10 kV配電網小電阻接地方式研究

王一鳴，孔憲佐，張偉，張兵，趙亮

（內蒙古電力（集團）有限責任公司巴彥淖爾供電分公司，內蒙 巴彥淖爾 015000）

當配網線路發生單相接地故障，變壓器中性點經小電阻接地運行時，變壓器中低壓側中性點處會流過很大的短路電流，短路電流通過接地網與地相連。當110 kV變電站主變高壓側中性點直接接地，接地網中的短路電流很有可能流過主變高壓側中性點，從而對高壓側電網的安全穩定運行造成影響。而且，如果配網線路發生單相接地的故障點離主變中性點很遠，就導致在小電阻接地運行的故障線路零序電流不大。假如線路的保護按照零序電流的故障量來整定，會引起零序電流較小達不到繼電保護的整定值，進而擴大了事故范圍，影響電網安全穩定運行。

在10 kV配電網中，中性點經過小電阻接地的方式是否適用依然沒有明確的標準。除此之外，發生單相接地故障時，整個10 kV配電網系統的零序電流會出現很大變化。因此，為了保證電力系統的安全穩定運行，須要對10 kV配電網中性點經小電阻接地的方式進行研究。本文以配電網小電阻接地方式為背景，探究當配電網發生單相接地故障時，短路電流對主變高壓側線路造成的影響，其次研究了配電網接地變壓器接線位置對零序保護的范圍的作用，分析了配電網中性點經小電阻接地方式符合的條件，研究結果對中性點經小電阻接地方式的應用具有理論指導意義和工程實用價值。

1 小電阻接地方式對高壓側的影響分析

在110 kV變電站中，雖然變壓器的高低壓線路之間有電氣隔離，當低壓側配電網線路發生單相接地故障時，故障線路的零序電流是無法通過低壓側中性點經由主變流向高壓側。事實上，由于高低壓側中性點都與大地相連，低壓側故障電流是可能通過大地從高壓側中性點流入110 kV線路的，這就須要分析變壓器高壓側中性點的接地點和接地變壓器的接地點之間處于什么位置時，短路電流會造成影響。

選用小電阻接地方式的時候，當主變的高壓側接地網與變壓器的接地網距離不遠，相當于這兩個接地網經由虛電網相連。而如果兩個接地網通過一個接地點接地，配網線路發生單相接地故障時，故障電流會使得接地網的電網升高，可能會影響變壓器高壓側的零序電流。上述兩種情況的參數配置如圖1、圖2所示。

圖1 主變參數配置圖

圖2 電纜參數配置圖

首先分析第一種情況，當接地變壓器與變壓器高壓側中性點的接地點不在同一個點上時，二者通過不同的接地網與地相連，這就在兩個接地網之間產生了土壤虛電阻，如圖1所示。當配電網中的線路發生單相接地故障，故障零序電流很大會通過接地變壓器中性點，再由虛電阻流向主變高壓側接地網中，最終流入了主變高壓側線路。事實證明，如果土壤中的電阻率是300 mΩ，虛電阻大小與接地網之間的距離有如表1所示的關系。可以看出，兩個接地網之間通過土壤形成的虛電阻大小會隨著接地網距離的遠近而減小。由此可知，兩個接地網距離越遠，故障線路流過的零序電流對110 kV側的影響就越小。

表1 虛電阻大小與接地網距離的關系

設接地變壓器與主變高壓側接地網相距5 m，兩接地網虛電阻為0.19 Ω，接地網的接地電阻為0.5 Ω，模型中其余參數設置同圖2所示模型一致。當10 kV線路4000 m處負荷發生金屬性單相接地故障時，即故障點處的過渡電阻為0 Ω時，流過主變低壓側和高壓側中性點的零序電流分別如圖3所示。

圖3 直接接地故障時流過10 kV和流過110 kV線路的零序電流

低壓側中性點流過的零序電流為2154.4 A，使得高壓側的電流逐步減弱，大小約為1.7 A，使高壓側的零序電流由3.4 A變化到5.1 A，最后在0.1 s后變為3.4 A，分析變電站構建模型的仿真數據后得出結論：當接地變壓器的接地點與主變高壓側接地網距離較近時，配電線路采用小電阻接地方式時，發生了單相接地故障所產生的短路電流對變壓器高壓側輸電線路的零序電流影響微乎其微，不會使高壓側零序保護誤動。

設接地變壓器與主變高壓側中性點連接同一接地網，接地網的接地電阻為0.5 Ω，模型中其余參數設置同圖2所示模型一致。當10 kV線路負荷某處發生金屬性單相接地故障時，過渡電阻為10 Ω時流過主變低壓側和高壓側中性點的零序電流分別如圖4所示。

