330 kV变电站35 kV侧经小电阻接地改造技术可行性分析

刘海涛，牛健

(国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011)

1 背景及意义

在我国电力系统中，6 kV、10 kV 和35 kV 电网一般都采用中性点不接地的运行方式[1]，但是随着城市建设步伐的加快，城市框架被不断扩展，城市中压电网规模也随之增大，再加上近几年城市电网受城区规划、环保和场地等条件制约，对电缆馈线的应用越来越多，城市配网系统的对地电容电流也急剧增加，导致中性点不接地系统在单相接地时接地电弧不能可靠熄灭，出现严重过电压，持续电弧造成空气离解，破坏空气绝缘，近而发生相间短路，扩大事故，产生铁磁过谐振，容易烧坏电压互感器进而引起继电器的损坏[2-7]。这些后果严重威胁设备安全和供电可靠性，因此大城市的配电网开始采取经小电阻接地方式。小电阻接地方式属于大电流接地方式，单相接地时，接地故障电流大，故障特征明显，继电保护配置简单，故障时可快速检测故障并迅速跳闸，能够有效抑制过电压(过电压水平低、持续时间短)[8-11]。

对于电网主网，绝大多数变压器采用YYD型接线，即变压器低压侧无中性点，采用不接地方式。低压侧设备发生接地故障时，没有零序电流，且当短路电流较小时保护无法快速切除故障，高压电器设备长期带故障运行容易造成故障进一步扩大，给电网安全稳定运行带来了巨大隐患[12]。近年来，宁夏电网发生多起因变电站低压设备在发生接地故障时无法快速切除却继续运行，进而导致事故扩大的情况，严重影响了变电站安全可靠运行，因此为了改善上述现状，对330 kV变电站35 kV侧经小电阻接地方式的可行性进行分析与论证。

2 经小电阻接地的方式及位置选择

由于330 kV变电站变压器35 kV低压侧为角型接线形式，且无法进行外部改造。因此，330 kV变电站35 kV侧改造小电阻接地系统需加装接地变压器。

Z型接线(或者称曲折型接线)接地变压器的每一相线圈分别绕在两个磁柱上，两相绕组产生的零序磁通相互抵消，因而Z型接地变压器的零序阻抗很小(一般小于10 Ω)，空载损耗低，变压器容量可以被利用90%以上，而普通变压器零序阻抗要大很多，消弧线圈容量一般不应超过变压器容量的20%，由此可见，Z型接线的变压器作为接地变压器是一种比较好的选择。

330 kV变压器35 kV侧经接地变压器和电阻接地，其接入点可以有两种选择:一种是直接将接地变压器和电阻以一个35 kV间隔方式接入35 kV母线，另一种是直接接在变压器35 kV侧引线上，即35 kV母线与变压器之间，如图1、图2所示。

图1 变压器角形接线侧接地点选择方式一

图2 变压器角形接线侧接地点选择方式二

接地点方式一中，接地变压器和电阻的接地方式比较简单，只需要考虑空间及电气距离等因素。接地变压器和电阻间隔保护配置较为简单，不需要与变压器的保护设备进行配合。在接地点方式二中，接地变压器和电阻的接地点位于变压器差动保护范围内，接地变压器和电阻作为变压器的一部分，其内部故障将直接导致变压器差动保护动作；对于变压器保护区外接地故障情况，由于保护区内有接地点，零序电流流入变压器保护区内，导致差动保护误动。另外，由于此种接线方式下，接地变压器没有独立的断路器，在接地变压器检修时，主变压器需要陪停，且接地变压器绝缘耐压水平相对较低，与主变压器之间没有其他保护设备，当出现接地变压器设备绝缘耐压出现问题或发生接地故障时，将直接导致主变压器低压侧绕组出现过电压甚至绝缘击穿等严重危害，因此，接地点的选择不予考虑直接接在变压器低压侧引线处，本方案后续各类计算、分析均只考虑第一种方式。

3 保护配置分析

目前，330 kV变电站中，35 kV侧电容器、电抗器、站用变压器等设备均配备有独立的保护设备，但因为35 kV侧为不接地系统，所以35 kV各低压保护中的零序保护功能均未投入。当进行35 kV侧改经接地变压器和接地电阻方式接地时，35 kV系统中存在接地点，接地故障时有零序电流，各低压保护中的零序保护功能可经过重新整定后直接投入，不需要进行保护装置的程序升级或设备改造。

