配电变压器中性点零序电流保护研究

周 雨

（北京地铁运营有限公司，北京 102627）

0 引 言

在电力系统中，变压器是电力系统中的重要设备，其安全运行关系到电力系统能否连续稳定工作。由于电力变压器的重要地位，人们一般都比较关注电力变压器的运行及保护配置，相比之下，对配电变压器的研究相对较少。对于大型的配电系统，配电变压器的容量较大，重要负荷较多，其安全运行也至关重要。陆地配电系统一般为TN-S 或TN-C-S 系统，配电变压器的接线方式一般为Dyn11，低压侧中性点为直接接地，低压单相接地短路电流较大，发生故障时危害极大，需要快速切除故障，保证人身及设备安全[1]。

1 单相接地故障

单相接地故障的故障电流随配电系统中性点接地方式不同有很大差别。配电变压器低压侧中性点不接地以及经大电阻或消弧线圈接地的配电系统，发生单相接地故障后，由于没有形成回路，接地故障电流为对地电容电流，一般较小，可继续运行一定时间，但应有报警，以便及时查找故障。配电变压器低压侧中性点直接接地的配电系统发生单相接地故障后，接地相经过大地与电源中性点形成回路，故障电流为短路电流，一般较大，继电保护应可靠、迅速且有选择性地切除故障。由此表明，中性点直接接地系统发生单相接地故障时，对系统和电气设备的影响较大，应予以高度重视。

1.1 低压系统影响

对于中性点直接接地的低压系统来说，单相接地电流较大，尤其对于零序阻抗小于正负序阻抗的系统来说，单相接地故障电流将大于三相短路电流，所以低压系统要设置完善的接地故障保护系统。

1.2 高压系统影响

对于Dyn11 接线方式的配电变压器，高压侧与低压侧的电流向量如图1所示，其中I表示电流，A、B、C 表示高压绕组，a、b、c 表示低压绕组。

图1 高／低压侧的电流向量

当变压器低压侧发生单相接地故障时，低压系统的短路电流由正序电流、负序电流以及零序电流组成。由于变压器高压侧是角形接线，零序电流不能流经变压器的高压侧，变压器高低压侧的电流向量如图2 所示。

图2 单相接地故障时变压器高低压侧的电流向量

由向量图2 可知，变压器低压侧发生单相短路故障时，低压侧的电流为正序相电流的3 倍，反映出高压侧的故障是两相短路，短路电流大小为低压侧短路电流折算到高压侧后的。

2 零序电流保护

2.1 零序保护功能设置

2.1.1 低压进线侧

变压器低压侧一般均安装零序保护CT，用于保护低压母线及出线，低压保护装置内部可以计算合成零序电流，用作低压母线接地保护的主保护和低压柜出线单相接地保护的后备保护，但是无法保护变压器低压套管及低压盘进线柜之间的接地短路故障[2]。

2.1.2 高压出线侧

当变压器低压侧发生短路时，高压侧反映的是两相短路，且短路电流较小，因此如果使用变压器高压侧的过流保护功能保护低压侧单相短路，则短路持续时间过长，对设备的损坏较大，尤其是定时限过流保护，有可能超过低压系统能够承受的短路持续时间1 s，使故障进一步扩大。

2.1.3 变压器中性点

为了能够快速切除低压系统单相短路故障，建议在变压器中性点设置零序CT，用于检测变压器低压侧的单相接地故障，并作为低压出线单相接地故障保护的后备保护。

2.2 零序保护CT 安装位置

由于低压配电系统的接地型式不同，变压器中性地零序保护CT的安装位置也会有差异，如图3所示。以常用的TN-S 系统为例，正常运行时由于系统三相不平衡，产生的不平衡电流会流经N 线。方案一的CT 安装在相线和N 线中间，不平衡电流会流经安装在变压器中性点上的零序CT，造成零序电流检测不准确，并且零序保护的整定值必须躲开最大不平衡电流，否则不平衡电流会导致零序保护误动；方案二的N 线在零序互感器的内侧，零序CT 检测不到不平衡电流，零序保护不会因为不平衡电流导致误动作[3]。

图3 中性点CT 安装位置

2.3 零序电流保护功能配置

变压器中性地零序保护装置设在高压侧还是低压侧，要根据项目的具体情况确定。如果变压器距离高压侧较远或高压侧属于不同的工程范围，则零序保护功能设在低压侧比较合理。如果变压器距离高、低压侧均较近且属于同一工程范围，则设在高、低压侧各有利弊。

