配電變壓器中性點零序電流保護研究

周 雨

（北京地鐵運營有限公司，北京 102627）

0 引 言

在電力系統中，變壓器是電力系統中的重要設備，其安全運行關系到電力系統能否連續穩定工作。由于電力變壓器的重要地位，人們一般都比較關注電力變壓器的運行及保護配置，相比之下，對配電變壓器的研究相對較少。對于大型的配電系統，配電變壓器的容量較大，重要負荷較多，其安全運行也至關重要。陸地配電系統一般為TN-S 或TN-C-S 系統，配電變壓器的接線方式一般為Dyn11，低壓側中性點為直接接地，低壓單相接地短路電流較大，發生故障時危害極大，需要快速切除故障，保證人身及設備安全[1]。

1 單相接地故障

單相接地故障的故障電流隨配電系統中性點接地方式不同有很大差別。配電變壓器低壓側中性點不接地以及經大電阻或消弧線圈接地的配電系統，發生單相接地故障后，由于沒有形成回路，接地故障電流為對地電容電流，一般較小，可繼續運行一定時間，但應有報警，以便及時查找故障。配電變壓器低壓側中性點直接接地的配電系統發生單相接地故障后，接地相經過大地與電源中性點形成回路，故障電流為短路電流，一般較大，繼電保護應可靠、迅速且有選擇性地切除故障。由此表明，中性點直接接地系統發生單相接地故障時，對系統和電氣設備的影響較大，應予以高度重視。

1.1 低壓系統影響

對于中性點直接接地的低壓系統來說，單相接地電流較大，尤其對于零序阻抗小于正負序阻抗的系統來說，單相接地故障電流將大于三相短路電流，所以低壓系統要設置完善的接地故障保護系統。

1.2 高壓系統影響

對于Dyn11 接線方式的配電變壓器，高壓側與低壓側的電流向量如圖1所示，其中I表示電流，A、B、C 表示高壓繞組，a、b、c 表示低壓繞組。

圖1 高／低壓側的電流向量

當變壓器低壓側發生單相接地故障時，低壓系統的短路電流由正序電流、負序電流以及零序電流組成。由于變壓器高壓側是角形接線，零序電流不能流經變壓器的高壓側，變壓器高低壓側的電流向量如圖2 所示。

圖2 單相接地故障時變壓器高低壓側的電流向量

由向量圖2 可知，變壓器低壓側發生單相短路故障時，低壓側的電流為正序相電流的3 倍，反映出高壓側的故障是兩相短路，短路電流大小為低壓側短路電流折算到高壓側后的。

2 零序電流保護

2.1 零序保護功能設置

2.1.1 低壓進線側

變壓器低壓側一般均安裝零序保護CT，用于保護低壓母線及出線，低壓保護裝置內部可以計算合成零序電流，用作低壓母線接地保護的主保護和低壓柜出線單相接地保護的后備保護，但是無法保護變壓器低壓套管及低壓盤進線柜之間的接地短路故障[2]。

2.1.2 高壓出線側

當變壓器低壓側發生短路時，高壓側反映的是兩相短路，且短路電流較小，因此如果使用變壓器高壓側的過流保護功能保護低壓側單相短路，則短路持續時間過長，對設備的損壞較大，尤其是定時限過流保護，有可能超過低壓系統能夠承受的短路持續時間1 s，使故障進一步擴大。

2.1.3 變壓器中性點

為了能夠快速切除低壓系統單相短路故障，建議在變壓器中性點設置零序CT，用于檢測變壓器低壓側的單相接地故障，并作為低壓出線單相接地故障保護的后備保護。

2.2 零序保護CT 安裝位置

由于低壓配電系統的接地型式不同，變壓器中性地零序保護CT的安裝位置也會有差異，如圖3所示。以常用的TN-S 系統為例，正常運行時由于系統三相不平衡，產生的不平衡電流會流經N 線。方案一的CT 安裝在相線和N 線中間，不平衡電流會流經安裝在變壓器中性點上的零序CT，造成零序電流檢測不準確，并且零序保護的整定值必須躲開最大不平衡電流，否則不平衡電流會導致零序保護誤動；方案二的N 線在零序互感器的內側，零序CT 檢測不到不平衡電流，零序保護不會因為不平衡電流導致誤動作[3]。

圖3 中性點CT 安裝位置

2.3 零序電流保護功能配置

變壓器中性地零序保護裝置設在高壓側還是低壓側，要根據項目的具體情況確定。如果變壓器距離高壓側較遠或高壓側屬于不同的工程范圍，則零序保護功能設在低壓側比較合理。如果變壓器距離高、低壓側均較近且屬于同一工程范圍，則設在高、低壓側各有利弊。

