小电阻接地方式下接地变压器零序差动保护的研究及应用

廖峰，陈锦荣，黎永豪，王跃强，徐聪颖

(广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000)

电力系统的中性点接地方式[1]一般分为直接接地和非直接接地，非直接接地又包括经消弧线圈接地、经小电阻接地和不接地。直接接地多用于高压输电网，而非直接接地多用于中低压配电网。中压电力系统运行经验表明，中性点采用经消弧线圈接地[2-3]的方式优点显著，其电磁兼容性好，有利于接地电弧的快速熄灭，对于提高电力系统的供电可靠性、保证电网安全可靠用电有重要作用[4]；但其缺点是不能快速跳闸并隔离电网故障。对于10 kV配电网而言，前期大部分地区采用消弧线圈接地，部分发达地区(如珠三角城市等)较早开始使用小电阻接地[5-11]。

随着中压配电网的日益坚强与电网自愈技术的日渐发展，电力系统在考虑供电可靠性的同时，开始更多地考虑如何保障人身安全、降低配电网触电风险。基于当前电网技术条件的发展与生产理念的转变，为降低10 kV配电网人身触电风险，中国南方电网有限责任公司自2017年起，逐步将10 kV配电网的接地方式由原来的消弧线圈接地改为小电阻接地。

根据某地区10 kV配电网近3年的故障数据统计结果，70%的故障为单相接地故障，采用小电阻接地方式势必造成跳闸次数的急剧增加，继电保护装置动作的准确性直接影响着用户最大范围的安全可靠供电。小电阻接地方式下，发生单相接地时故障电流通过接地变压器(以下简称“接地变”)中性点与故障接地点形成零序通路，接地变与故障线路均有零序电流流过。目前，接地变保护的整定规范规定：10 kV系统发生单相接地故障时，接地变保护为躲过10 kV馈线故障，不会快速跳本侧开关，而是经短延时跳10 kV分段开关、长延时跳主变压器(以下简称“主变”)低压侧开关(以下简称“变低开关”)。因此，当接地变内部或相关引下线发生单相接地故障时，接地变保护不能快速跳开本侧开关、准确地隔离故障，导致联切分段或变低开关，引起10 kV母线失压，扩大停电范围。为确保上述故障情况下，接地变保护能够快速、准确地识别和隔离一次故障，缩小停电范围，确保人身安全，本文提出一种小电阻接地方式下的零序差动保护。

1 接地变零序差动保护原理

1.1 保护原理

按照Q/CSG 110037—2012《南方电网10 kV～110 kV系统继电保护整定计算规程》中关于接地变零序电流保护跳闸方式要求，在小电阻接地方式下，现有的保护方法在接地变内部发生故障时，由于无法准确识别故障点，接地变零序保护不能在第一时间跳开接地变开关，将经过2.7 s和3.0 s的延时后，分别跳10 kV分段、闭锁分段备自投和跳主变变低开关，导致整段10 kV母线失压，扩大停电范围，不利于电力系统安全可靠供电；因此，很有必要对接地变内部故障的识别方法进行研究，以提高故障识别准确率，确保快速、准确地隔离接地变内部故障，保证接地变保护动作的准确性与可靠性，维护电网的安全可靠运行。典型变电站小电阻接地主接线如图1所示。

图1 变电站小电阻接地接线图Fig.1 Small resistance grounding wiring diagram of substation

传统的零序差动保护主要应用于变压器保护[12-13]与输电线路保护[14-15]，作为其他类型保护的一个重要补充；但所采用的原理各有不同，也有一些改进方法[16-19]，主要针对零序差动保护的原理与实现方式。而在接地故障识别方面，有采用比较零序电流的方式[20]，也有利用零序功功率方向[21-22]作为判据。不同于上述方法，本文采用的零序差动保护通过电源侧开关零序电流互感器(current transformer，CT)(TA1)与接地点侧中性点零序CT(TA2)配合，完成零序差动保护的逻辑，实现对接地故障的识别，如图2所示。

图2 接地变内部故障及零序电流回路Fig.2 Internal fault and zero sequence current circuit of grounding transformer

当发生10 kV馈线故障时，TA1与TA2流过的零序电流相同，零序差动电流为0，可判定区外故障，保护不动作；当接地变内部发生单相接地故障时，TA1与TA2感受到的零序电流不相同，存在差动电流，若差动电流值大于差动门槛值，零序差动保护动作，迅速跳开接地变开关，隔离故障。

1.2 动作逻辑

接地变零序差动保护的动作特性曲线如图3所示。

图3中：阴影部分区域为保护动作区；白色区域为制动区；Id,set为零序差动电流整定值；K为制动系数；纵坐标零序差动电流

图3 动作特性曲线图Fig.3 Action characteristic curve

(1)