当保护装置用于小电阻接地系统，接地零序电流相对较大时，可以用直接跳闸方法来隔离故障。相应地，作为接地变压器保护装置，提供了两段零序过流保护来作为母线接地故障的后备保护，一段零序过流报警功能，其中零序过流Ⅰ段分为3 时限，公用零序过流Ⅰ段定值，独立时间定值，控制字独立投退，零序过流告警定值及时间定值与零序过流Ⅱ段公用，控制字独立投退。当零序电流作跳闸和报警用时，其既可以由外部专用的零序CT引入，也可用软件自产(保护控制字定值中有“零序电流采用自产零流”控制字)。为了零序保护采样的准确性和动作的快速性，在条件允许的情况下，可加装接地变压器、电容器、电抗器、站用变压器等间隔的专用零序CT。

4 仿真分析

基于省地一体化继电保护定值整定及仿真系统建立某330 kV变电站设备及系统模型，其35 kV系统模型如图3所示，各35 kV高压设备参数均采用变电站实际参数设置，接地变压器参数按照表1设置。

图3 某变电站35 kV以Z型接地变经中性点电阻接地模型

表1 接地变压器模型参数

4.1 变压器35 kV侧经小电阻接地前后故障计算

分别按照330 kV变电站35 kV侧不接地方式和经小电阻接地方式，在系统大、小运行方式下进行仿真计算，当35 kV母线发生故障时，仿真计算结果如表2所示。

表2 35 kV母线故障时的短路电流计算结果

从上述计算结果可以得出，330 kV某变电站35 kV系统加装接地变压器和接地电阻后，35 kV母线发生单相接地故障时，短路电流变化不大，零序电流变化明显，从8.9 A变为2692 A(小方式)。加装接地变压器(中性点经5 Ω小电阻接地)导致的零序电流变化明显，适合增配零序电流保护的要求。

4.2 不同接地电阻情况下支路故障计算

分别将接地变压器中性点电阻设置为5 Ω、10 Ω，在大方式下，设置故障点为电抗器支路，则电抗器支路的零序电流计算结果如表3所示。

表3 不同接地电阻情况下电抗器支路故障短路电流计算结果

从上述计算结果可以得出，接地变压器中性点电阻分别取5 Ω、10 Ω时，35 kV母线接地故障时，电抗器支路的零序电流分别为2677 A和1653 A(大方式)，电抗器支路零序短路电流随着接地电阻的增大而减小。

4.3 电容器退出运行对短路电流影响计算

考虑到330 kV变电站无功调节等因素，在变电站正常运行过程中会进行电容器投退运行，当电容器退出运行时，接地变压器中性点电阻为5 Ω，对35 kV发生接地故障进行仿真计算，计算结果如表4所示。

表4 电容器退出运行对短路电流影响计算结果

从上述计算结果中可以看出接地变压器中性点电阻为5 Ω，35 kV母线接地故障时的零序电流为896 A(大方式，3I0为2688 A)，与表2计算结果对比，发现电容器投退对零序电流影响不大。

4.4 电容器支路故障零序电流复核计算

当电容器支路发生单相接地故障时，电容器(容抗)、接地变压器(零序电抗)、接地电阻(阻抗)串联组成了零序网络。根据串联零序网络公式可计算出零序电流为

其中接地变压器零序阻抗为0.5 Ω，电容值为904 μF，接地电阻为6 Ω，且由于主变压器低压侧采用△接线，隔离了高、中压侧零序电流，因此零序网络不考虑系统等效阻抗。根据计算结果可以得出，基本与电抗器支路零序电流计算结果一致。

5 结 论

通过对某330 kV变压器35 kV侧发生故障，经小电阻接地前后运行方式的计算结果分析，330 kV变压器35 kV侧经小电阻接地后系统中出现明显的短路电流，该短路电流随着接地电阻的增大而减小，且该接地方式不受运行过程中的电容器投退影响。该零序短路电流值可被继电保护判断并快速动作，从而隔离故障,因此，通过在330 kV变压器35 kV侧改由经小电阻接地方式能够解决单相接地不易被快速诊断并隔离的问题。