低电阻接地系统单相接地故障及零序电流保护整定分析

闫 石

(深圳市机场(集团)有限公司，深圳 518128)

0 引言

由于中性点经低电阻接地方式可限制弧光接地过电压，快速切除接地故障，因此该系统被广泛应用于10～35kV城市配电网[1-4]。由于变电站主变压器10～35kV侧通常为d联结，无法引出中性点，为此通过Z联结变压器重构中性点后经电阻接地。这使得低电阻接地系统的继电保护配置、整定有其特殊之处，本文对此进行分析总结，希望对同行有借鉴、参考意义。

1 Z联结接地变

Z联结也被称作曲折接线，是把每相绕组分成匝数相等的两部分，一相的上半部分绕组与另一相的下半部分绕组反串组成一相，下半部分绕组的首端连在一起作为中性点引出，如图1～2所示。

图1 Z联结接线

图2 Z联结相量

正常运行时，绕组仅流过励磁电流，三相芯柱上的磁动势对称，产生的主磁通在铁芯中构成回路，励磁电抗很大。发生接地故障时，由于每相芯柱上、下半部分绕组的零序电流方向相反，合成磁动势为零，仅产生零序漏磁通，此时零序电抗相当于漏抗。零序漏磁通只能通过非铁磁材料构成回路，零序阻抗小[5]。因上述特性，Z联结变压器通常作为接地变压器，接入主变压器d联结侧的引出线或母线。

2 单相接地故障

采用对称分量法对低电阻接地系统的单相接地故障(示意图参见图3)进行计算。

M线路发生A相接地故障，有边界条件：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

可以得出M线路保护的零序电流为：

(6)

从式(6)可知保护零序电流就是单相接地故障电流。

N线路保护三相电流(CT2处)为：

考虑正、负序压降远小于零序压降，将其忽略，可以得出N线路保护的零序电流：

(7)

从式(7)可知N线路保护零序电流就是线路的电容电流。

图3 单相接地故障示意

图4 单相接地故障复合序网

图5是由故障录波器记录的某低电阻接地系统的一回空载电缆线路单相接地故障时的电流波形，图5中由上自下分别是故障线路的A、B、C相电流及接地变A、B、C相电流。可以看出，接地变A、B、C相电流幅值、相位相同且幅值是单相接地故障电流的三分之一，相位与其相反(线路电容电流、接地变励磁电流忽略不计)，这与图4中的复合序网图一致，说明接地变提供零序通道使单相接地故障电流形成通路。

图5 故障波形

以某用户10kV供电系统为例计算，其主接线如图6所示，系统参数如表1所示。考虑线路较短忽略电容电流，根据式(3)可得出A母线单相接地故障电流为：

(8)

同理可得B母线单相接地故障电流为：

(9)

同理可得C母线单相接地故障电流为：

(10)

从式(9)、(10)可以看出由于B、C母线距离很短，其单相接地故障电流几乎相等。以300mm2电缆为例，根据式(8)、(9)，可以绘出单相接地故障电流与故障位置的关系。如图7所示，线路出口单相接地故障电流为367A，线路10km处单相接地故障电流为283A，可见单相接地故障电流仅下降了约23%。

10kV供电系统参数 表1

图6 10kV供电系统主接线

图7 单相接地故障电流与故障位置的关系

综上分析可知，由于接地变及接地电阻提供了零序电流通道，但其阻抗又远比线路零序阻抗大，线路不同位置的单相接地故障电流幅值变化不明显，且单相接地故障电流幅值不大(≤1 000A)。

3 零序电流保护整定

DL/T 584-2017《3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程》要求接地电阻宜为5～30Ω，单相接地故障电流以1 000A为宜，母线连接元件(含变压器、线路等)配置两段零序电流保护。《民用建筑电气设计标准》GB 51348-2019要求配置两段零序电流保护。但实际国内各地区对接地电阻选择不同，单相接地故障电流水平不同，运行整定习惯也不相同。对于用户供电系统的保护整定值除依据规程、系统参数进行整定以外还应满足与上级电网保护整定值相配合的要求。

仍以图6中的10kV供电系统为例分析。从第2节分析可知，由于不同位置的单相接地故障电流幅值不大且变化也不大，采用反时限零序电流保护是无法达到保护出口处故障时缩短保护动作时间的目的[6]，阶段式零序电流保护也无法通过电流定值的配合实现选择性动作。为简化整定配合，线路、母线分段开关、配电变均配置一段零序电流保护。

图6中的保护3、保护4、保护7、保护8作为线路负荷侧保护是无法反应本线路故障的，但作为母线电源侧保护是可以反应母线故障，用于防止备自投动作于故障。为简化整定配合，其整定值与其上级线路保护相同即可，即保护3与保护1、保护4与保护2、保护7与保护5、保护8与保护6的整定值相同。

3.1 动作时间的整定配合

接地变零序电流保护作为系统各元件的总后备保护，各元件的零序电流保护应与其配合。接地变零序电流保护的动作时间为1.7s，根据系统接线分析各保护能否逐级配合并满足1.7s的限制要求。

