低電阻接地系統單相接地故障及零序電流保護整定分析

閆 石

(深圳市機場(集團)有限公司，深圳 518128)

0 引言

由于中性點經低電阻接地方式可限制弧光接地過電壓，快速切除接地故障，因此該系統被廣泛應用于10～35kV城市配電網[1-4]。由于變電站主變壓器10～35kV側通常為d聯結，無法引出中性點，為此通過Z聯結變壓器重構中性點后經電阻接地。這使得低電阻接地系統的繼電保護配置、整定有其特殊之處，本文對此進行分析總結，希望對同行有借鑒、參考意義。

1 Z聯結接地變

Z聯結也被稱作曲折接線，是把每相繞組分成匝數相等的兩部分，一相的上半部分繞組與另一相的下半部分繞組反串組成一相，下半部分繞組的首端連在一起作為中性點引出，如圖1～2所示。

圖1 Z聯結接線

圖2 Z聯結相量

正常運行時，繞組僅流過勵磁電流，三相芯柱上的磁動勢對稱，產生的主磁通在鐵芯中構成回路，勵磁電抗很大。發生接地故障時，由于每相芯柱上、下半部分繞組的零序電流方向相反，合成磁動勢為零，僅產生零序漏磁通，此時零序電抗相當于漏抗。零序漏磁通只能通過非鐵磁材料構成回路，零序阻抗小[5]。因上述特性，Z聯結變壓器通常作為接地變壓器，接入主變壓器d聯結側的引出線或母線。

2 單相接地故障

采用對稱分量法對低電阻接地系統的單相接地故障(示意圖參見圖3)進行計算。

M線路發生A相接地故障，有邊界條件：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

可以得出M線路保護的零序電流為：

(6)

從式(6)可知保護零序電流就是單相接地故障電流。

N線路保護三相電流(CT2處)為：

考慮正、負序壓降遠小于零序壓降，將其忽略，可以得出N線路保護的零序電流：

(7)

從式(7)可知N線路保護零序電流就是線路的電容電流。

圖3 單相接地故障示意

圖4 單相接地故障復合序網

圖5是由故障錄波器記錄的某低電阻接地系統的一回空載電纜線路單相接地故障時的電流波形，圖5中由上自下分別是故障線路的A、B、C相電流及接地變A、B、C相電流。可以看出，接地變A、B、C相電流幅值、相位相同且幅值是單相接地故障電流的三分之一，相位與其相反(線路電容電流、接地變勵磁電流忽略不計)，這與圖4中的復合序網圖一致，說明接地變提供零序通道使單相接地故障電流形成通路。

圖5 故障波形

以某用戶10kV供電系統為例計算，其主接線如圖6所示，系統參數如表1所示。考慮線路較短忽略電容電流，根據式(3)可得出A母線單相接地故障電流為：

(8)

同理可得B母線單相接地故障電流為：

(9)

同理可得C母線單相接地故障電流為：

(10)

從式(9)、(10)可以看出由于B、C母線距離很短，其單相接地故障電流幾乎相等。以300mm2電纜為例，根據式(8)、(9)，可以繪出單相接地故障電流與故障位置的關系。如圖7所示，線路出口單相接地故障電流為367A，線路10km處單相接地故障電流為283A，可見單相接地故障電流僅下降了約23%。

10kV供電系統參數 表1

圖6 10kV供電系統主接線

圖7 單相接地故障電流與故障位置的關系

綜上分析可知，由于接地變及接地電阻提供了零序電流通道，但其阻抗又遠比線路零序阻抗大，線路不同位置的單相接地故障電流幅值變化不明顯，且單相接地故障電流幅值不大(≤1 000A)。

3 零序電流保護整定

DL/T 584-2017《3kV～110kV電網繼電保護裝置運行整定規程》要求接地電阻宜為5～30Ω，單相接地故障電流以1 000A為宜，母線連接元件(含變壓器、線路等)配置兩段零序電流保護。《民用建筑電氣設計標準》GB 51348-2019要求配置兩段零序電流保護。但實際國內各地區對接地電阻選擇不同，單相接地故障電流水平不同，運行整定習慣也不相同。對于用戶供電系統的保護整定值除依據規程、系統參數進行整定以外還應滿足與上級電網保護整定值相配合的要求。

仍以圖6中的10kV供電系統為例分析。從第2節分析可知，由于不同位置的單相接地故障電流幅值不大且變化也不大，采用反時限零序電流保護是無法達到保護出口處故障時縮短保護動作時間的目的[6]，階段式零序電流保護也無法通過電流定值的配合實現選擇性動作。為簡化整定配合，線路、母線分段開關、配電變均配置一段零序電流保護。

圖6中的保護3、保護4、保護7、保護8作為線路負荷側保護是無法反應本線路故障的，但作為母線電源側保護是可以反應母線故障，用于防止備自投動作于故障。為簡化整定配合，其整定值與其上級線路保護相同即可，即保護3與保護1、保護4與保護2、保護7與保護5、保護8與保護6的整定值相同。

3.1 動作時間的整定配合

接地變零序電流保護作為系統各元件的總后備保護，各元件的零序電流保護應與其配合。接地變零序電流保護的動作時間為1.7s，根據系統接線分析各保護能否逐級配合并滿足1.7s的限制要求。