(2)

零序差动保护的判据为：

(3)

(4)

式中：KCTx为中性点侧CT变比的原边侧数值；KCT1为接地变高压侧开关CT变比的原边侧数值。

接地变零序差动保护动作逻辑流程如图4所示。

图4 动作逻辑流程Fig.4 Action logic flow chart

1.3 零序差动保护相关定值

a)零序差动电流门槛值。对于接地变零序差动保护的差动电流门槛值，现有整定规范暂无相关要求，由于正常运行时接地变不带负荷，只有故障时才出现电流，故障特征较明显。考虑到10 kV线路故障时，线路零序电流与流过接地变的零序电流相等，而线路零序保护动作一次值一般为60 A，在设置接地变零序CT门槛值时，可考虑取同一数值。

b)零序差动保护动作时间。对于零序差动保护的动作时间，从防误动和快速性2个方面考虑，可采用以下2种方式：①考虑区外故障防误动时，应与下级线路10 kV零序保护时间相配合，即大于线路零序保护末段跳闸时间，例如1.5 s；②由于差动保护考虑快速动作，在确保零序差动电流二次回路无误且逻辑正确的情况下，可采用较短延时甚至无延时，例如0.1 s。现场可根据使用需求选取上述2种方式。

c)制动系数K。一般K取经验值0.6，现有主变差动保护的制动系数采用的是0.5与0.75两段，考虑到接地变在正常运行状态时三相均无负荷，电流基本为0，而且因采样误差导致的不平衡电流又较小；所以不平衡或穿越电流的影响较小，将K值曲线的斜率简化为一段已能满足计算需求。该值在程序中固化，无需现场整定。

d)中性点CT变比调整系数Ktz。Ktz有效范围为0～10，为防止定值设置不当导致CT调整系数异常大，对Ktz设置上限门槛，即若计算出CT变比调整系数大于10，也置为10；但在实际工程应用中两侧零序CT一般选用相同变比，即Ktz=1。调整系数根据两侧变比在保护程序中自动计算生成，无需现场整定。

2 接地变保护的改造与调试验收

2.1 保护改造

根据现有一次设备结构，基于零序差动保护原理，提出一种接地变保护新方法，目标是：利用现有接地变开关零序CT和接地点零序CT，构成零序差动判别元件，在区内发生单相接地故障时准确判别故障，跳开接地变开关；而在区外故障时，能够准确不动作，从而有效隔离接地变本身故障。该提方法能快速识别并切除自身故障，不扩大停电范围，消除故障对系统的影响，缩短停电时间；且方案实施改造的作业范围小，需改动的二次回路少，降低了运维风险，可确保配电网的安全、可靠、有序供电。具体如下：

a)一次设备方面，增加1组零序CT。在原有接地变中性点零序CT的基础上，增加接地变开关侧零序CT，以便与小电阻侧零序CT形成零序差动保护，有效区分接地变内部或是外部故障，如图2所示。此外，安装零序CT时，需注意极性指向需统一，便于后续保护功能测试的正确性。

b)保护装置增加1组零序采样通道。现有的保护配置10 kV侧一般只有1组零序采样通道，可采取2种方式再增加1组：一是将接地变保护装置的380 V侧零序通道改为接地变开关侧零序CT；二是更换采样插件，增加1组零序采样通道。

c)升级保护程序，改为具备零序差动功能的程序版本。已根据需求，开发了具备零序差动功能的接地变保护装置，并在若干个变电站试点应用。

d)二次回路方面，增加1组零序电流回路，供接地变开关侧零序CT使用。除增加零序差动保护跳接地变本侧开关回路外，还应注意结合改造来完善接地变保护联切对应主变变低开关和母联开关、闭锁10 kV备自投回路。

2.2 调试验收

改造后的接地变零序保护装置的调试验收包括了保护装置的逻辑功能验收、二次回路验收以及整组传动。

2.2.1 零序差动保护逻辑功能验收

根据相关管理规定，需提前向上级部门做好保护装置特殊版本的备案工作，现场验收时需核对装置版本是否与备案版本一致。对于装置验收，除原有接地变保护功能逻辑外，需重点验收新增的零序差动保护功能，严格按照验收规范，逐项进行试验，确认结果无误方可。

现场用试验仪给接地变保护装置施加交流电流或电压，装置采样测试结果见表1，从表中可以看出，各相相电流(Ia、Ib、Ic)、零序电流(开关侧零序电流Ioh、中性点侧零序电流Ioz)以及各相相电压(Ua、Ub、Uc)的采样误差均在5%以内，符合相关规范要求。

