻為5 Ω，35 kV母線接地故障時的零序電流為896 A(大方式，3I0為2688 A)，與表2計算結果對比，發現電容器投退對零序電流影響不大。

4.4 電容器支路故障零序電流復核計算

當電容器支路發生單相接地故障時，電容器(容抗)、接地變壓器(零序電抗)、接地電阻(阻抗)串聯組成了零序網絡。根據串聯零序網絡公式可計算出零序電流為

其中接地變壓器零序阻抗為0.5 Ω，電容值為904 μF，接地電阻為6 Ω，且由于主變壓器低壓側采用△接線，隔離了高、中壓側零序電流，因此零序網絡不考慮系統等效阻抗。根據計算結果可以得出，基本與電抗器支路零序電流計算結果一致。

5 結 論

通過對某330 kV變壓器35 kV側發生故障，經小電阻接地前后運行方式的計算結果分析，330 kV變壓器35 kV側經小電阻接地后系統中出現明顯的短路電流，該短路電流隨著接地電阻的增大而減小，且該接地方式不受運行過程中的電容器投退影響。該零序短路電流值可被繼電保護判斷并快速動作，從而隔離故障,因此，通過在330 kV變壓器35 kV側改由經小電阻接地方式能夠解決單相接地不易被快速診斷并隔離的問題。