小电阻接地系统单相接地故障下零序保护分析

杨健康

（国网南京供电公司，江苏 南京 210000）

近年，南京供电公司在部分消弧线圈设备老化、容量不能满足补偿要求及电容电流较大的变电站实施中性点接地方式改造，逐步将接地变中性点经消弧线圈接地改造成经小电阻接地。同时，在新投运的负荷集中的城区变电站采用小电阻接地方式。本文分析小电阻接地系统下不同接地点处零序电流的流通路径，从而加深对零序保护配置的理解；结合工作实际，就改造过程中遇到的一些问题进行讨论。

1 单相接地故障时零序电流特性分析

小电阻接地系统发生单相接地故障时，系统将产生较大的零序电压和零序电流，零序电流产生的原因是在故障点了施加了零序电压，经过故障支路、接地变的接地支路构成流通回路。零序电流的分布，主要取决于线路的零序阻抗和接地变中性点的零序阻抗，而与系统电源的位置和数目没有关系[1]。

2 不同接地点零序电流流通路径分析

图1 为小电阻接地系统的典型接线图，TA1 为主变10 kV侧流变、TA2为线路流变、TA3为接地变流变、TA4 为小电阻流变。下面分别讨论在不同地点发生单相接地短路时，零序电流的流通路径。方法就是在接地点模拟加零序电压U(0)，分析零序电流流通的路径，如图2所示，其中x1、x2分别为接地点K1、K2 到 10 kV 母线的等值零序电抗，x3为 K3 点到接地变中性点的等值零序电抗，以上均忽略电阻。3r为在零序序网图中接地点处等效电阻。

图1 典型小电阻接地系统图

K1点短路，如图2（a）所示，零序电流流通路径为x1→x3→3r→大地，流过流变TA1、TA3、TA4的零序电流相同，均能反映K1点单相接地时的零序电流。但该故障点在主变差动动作范围内，此时主变差动保护存在较大差流，由主变差动保护动作切除故障点。

K2点短路，即线路流变以后的线路部分存在单相接地故障。如图2（b）所示，零序电流流通路径为x2→x3→3r→大地，流过流变TA2、TA3、TA4 的零序电流相同，均能反映K2点单相接地时的零序电流。本线路的零序过流保护动作，保护范围为本间隔流变以后的出线部分。

图2 零序等值电路图

K3 点短路，即与10 kV 母线相连的所有支路流变之间的设备存在单相接地故障。如图2（c）所示，零序电流通路径为x3→3r→大地，流过流变TA3、TA4的零序电流相同，均能反映K1点单相接地时的零序电流。此时没有主保护可以动作隔离故障点，只能通过后备保护来隔离故障点。接地变的零序过流保护可以同时跳接地变开关和主变低压侧开关，也可单独跳接地变开关而不跳主变低压侧开关。保护动作行为取决于变电站10 kV系统正常运行时电容电流值。当10 kV系统正常运行时电容电流在可接受范围内，可不接地运行一段时间，保护可以只跳小电阻开关和接地变开关，不必跳主变低压侧开关，提高了系统供电可靠性。当10 kV 系统正常运行时的电容电流较大，系统不允许不接地运行，在跳接地变小电阻或接地变开关导致系统失去接地点时，此时保护必须动作于主变低压侧开关跳闸。

K4点短路，即接地变流变以后的电缆部分及接地变存在单相接地故障。如图2（d）所示，零序电流流通路径为3r→大地，流变TA3不能反映零序电流，仅流变TA4流过零序电流，能反映K4点单相接地时的零序电流。保护动作逻辑同K3点，此处不再赘述。

从以上4点可以看出，流变TA4可以反应以上4个故障时的零序电流，接地变零序保护不仅可以作为接地变本间隔单相接地故障的主保护，还可以作为10 kV 系统其他元件单相接地故障的后备保护。因此接地变零序过流保护的定值与时限也应考虑与10 kV 出线零序过流保护配合，以免出现单相接地故障时接地变先于出线动作跳闸，使系统接地方式由小电阻接地恢复到不接地方式，不利于电缆运行和故障的查找，小电阻接地不能发挥应有的作用。

3 零序电流获取问题分析

3.1 出线零序电流互感器的选择

在10 kV小电阻接地系统中，主要有2种方式获取线路零序电流：第一种零序外接方式，取自独立的零序流变；第二种是零序自产方式，取自装设在线路开关柜内的反映分相电流的三只流变，保护装置通过向量相加的方式获得零序电流[2]。

根据现场经验，零序保护采用外接方式获取零序电流存在安全隐患：外接零序流变或者回路有故障时，易造成保护拒动，而保护装置无法自检、判断发信；现场工作中，经常出现电缆外屏蔽层接错的现象，导致零序流变测量范围内包含了屏蔽层中的电流，容易造成保护误动；在线路零序保护的死区内（零序流变与三相流变间）发生单相接地时，如选用外接零序方式，故障属于K3点故障，将由后备接地变零序过流保护动作，导致事故范围的扩大；如选用自产零序方式，故障属于K2点故障，由本间隔零序过流保护动作跳闸，限制了事故范围。建议线路零序保护应尽可能采用自产零序电流，即经过线路三相电流合并而成。

3.2 接地变零序电流互感器的选择

由前述分析可知，接地变流变以后的电缆部分及接地变存在单相接地故障时，零序电流流过TA4，而不流过TA3。因此，为使接地故障的保护范围包含接地变内部设备，同时避免重复配置零序电流保护，接地变零序过流保护电流应取自TA4。但在实际应用中时有人员因工作原理不清楚将TA3 接至接地变零序过流保护。而验收人员未能发现该隐患。接地变电缆较短，发生单相接地的概率较小，误接线不易被发现。一旦发生单相接地，将出现接地变零序保护拒动的严重后果。应开展关于接地变零序保护流变配置情况的专项检查，确保投入运行的接地变零序过流保护电流取自接小电阻处流变[3]。