隔离变压器对10 kV线路单相接地故障检测的影响分析及处理

张宇

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司，贵州 兴义 562400）

0 引言

在早期的10 kV站用电源设计中，为有效减小分布式电源单相出口的短路电流，提高供电可靠性，一般会在10 kV出线上安装隔离变压器[1-3]。然而，这种设计可能会导致无法识别出10 kV线路单相接地故障，存在安全隐患[4-6]。本文以某换流站发生的10 kV线路故障为例，对隔离变压器影响10 kV单相接地故障的检测问题进行分析，并提出解决措施。

1 某换流站10 kV系统概况

1.1 一次接线概况

某换流站10 kV交流系统是中性点不接地系统，主要为换流变压器冷却器、阀厅空调、阀冷系统等重要负荷供电，其一次设备接线图如图1所示。站外水泵房由101母线经隔离变压器和10 kV换江线供电，主要为站内换流阀冷却系统提供外冷水源。

1.2 设备概况

10 kV 101母线装有母线T15电压互感器（见图1），其一次侧中性点接地，二次侧配置3个绕组，接线方式分别为Y、Y和△；Y接线的绕组用于测控和计量，△接线的绕组用于测控装置对零序电压的监视。014DL断路器保护装置型号为PCS9611N，具有有三段式过流保护功能；10 kV隔离变压器联接组别为Y△11，电压比为10 kV/10 kV，短路阻抗百分比为6.92%。

图1 10 kV系统一次设备接线图

2 故障分析

2.1 故障概述

2020-07-09 T 06：14，10 kV换江线发生短路故障，014DL断路器过流一段保护动作，跳开014DL断路器，站内运维人员对断路器、变压器、电缆线路等站内设备进行了检查，未发现异常。08：20和09：30运维人员对换江线进行了2次强送电，均不成功。

2.2 过程分析

接地故障发生后，T15电压互感器开口△回路产生零序电压，站用电测控装置通过检测零序电压判断10 kV系统是否发生单相接地故障，零序电压测量原理见图2。当零序电压大于设定值（10 V）时，驱动F34电压型继电器动作，常开触点11/13闭合后向测控装置发出报警信号，测控装置将10 kV交流系统发生接地故障的告警信息送至运行人员工作站。

图2 零序电压测量原理

在故障前后，工作站未收到101母线接地故障的告警信号，可判定母线以及与母线直接相连的电气部分未发生不对称故障，跳闸后运维人员对站内设备进行了巡视，也未发现异常。基于以上分析，可排除隔离变压器以及电缆线路发生故障的可能，推测故障发生在站外10 kV的架空线路上。故障时刻014DL断路器保护内部电流波形见图3（强送时的故障波形与图3基本一致）。

图3 故障时刻014DL保护内部电流波形

从图中可以看出，故障时10 kV隔离变压器Y侧绕组U相和V相电流大小及相位均相同，W相电流幅值是U相和V相电流的2倍，相位相差180°，用数学式表达即为：

隔离变压器原副边绕组电流通过磁通可以线性传变，故△侧三相绕组中的电流也满足式（1）的条件，即：

△侧线电流与相电流（绕组电流）关系如下：

式中：IL1、IL2、IL3—线路L1相、L2相、L3相电流。

将式（2）代入式（3）得到10 kV换江线架空线路的三相电流关系为：

根据式（4），故障时线路三相电流关系很明显符合L2和L3相间短路的特征，基本可以确定是架空线路上发生了L2和L3相间短路故障，故障时刻电流流向见图4。

图4 故障时刻电流流向

2.3 故障原因

7月9日，工作人员进行巡线检查，发现4号杆塔绝缘子边相和9号杆塔绝缘子中相绝缘子被击穿。经分析认为，L2和L3相绝缘子被击穿后对接地引下线放电，两故障点通过大地形成回路，造成L2和L3相发生相间短路。4号和9号杆塔相距1.5 km，且故障时天气良好，因此两个杆塔的绝缘子同时被击穿的可能性很小。根据现场观察，4号杆塔击穿点较为陈旧（击穿点内部有泥痕），判断是由单相接地演变成相间短路。4号杆塔L3相绝缘子被击穿后发生接地，但由于是不接地系统，L1和L2两相对地电压升高，致使L2相绝缘薄弱处被击穿，最后发生相间短路。

3 改进措施

由于该换流站10 kV站用电系统为中性点不接地系统，在单相接地故障期间，L3相仅流过L1和L2两相的对地电容电流，该电流极小，较负荷电流可忽略不计，不会对绕组两端电压产生影响（见图5）。尽管接地点电势为零，但由于△侧绕组两端电势差不会发生变化，Y侧绕组的电压也不会发生变化，所以测控装置不会报警。当发生单相接地故障后，其他两相对地电压升高3倍，系统中绝缘薄弱点被击穿，故障可能进一步扩大成两点、多点接地短路，因而必须采取措施切除线路，隔离故障点[7-8]。

图5 L3相单相接地故障电路示意图

3.1 拆除隔离变压器，线路直连母线

拆除隔离变压器之后，10 kV出线发生接地故障后在母线上产生零序电压，后台会收到相关告警信号，提醒运维人员采取措施处理[9]。

3.2 在隔离变压器△侧安装电压互感器（TV）

在隔离变压器△侧安装TV（见图6），利用开口三角绕组测零序电压的原理对接地故障进行监视，这也是目前小电流接地系统检测接地故障的主要措施。当发生接地故障后，非故障相电压升高，开口三角绕组会产生较高的零序电压，可以对接地故障进行监视和预警。

图6 在隔离变压器△侧安装TV示意图

该换流站在建站之初，设计人员选择在10 kV出线侧安装了隔离变压器。隔离变压器是一种特殊的变压器，因其一次侧和二次侧没有电的直接联系，只存在磁的联系，具有较高的安全性[12-13]。若取消隔离变压器，会有如下影响。

（1）由于线路较短，线路阻抗较隔离变压器短路阻抗可忽略不计，014DL断路器过流保护经过核算后的定值将超过整定范围上限，给保护整定和配合带来困难。

（2）当发生单相接地故障时，非故障相对地电压升高，在超过额定电压的工况下长期运行对站内10 kV干式变压器、母线、上一级站用变压器低压侧绝缘产生不可逆的影响，甚至有可能会造成绝缘击穿，严重威胁设备安全[14-15]。

经过评估，根据现场实际情况选择在隔离变压器△侧安装TV，既兼顾了隔离变压器的作用，又能避免单相接地故障的检测死区。在实际运行中，当线路再次发生单相接地故障后，测控装置能够可靠识别并发出告警信号，达到了预期效果。

4 结束语

本文分析了当10 kV线路出线侧安装隔离变压器时，可能导致单相接地故障检测功能存在死区，影响供电可靠性，增加运维人员的工作量，提出采取取消隔离变压器和在隔离变压器出线侧安装电压互感器的两种方案，并从经济性、可操作性和安全性角度综合对比，选取最合适的解决方案。