表1 保护采样测试结果Tab.1 Protection sampling test results

表2为零序差动保护逻辑测试情况统计表，分别根据零序差动保护的功能投退、差动门槛值、制动系数、出口时间等内容进行了详细的测试，并获得了详细的测试结果。根据测试结果显示，在保护功能投入、差动电流大于1.05倍门槛值且落在动作区间内时，保护能够正确、可靠动作，测得的出口时间为116.7 ms，与装置整定的零序差动保护动作时间相近。

表2 零序差动保护逻辑测试情况统计Tab.2 Logic test statistics of zero sequence differential protection

2.2.2 二次回路验收

二次回路的验收包括零序互感器屏蔽线接法是否正确、零序电流回路、接地变联跳回路等。

为避免因屏蔽线接错而导致零序电流出错，影响零序差动保护的正确动作，安装调试与验收时，必须严格按照GB 50168—2018《电气装置安装工程 电缆线路施工及验收规范》对零序互感器屏蔽线进行验收，正确接法如图5所示。

图5 零序互感器屏蔽线接法Fig.5 Connection modes of shield wire of zero sequence transformer

零序CT安装后，还需进行一次设备的升流试验，验证零序差动保护两侧零序CT极性安装的正确性。本文针对两侧零序CT极性指向的不同组合，进行了分组测试，结果见表3。

表3 零序CT极性测试情况统计Tab.3 Statistics of polarity test of zero sequence CT

由表3可知：当两侧零序CT指向一致时(即均指向或均不指向10 kV母线)，接地变零序差动保护能够根据差动电流情况，准确地反映出区内、区外故障，此时零序CT极性安装正确；而当两侧零序CT指向不一致，在发生接地变区内、区外故障时，零序差动电流均不为零，容易出现误动或拒动情况，保护无法准确识别故障，因此此类CT极性安装不正确。

此外，接地变保护的零序电流回路、联跳回路，应按照GB/T 50976—2014《继电保护及二次回路安装及验收规范》开展验收，并对相应开关进行实际传动，确认跳闸矩阵无误。

3 零序差动保护特性与注意事项

3.1 保护特性

接地变零序差动保护能有效解决接地变内部发生单相故障时，跳开10 kV分段、主变变低开关，导致停电范围扩大的问题，防止10 kV母线失压造成五级事件。本方法具有以下优点：

a)故障识别准确，能快速区分区内还是区外故障；

b)零序差动保护动作延时短，故障切除速度快；

c)能有效缩小停电范围，防止故障影响扩大；

d)设计原理与接线简单，易实现；

e)对现场回路改动小，改造过程安全可控；

f)区内、区外故障量区分度大，易检验。

3.2 注意事项

a)零序CT一次额定电流宜选与小电阻侧零序CT一致，站用变压器、接地变、电容器组等10 kV开关柜均应配置零序CT。

b)零序CT应选用闭环式，为满足保护装置灵敏度要求，不采用自产零序电流的方式进行采样。

c)同一段母线(含同一台主变对应的双分支母线)的零序CT宜统一变比、型式和安装方式等技术参数。

d)完善10 kV出线、站用变压器、电容器组的零序保护及回路，完善接地变保护联切对应主变变低开关和母联开关、闭锁10 kV备自投回路。

e)接地变采用零序差动保护后，当接地变保护因内部故障跳开本侧开关时，该段母线及相应系统将失去接地点。此时，当值调度应采取措施恢复运行母线小电阻接地运行方式。若无法恢复小电阻接地运行，则由当值调度处置10 kV母线的运行方式，例如遥控合上10 kV母联或分段开关，采用并列运行方式。

f)采用零序差动保护后，接地变上、下级保护的定值必须进行相应的调整，做好极差配合且满足灵敏度要求。

g)定期巡视投运后的带零序差动功能的接地变保护，查看第一次区外故障，即10 kV线路故障时接地变零序差动保护功能是否能够可靠不动作，确保新挂网保护的运行状况良好。

4 结论

a)利用接地变零序差动保护能够快速、准确地识别接地变内部的单相接地故障，有效地隔离故障，避免扩大停电范围，确保了电网的安全可靠运行。

b)接地变零序差动保护改造原理简单，外部回路变动少，有利于对改造过程的管控，确保改造工程的安全、可靠实施。

c)采用接地变零序差动保护后，一旦接地变内部出现单相接地故障，接地变开关将在第一时间被切除，对应的10 kV母线和馈线网络将因失去接地点变为不接地运行方式，对保护定值、运行方式、调度控制、事故处理等方面有较大影响；因此应加强改造后的变化管理，充分做好风险辨识，组织应对措施。