圖4 過渡電阻為10Ω時流過10 kV和流過110 kV線路的零序電流

變壓器低壓側中性點流過的零序電流為607.3 A，使得高壓側的電流逐漸減弱，大小約為0.5 A，讓高壓側零序電流由3.4 A變化到3.9 A，最后在0.1 s后變為3.4 A。分析變電站構建模型的仿真數據后得出結論：當接地變壓器的接地點與主變高壓側連在同一個點上，配電線路采用小電阻接地方式時，發生了單相接地故障所產生的短路電流對變壓器高壓側輸電線路的零序電流影響微乎其微，不會使高壓側零序保護誤動。

2 小電阻接地方式保護范圍分析

接地變壓器中性點上配有零序I段和零序II段保護，主要保護接地變壓器發生單相接地故障時所在的線路，并作為系統各元件的后備保護。接地變壓器電源側配置三段式過流保護，主要保護發生內部相間故障的變壓器，并作為后備保護保護系統各元件。依照接地變壓器的不同位置，保護的動作情況和動作開關也有差別：

在變電站相對應的母線上接入接地變壓器，當零序過流Ⅰ段保護動作，母聯斷路器分閘；而零序過流Ⅱ段保護動作，供電變壓器的同側斷路器分閘；

在變壓器相對應的引線上接入接地變壓器，當零序過流Ⅰ段保護動作，第一時限母聯斷路器分閘，第二時限供電變壓器的同側斷路器分閘；而零序過流Ⅱ段保護動作，供電變壓器的各側斷路器分閘。

DL/T 584—2017《3 kV～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》中規定：

中性點直接接地變壓器的零序電流保護主要作為指定側母線、變壓器內部和指定側線路接地故障的后備保護，一般由兩段零序電流保護組成。

兩側中性點直接接地的3個電壓等級的變壓器，零序電流Ⅰ段定值一般與指定側線路零序電流Ⅰ段或Ⅱ段配合，必要時帶方向，方向一般指向本母線；對于主電網間聯絡變壓器，視具體應用情況，正方向也可指向變壓器。動作后，第一時間跳指定側母聯斷路器，第二時間跳指定側斷路器。

接地變零序Ⅰ段的整定計算是根據線路末端發生單相金屬性接地后的靈敏度整定，靈敏度為1.5。接地變零序Ⅱ段的整定計算是根據線路末端單相通過高阻接地時故障的靈敏度整定。出線零序過流Ⅰ段的整定計算是根據線路末端發生單相金屬性接地時故障的靈敏度整定，靈敏度為1.5。出線零序過流Ⅱ段的整定計算是根據可靠躲過線路電容電流整定，保證本線路發生單相接地故障時有足夠的靈敏度，可靠系數為1.5。

饋線、接地變零序電流的整定計算建立在正確的參數基礎之上。假設在距離主變壓器4000 m的負荷“晉渝大湖前”設置接地變壓器，模型各參數設置與圖2模型一致。

改變故障點距接地點的距離為2000、3000、4000、5000、6000、7000 m，故障點與大地之間的過渡電阻為15 Ω。測量流過接地變壓器中性點的零序電流如表2所示。

表2 零序電流隨故障距離變化的仿真數據

通過仿真計算，發現10 kV配電網正常運行時10 kV接地變壓器中性點電流的最小值為41.06 A。考慮到繼電保護的限定條件，將Krel確定為1.25，KMS確定為1，Kre確定為0.85。

由以上的參數可以計算出過電流保護的動作電流I0為60.38 A。

由表2的仿真數據，得出了線路發生單相接地故障時，零序電流跟隨故障距離變化的曲線，如圖5所示。通過圖5得出，當線路發生單相接地故障時，故障點距離接地變壓器越遠，通過故障點處的零序電流就越小，且接地變壓器零序電流最大值降低，當故障點與接地變壓器的距離為5000～5500 m的范圍內，零序電流應與零序保護動作的電流大小相等，如果故障點距接地變壓器的距離超過上述范圍時，通過接地變壓器的零序電流會小于動作電流，這個時候，零序保護不應動作。由此可知，開關站如果配置接地變壓器以及零序保護，它的線路保護可以保護4000 m的輸電線路，最遠保護范圍可達5000 m。

圖5 單相接地故障時零序電流隨著故障點與接地變壓器距離變化的曲線

3 結束語

課題首先探究了在配電網中性點經小電阻接地的運行方式背景下，當變壓器的高低壓側中性點通過一個接地網接地時，線路發生故障，低壓側的零序電流對高壓側的影響程度。然后仿真模擬了在主變4000 m以外的線路設置接地變壓器時，距離遠近對零序保護的影響。研究發現：

在接地網之間的距離分別為0、2、3、5 m時，主變壓器110 kV側中性點故障電流最大值分別為2.66、1.03、0.95、0.42 A。在站內設置接地變壓器時，10 kV線路故障會使主變壓器110 kV側中性點電流增大但不足以引起高壓側零序保護誤動。

對過電流零序保護進行了整定，確定了其動作電流。通過與仿真所得結果的比較，得出了在開關站處設置接地變壓器是可行的，故障點處過渡電阻為15 Ω時最大保護范圍可達5000 m。