10 kV小电阻接地系统备自投控制逻辑优化

亓 才，牟 黎，马彦飞，窦昊宁，李 彬，王 宾

（1.国网济南供电公司，山东 济南 250002；2.国家电网有限公司技术学院分公司，山东 济南 250002）

0 引言

随着社会经济的发展，城市建设步伐的加快，电缆线路的比重逐年上升， 尤其是主要为市区供电的110 kV 变电站的 10 kV 系统［1］。 随着电缆线路日益增多，电容电流不断增大，若10 kV 系统中的接地变压器仍采用经消弧线圈接地的方式， 则会存在以下问题［2］：消弧线圈容量需增加，成本显著提高；10 kV 系统发生单相接地时易出现谐振过电压；单相接地时另外两相电压升高易破坏绝缘； 电缆接地一般为永久性故障，若不及时切除易发展为相间短路；单相接地时选线经常不准确。由于经消弧线圈接地方式存在上述缺点，10 kV 系统中接地变压器采用经小电阻接地方式将成为未来城市配电网主流发展方向。

10 kV 系统采用经小电阻接地方式运行时，线路及接地变压器增加零序保护，备用电源自动投入（简称备自投）装置的动作逻辑也随之有所调整［3］。 零序保护与备自投装置的配合逻辑对变电站安全稳定运行至关重要［4］。

目前， 经小电阻接地方式运行的10 kV 系统备自投装置存在一定的不足： 一是需要根据变电站主接线运行方式的变化调整接地变压器运行方式及备自投装置的压板，增加误操作的几率；二是当主变压器和接地变压器运行方式配合不一致时， 将影响接地选线准确率，进而增加扩大事故范围的风险。

本文分析目前10 kV 经小电阻接地系统中备自投装置存在的不足，阐述备自投装置的动作逻辑，并对动作逻辑进行改进， 确保在运维人员调整运行方式时不需调整备自投压板， 有效避免主变压器和接地变压器运行配合不一致时全站失电的风险。

1 10 kV备自投装置动作逻辑

变电站内10 kV 系统一般为单母线分段接线方式［5］。 当系统运行方式发生改变时，运维人员需通过调整备自投装置的压板与系统运行方式相适应。

1.1 10 kV单母线分段接线方式

目前典型110 kV 变电站的10 kV 系统接线方式如图1 所示，其主要有 3 种运行方式［6-8］。

图1 变电站一次接线图

方式一为分段备投方式。 1 号主变压器带10 kVⅠ段负荷，2 号主变压器带10 kVⅡ段负荷，10 kV 分段020 开关热备用，1 号、2 号接地变压器均运行，备投10 kV 分段 020 开关。

方式二为主变压器备投方式。 1 号主变压器带10 kVⅠ段、 Ⅱ段负荷，2 号主变压器热备用，1 号接地变压器运行，备投2 号主变压器；或2 号主变压器带10 kVⅠ段、 Ⅱ段负荷，1 号主变压器热备用，2 号接地变压器运行，备投1 号主变压器。

方式三为进线备投方式。 1 号主变压器带10 kVⅠ段、Ⅱ段负荷，2 号主变压器低压侧038 开关热备用，1 号接地变压器运行，备投2 号主变压器低压侧038 开关；或2 号主变压器带10 kVⅠ段、Ⅱ段负荷，1 号主变压器低压侧005 开关热备用，2 号接地变压器运行，备投1 号主变压器低压侧005 开关。

1.2 10 kV备自投装置动作逻辑

目前10 kV 备自投装置需要根据运行方式的变化改变备投方式［9-10］。本文将对上述3 种运行方式下备自投装置的动作逻辑进行详细阐述， 并分析目前备自投装置的不足之处。

1.2.1 10 kV 分段备投

10 kV 系统第一种运行方式如图2 所示，1 号主变压器低压侧005 开关和2 号主变压器低压侧038开关均在合位且处于合后，10 kV 分段020 开关分位。

图2 10 kV 分段备投方式

当10 kVⅡ母线无电压、10 kVⅠ母线有电压，且2 号主变压器低压侧038 间隔TA 无电流时，备投动作。 备自投装置首先跳2 号主变压器低压侧038 开关、2 号接地变压器 023 开关；确认 038 开关、023 开关跳开后，延时合上10 kV 分段 020 开关，动作后运行方式如图3 所示。 当10 kVⅠ母线无电压、10 kVⅡ母线有电压，且1 号主变压器低压侧005 间隔TA无电流时10 kV 备投逻辑类似。

图3 10 kV 分段备投动作后运行方式

值得注意的是，除了1 号主变压器（或2 号主变压器） 高压侧、 低压侧后备保护动作闭锁10 kV分段备投以外，1 号接地变压器 （或2 号接地变压器）零序过流保护动作也闭锁10 kV 分段备投。 此种运行方式下需要将10 kV 备自投装置的“主变备投不判接地变跳位”压板停用，投入“跳1 号接地变018”压板、“跳 2 号接地变 023”压板。

1.2.2 主变压器备投

本文以1 号主变压器带全站负荷，2 号主变压器热备用为例，此时系统运行方式如图4 所示。此种运行方式下需要将10 kV 备自投装置的 “主变备投不判接地变跳位” 压板投入， 停用 “跳1 号接地变018”压板、“跳 2 号接地变 023”压板。