10/0.4kV配電變通常為Dyn11聯結，根據Dyn聯結的序分量傳變關系可知y側單相接地故障時，D側沒有零序電流，故其零序電流保護僅反應10kV側單相接地故障，而無需與0.4kV側保護相配合。故保護9、保護10的動作時間為0.1s，以防止避雷器動作引起保護誤動。考慮10kV保護之間時間級差為0.3s，保護78與保護9、保護10的配合，保護5、保護6、保護7、保護8與保護78配合，其動作時間為0.7s；保護34與保護5、保護6配合，其動作時間為1.0s；保護1、保護2、保護3、保護4與保護34配合，其動作時間為1.3s。可以看出保護1、保護2的動作時間能與接地變零序電流保護動作時間1.7s相配合。

3.2 電流定值的整定配合

根據運行經驗，單相接地故障電流在400A左右，接地變零序電流保護電流定值取75A，線路零序電流保護電流定值取60A。根據系統接線、系統參數分析各保護能否逐級配合并滿足60A的限制要求。

10/0.4kV Dyn11配電變零序電流保護的電流定值按躲過勵磁涌流及配電變副邊短路時產生的不平衡電流整定，經驗值可取0.4倍額定電流[7]，則保護9、保護10的電流定值為：

(11)

要求對10kV引出線末端單相接地故障靈敏系數≥2，則：

Ksen=3I0C/I9op=341/44≈8>2

(12)

保護9、保護10的靈敏度滿足要求。保護78的電流定值可與保護9、保護10相同(受60A限制)。

要求對本母線單相接地故障靈敏系數≥2，則：

Ksen=3I0C/I78op=341/44≈8>2

(13)

保護78的靈敏度滿足要求。按靈敏系數為2，結合式(10)可得出其耐受過渡電阻為：

(14)

由于保護78與保護9、保護10的保護范圍不大且基本相同，電流定值相同并不會導致保護78的越級誤動。保護5、保護6與保護78配合，則保護5的電流整定值為：

I5op=KkI78op=1.1×44≈49(A)

式中，Kk為可靠系數，取值不小于1.1。

保護5、保護6的電流定值取49A，靈敏度滿足要求，耐受過渡電阻為46Ω(線路BC長度很短，電容電流可忽略不計)。

保護34與保護5、保護6配合。電流定值取54A，靈敏度滿足要求，耐受過渡電阻為40Ω。

保護1、保護2的電流定值取60A能躲過線路電容電流并與保護34配合，靈敏度滿足要求，耐受過渡電阻為35Ω，則：

(16)

式中，IC為線路電容電流，Kk為可靠系數，取值不小于1.5；S為電纜截面積，mm2；L為電纜長度，km；Ue為系統額定線電壓，kV。

綜上分析，各保護整定值如表2所示。

各保護整定值 表2

4 整定注意事項

圖5中的110kV變電站中10kV線路零序電流保護的動作時間能滿足下級保護逐級配合的要求，較為理想。但也有10kV線路零序電流保護的動作時間較短，難以保證逐級配合，可減少配合級數，縮短動作時間。如母線開關保護僅在母線并列運行時起到縮小故障范圍的作用，在母線分列時不起作用，可按不配合點處理。保護78的動作時間按與保護9、保護10的動作時間相同整定為0.1s，其在C1、C2母線分列運行時不起作用，不會誤動。在線路B1C1帶C1、C2母線并列運行時，C2母線的配電變發生故障，保護78、保護10同時動作，其作用效果與僅保護10動作相同，即切除故障配電變，不影響C1母線的配電變。但若C2母線上有多臺配電變，將受到影響，其負荷短暫失電后由0.4kV備自投動作恢復。保護34同理，但其為開閉站的母線分段保護，動作后將導致下級多個配電站的備自投動作，影響范圍大，條件允許時，其動作時間要與下級出線保護動作時間配合。若斷路器性能允許，還可縮短時間級差，按0.2～0.25s考慮[8]。各保護動作時間如表3所示。

各保護動作時間 表3

配電變零序電流保護電流定值按0.4倍額定電流整定較為保守，若采用零序電流互感器因不存在零序電流濾過器受相電流互感器誤差導致的不平衡電流影響，可按0.2倍額定電流整定，相應地各保護的靈敏度提高，耐受的過渡電阻更大。但電纜線路不像架空線路，經常發生非理想導體的高阻接地故障，基本為低阻接地故障，靈敏度通常沒有問題，其零序電流保護整定主要考慮躲過區外單相接地故障時本線路電容電流以防止保護誤動。某些用戶的線路電容電流較大，如城軌供電系統的線路電容電流可達上百安培，其電流定值不可簡單地應用經驗值，應根據系統參數、運行方式具體計算。

5 結束語

(1)由于低電阻接地系統不同位置的單相接地故障電流幅值不大且變化也不大，為簡化整定配合，系統各元件配置一段零序電流保護，通過動作時間的配合實現選擇性動作。

(2)受接地變零序電流保護或上級變電站線路零序電流保護整定值的限制，對于串供級數較多的接線存在保護逐級配合困難的，可適當選擇不配合點(如末端配電站的母線分段保護)，減少配合級數或降低保護時間級差縮以短動作時間。