10/0.4kV配电变通常为Dyn11联结，根据Dyn联结的序分量传变关系可知y侧单相接地故障时，D侧没有零序电流，故其零序电流保护仅反应10kV侧单相接地故障，而无需与0.4kV侧保护相配合。故保护9、保护10的动作时间为0.1s，以防止避雷器动作引起保护误动。考虑10kV保护之间时间级差为0.3s，保护78与保护9、保护10的配合，保护5、保护6、保护7、保护8与保护78配合，其动作时间为0.7s；保护34与保护5、保护6配合，其动作时间为1.0s；保护1、保护2、保护3、保护4与保护34配合，其动作时间为1.3s。可以看出保护1、保护2的动作时间能与接地变零序电流保护动作时间1.7s相配合。

3.2 电流定值的整定配合

根据运行经验，单相接地故障电流在400A左右，接地变零序电流保护电流定值取75A，线路零序电流保护电流定值取60A。根据系统接线、系统参数分析各保护能否逐级配合并满足60A的限制要求。

10/0.4kV Dyn11配电变零序电流保护的电流定值按躲过励磁涌流及配电变副边短路时产生的不平衡电流整定，经验值可取0.4倍额定电流[7]，则保护9、保护10的电流定值为：

(11)

要求对10kV引出线末端单相接地故障灵敏系数≥2，则：

Ksen=3I0C/I9op=341/44≈8>2

(12)

保护9、保护10的灵敏度满足要求。保护78的电流定值可与保护9、保护10相同(受60A限制)。

要求对本母线单相接地故障灵敏系数≥2，则：

Ksen=3I0C/I78op=341/44≈8>2

(13)

保护78的灵敏度满足要求。按灵敏系数为2，结合式(10)可得出其耐受过渡电阻为：

(14)

由于保护78与保护9、保护10的保护范围不大且基本相同，电流定值相同并不会导致保护78的越级误动。保护5、保护6与保护78配合，则保护5的电流整定值为：

I5op=KkI78op=1.1×44≈49(A)

式中，Kk为可靠系数，取值不小于1.1。

保护5、保护6的电流定值取49A，灵敏度满足要求，耐受过渡电阻为46Ω(线路BC长度很短，电容电流可忽略不计)。

保护34与保护5、保护6配合。电流定值取54A，灵敏度满足要求，耐受过渡电阻为40Ω。

保护1、保护2的电流定值取60A能躲过线路电容电流并与保护34配合，灵敏度满足要求，耐受过渡电阻为35Ω，则：

(16)

式中，IC为线路电容电流，Kk为可靠系数，取值不小于1.5；S为电缆截面积，mm2；L为电缆长度，km；Ue为系统额定线电压，kV。

综上分析，各保护整定值如表2所示。

各保护整定值 表2

4 整定注意事项

图5中的110kV变电站中10kV线路零序电流保护的动作时间能满足下级保护逐级配合的要求，较为理想。但也有10kV线路零序电流保护的动作时间较短，难以保证逐级配合，可减少配合级数，缩短动作时间。如母线开关保护仅在母线并列运行时起到缩小故障范围的作用，在母线分列时不起作用，可按不配合点处理。保护78的动作时间按与保护9、保护10的动作时间相同整定为0.1s，其在C1、C2母线分列运行时不起作用，不会误动。在线路B1C1带C1、C2母线并列运行时，C2母线的配电变发生故障，保护78、保护10同时动作，其作用效果与仅保护10动作相同，即切除故障配电变，不影响C1母线的配电变。但若C2母线上有多台配电变，将受到影响，其负荷短暂失电后由0.4kV备自投动作恢复。保护34同理，但其为开闭站的母线分段保护，动作后将导致下级多个配电站的备自投动作，影响范围大，条件允许时，其动作时间要与下级出线保护动作时间配合。若断路器性能允许，还可缩短时间级差，按0.2～0.25s考虑[8]。各保护动作时间如表3所示。

各保护动作时间 表3

配电变零序电流保护电流定值按0.4倍额定电流整定较为保守，若采用零序电流互感器因不存在零序电流滤过器受相电流互感器误差导致的不平衡电流影响，可按0.2倍额定电流整定，相应地各保护的灵敏度提高，耐受的过渡电阻更大。但电缆线路不像架空线路，经常发生非理想导体的高阻接地故障，基本为低阻接地故障，灵敏度通常没有问题，其零序电流保护整定主要考虑躲过区外单相接地故障时本线路电容电流以防止保护误动。某些用户的线路电容电流较大，如城轨供电系统的线路电容电流可达上百安培，其电流定值不可简单地应用经验值，应根据系统参数、运行方式具体计算。

5 结束语

(1)由于低电阻接地系统不同位置的单相接地故障电流幅值不大且变化也不大，为简化整定配合，系统各元件配置一段零序电流保护，通过动作时间的配合实现选择性动作。

(2)受接地变零序电流保护或上级变电站线路零序电流保护整定值的限制，对于串供级数较多的接线存在保护逐级配合困难的，可适当选择不配合点(如末端配电站的母线分段保护)，减少配合级数或降低保护时间级差缩以短动作时间。