图4 2 号主变压器备投方式

当1 号主变压器非电量保护、主保护、高后备保护动作跳开102 开关及005 开关，10 kVⅠ母线和Ⅱ母线均无电压且1 号主变压器低压侧005 间隔TA 无电流时，满足备自投动作条件，备自投装置首先跳005 开关、102 开关，经一定延时合105 开关，然后延时合038 开关，此时系统运行方式如图5 所示。该运行方式为非常规运行方式， 需运维人员立即前往变电站调整接地变压器运行方式， 即停用1 号接地变压器，投入2 号接地变压器。若未调整前10 kVⅡ母线单相接地或10 kV Ⅱ母线出线单相接地且线路保护或线路开关拒动，1 号接地变压器零序保护只能跳开10 kV 分段020 开关， 无法跳开2 号主变压器低压侧038 开关， 导致2 号主变压器带故障继续运行，容易造成全站停电。

图5 2 号主变压器备投动作后运行方式一

当10 kVⅠ母线有故障导致1 号主变压器低后备保护启动时，低后备保护依次跳开10 kV 分段020开关和1 号主变压器低压侧005 开关，10 kVⅠ母线和Ⅱ母线均无电压且1 号主变压器低压侧005 间隔TA 无电流，满足备自投动作条件，备自投装置首先跳 005 开关、102 开关， 经一定延时合 105 开关，然后延时合038 开关，此时系统运行方式如图6 所示。此时10 kVⅡ母线无接地变压器运行，10 kV 线路零序保护将失去作用，同样容易造成全站停电。

图6 2 号主变压器备投动作后运行方式二

10 kV 进线备投分析方法及存在的问题与主变压器备投相似，在此不再赘述。

2 一种改进的10 kV备自投装置动作逻辑

通过上述分析可知， 当系统运行在主变压器备投或10 kV 进线备投方式下时， 一旦备自投装置动作， 会造成运行主变压器与运行接地变压器不一致的情况。该运行方式为非正常运行方式，会导致接地变压器零序保护基本失去作用。此外，运维人员需要根据实际运行方式调整10 kV 备自投装置的 “主变备投不判接地变跳位”压板、“跳1 号接地变018”压板、“跳2 号接地变023”压板，这与经消弧线圈接地的10 kV 系统不同，增加了误操作的几率。

为解决上述两个问题， 本文提出了一种改进的10 kV 备自投装置动作逻辑。首先将1 号接地变压器018 开关与2 号接地变压器023 开关的位置信息接入到10 kV 备自投装置中， 以保证10 kV 备自投装置能够获取两台接地变压器开关的位置信息。 然后去掉10 kV 备自投装置的 “主变备投不判接地变跳位”压板，增加“合 1 号接地变 018”压板、“合 2 号接地变023”压板。 在各种备投方式下始终保持“合1 号接地变 018”压板、“合 2 号接地变 023”压板、“跳1 号接地变 018”压板、“跳 2 号接地变 023”压板在投入位置。

基于以上2 台接地变压器开关的位置信息与4个出口压板， 本文对主变压器备投动作逻辑进行优化，提出了一种改进的主变压器备投动作逻辑。其中改进的2 号主变压器备投动作逻辑如图7 所示。 2号主变压器备投的充电条件为相应功能压板投入、10 kV 分段020 开关合位、2 号主变压器高低压两侧开关分位、1 号主变压器高低压两侧开关合位。 当满足以上条件时，2 号主变压器备投方式充电完成。 当1 号主变压器非电量保护、主保护、高后备保护动作跳开102 开关及005 开关后， 或1 号主变压器低后备保护动作依次跳开10 kV 分段020 开关和1 号主变压器低压侧005 开关后，1 号主变压器低压侧005间隔TA 无电流且10 kVⅠ母线和Ⅱ母线无电压，满足2 号主变压器备投的动作条件。 充电条件与动作条件同时满足后，备自投装置动作，动作逻辑为：经“跳1 号接地变018” 压板跳开1 号接地变压器018开关； 经1 号接地变压器018 开关开入位置信息确认018 开关跳开后，合上2 号接地变压器023 开关；经2 号接地变压器023 开关开入位置信息确认023开关合上后，跳开1 号主变压器高低压两侧开关；确认1 号主变压器高低压两侧开关跳开后， 依次合上2 号主变压器高压侧开关和2 号主变压器低压侧开关，2 号主变压器备投动作全部完成。 值得注意的是， 考虑到备自投动作过程中发生母线单相接地这种极端情况，备自投装置首先切换接地变压器。

图7 改进的2 号主变压器备投动作逻辑

改进的1 号主变压器备投动作逻辑与2 号主变压器备投动作逻辑相同。 主变压器低压侧进线备投动作逻辑改进方案同主变压器备投动作逻辑相同，在此不再赘述。

3 结论

本文对采用小电阻接地方式运行的10 kV 系统备自投装置进行了详细分析， 阐述了目前的备自投装置存在的问题，并在此基础上提出了改进方案。该方案具有以下特点：

1）无需增加一次设备投资，具有良好的经济性。

2）无需根据系统运行方式调整备自投装置的压板，减少了操作次数，降低了误操作的几率。

3）主变压器备投或10 kV 进线备投动作后仍能保证运行主变压器与运行接地变压器相一致， 节省人员到站调整运行方式的时间， 有效保证零序保护的可靠运行。

4）主变压器备投或10 kV 进线备投动作过程中首先切换接地变压器， 保证发生母线单相接地时接地变压器零序保护快速切除故障。