2.3.1 低壓進線側

低壓進線一般不設置零序CT，因此變壓器中性點零序CT 電流可以接入低壓進線保護裝置，利用進線保護裝置內零序CT保護功能，不需要新增保護裝置，設備投資小。進線保護裝置默認在故障情況下只跳低壓進線，但是變壓器中性點零序保護范圍包括變壓器低壓側，需要單獨增加低壓零序保護動作聯跳高壓側斷路器的連鎖跳閘。

2.3.2 高壓出線側

高壓出線一般均設置零序CT，且保護裝置一般只有1 個零序電流輸入口，如果高壓變壓器出線設有2 套保護裝置，則CT 電流可以直接接入其中1 套裝置；如果高壓變壓器出線只設有1 套保護裝置，則需要為零序CT 新增1 套保護裝置，投資較大。一般工程項目中，變壓器高壓側保護動作跳閘均聯跳低壓側，不需要為零序保護設置額外的連鎖跳閘，接線相對簡單。當低壓母聯啟動自動轉換開關（Automatic Transfer Switch，ATS）功能時，高壓保護動作聯跳低壓側不需要閉鎖ATS，此時需要額外增加閉鎖邏輯功能，保證零序保護動作閉鎖ATS 功能[4]。

3 零序保護整定方法

零序電流保護定值一般分為定時限過流保護和反時限過流保護。

3.1 定時限過流保護

定時限過流保護分為瞬時過流保護和時限過流保護2 種。

3.1.1 瞬時過流保護

與一般瞬時電流速斷保護類似，它的動作電流由躲過被保護線路末端單相或兩相接地短路時通過本保護裝置的最大零序電流確定，變壓器中性點一般與低壓進線距離較近，最大接地短路電流基本沒有差別，因此瞬時保護基本沒有保護區間。

3.1.2 時限過流保護

常規保護整定中，一般低壓進線會通過相電流內部合成的零序電流完成保護操作，變壓器中性點零序保護需要與低壓進線保護相配合。由于低壓進線零序保護要躲過低壓不平衡負荷電流，整定值較大，但是變壓器中性點零序CT 檢測不到負荷不平衡電流，整定值可以不考慮與低壓進線配合；保護整定跳閘時，需要考慮低壓進線，以防低壓母線處發生接地故障時，造成變壓器不必要的停機[5]。

3.2 反時限過流保護

反時限過流保護指由于短路的位置、電流大小不同，保護的動作時限也有所差異。在線路靠近電源端或是短路電流較大時，保護動作的時間就會較短。但時限配合較復雜，需要借助計算軟件來完成，使用電氣計算軟件ETAP 可以完成反時限的保護配合。

4 工程實例

4.1 工程概況

某項目電力系統的電壓有33 kV、11 kV 和0.4 kV共3 個電壓等級，因此選用33/11.5 kV 變壓器和11/0.42 kV 變壓器。

4.2 低壓零序電流保護配置

11/0.42 kV 變壓器的接線方式為Dyn11，低壓系統中性點接接地方式為直接接地，根據短路計算0.4 kV側最大單相短路電流為38.3 kA，最小短路電流為23.5 kA。11/0.42 kV 變壓器出線差動保護與后備過流保護分開設置，所有變壓器中性地零序CT 信號傳送至11 kV 出線保護裝置；0.4 kV 系統采用中性點直接接地，單相短路電流較大，零序保護采用反時限過流保護。

4.3 保護配合

低壓單相接地故障保護分別設在0.4 kV 分段Relay3、0.4 kV 進線Relay1 和變壓器中性點Relay7，考慮與低壓零序出線配合，低壓分段零序保護的速斷段時限為0.35 s，低壓進線和變壓器中性點的保護最小級差不小于0.25 s，變壓器中性點零序保護最快跳閘時間為0.9 s，滿足低壓系統要求（1 s）。

如果變壓器中性點未裝設零序保護，當變壓器低壓側套管處發生單相接地短路時，將通過11 kV 變壓器出線保護Relay6 中的相間過流保護將故障切除，短路電流折算到高壓側后約為845 A。根據Relay6 的過流保護曲線可知，要切斷845 A 的短路電流大約需要1.5 s，超過低壓系統要求。

5 結 論

對于重要的配電變壓器，合理配零序電流保護裝置可以準確、快速地切斷接地短路故障電流。由于國內外各項目的實際情況不同，沒有一種保護配置適用于所有項目。通過工程實例可知，在低壓側直接接地的配電變壓器低壓中性點設零序CT 可以有效增強低壓系統接地故障保護的可靠性。因此，建議在工程項目中，根據低壓負荷的重要性及系統短路電流情況，在高壓側過流保護不能有效保護變壓器低壓側套管時，于中性點設零序電流互感器及中性點零序電流保護，并與低壓系統出線、母聯及進線接地故障保護相配合。