2.3.1 低压进线侧

低压进线一般不设置零序CT，因此变压器中性点零序CT 电流可以接入低压进线保护装置，利用进线保护装置内零序CT保护功能，不需要新增保护装置，设备投资小。进线保护装置默认在故障情况下只跳低压进线，但是变压器中性点零序保护范围包括变压器低压侧，需要单独增加低压零序保护动作联跳高压侧断路器的连锁跳闸。

2.3.2 高压出线侧

高压出线一般均设置零序CT，且保护装置一般只有1 个零序电流输入口，如果高压变压器出线设有2 套保护装置，则CT 电流可以直接接入其中1 套装置；如果高压变压器出线只设有1 套保护装置，则需要为零序CT 新增1 套保护装置，投资较大。一般工程项目中，变压器高压侧保护动作跳闸均联跳低压侧，不需要为零序保护设置额外的连锁跳闸，接线相对简单。当低压母联启动自动转换开关（Automatic Transfer Switch，ATS）功能时，高压保护动作联跳低压侧不需要闭锁ATS，此时需要额外增加闭锁逻辑功能，保证零序保护动作闭锁ATS 功能[4]。

3 零序保护整定方法

零序电流保护定值一般分为定时限过流保护和反时限过流保护。

3.1 定时限过流保护

定时限过流保护分为瞬时过流保护和时限过流保护2 种。

3.1.1 瞬时过流保护

与一般瞬时电流速断保护类似，它的动作电流由躲过被保护线路末端单相或两相接地短路时通过本保护装置的最大零序电流确定，变压器中性点一般与低压进线距离较近，最大接地短路电流基本没有差别，因此瞬时保护基本没有保护区间。

3.1.2 时限过流保护

常规保护整定中，一般低压进线会通过相电流内部合成的零序电流完成保护操作，变压器中性点零序保护需要与低压进线保护相配合。由于低压进线零序保护要躲过低压不平衡负荷电流，整定值较大，但是变压器中性点零序CT 检测不到负荷不平衡电流，整定值可以不考虑与低压进线配合；保护整定跳闸时，需要考虑低压进线，以防低压母线处发生接地故障时，造成变压器不必要的停机[5]。

3.2 反时限过流保护

反时限过流保护指由于短路的位置、电流大小不同，保护的动作时限也有所差异。在线路靠近电源端或是短路电流较大时，保护动作的时间就会较短。但时限配合较复杂，需要借助计算软件来完成，使用电气计算软件ETAP 可以完成反时限的保护配合。

4 工程实例

4.1 工程概况

某项目电力系统的电压有33 kV、11 kV 和0.4 kV共3 个电压等级，因此选用33/11.5 kV 变压器和11/0.42 kV 变压器。

4.2 低压零序电流保护配置

11/0.42 kV 变压器的接线方式为Dyn11，低压系统中性点接接地方式为直接接地，根据短路计算0.4 kV侧最大单相短路电流为38.3 kA，最小短路电流为23.5 kA。11/0.42 kV 变压器出线差动保护与后备过流保护分开设置，所有变压器中性地零序CT 信号传送至11 kV 出线保护装置；0.4 kV 系统采用中性点直接接地，单相短路电流较大，零序保护采用反时限过流保护。

4.3 保护配合

低压单相接地故障保护分别设在0.4 kV 分段Relay3、0.4 kV 进线Relay1 和变压器中性点Relay7，考虑与低压零序出线配合，低压分段零序保护的速断段时限为0.35 s，低压进线和变压器中性点的保护最小级差不小于0.25 s，变压器中性点零序保护最快跳闸时间为0.9 s，满足低压系统要求（1 s）。

如果变压器中性点未装设零序保护，当变压器低压侧套管处发生单相接地短路时，将通过11 kV 变压器出线保护Relay6 中的相间过流保护将故障切除，短路电流折算到高压侧后约为845 A。根据Relay6 的过流保护曲线可知，要切断845 A 的短路电流大约需要1.5 s，超过低压系统要求。

5 结 论

对于重要的配电变压器，合理配零序电流保护装置可以准确、快速地切断接地短路故障电流。由于国内外各项目的实际情况不同，没有一种保护配置适用于所有项目。通过工程实例可知，在低压侧直接接地的配电变压器低压中性点设零序CT 可以有效增强低压系统接地故障保护的可靠性。因此，建议在工程项目中，根据低压负荷的重要性及系统短路电流情况，在高压侧过流保护不能有效保护变压器低压侧套管时，于中性点设零序电流互感器及中性点零序电流保护，并与低压系统出线、母联及进线接地故障保护相配合。