小電阻接地方式下接地變壓器零序差動保護的研究及應用

廖峰，陳錦榮，黎永豪，王躍強，徐聰穎

(廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

電力系統(tǒng)的中性點接地方式[1]一般分為直接接地和非直接接地，非直接接地又包括經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地和不接地。直接接地多用于高壓輸電網(wǎng)，而非直接接地多用于中低壓配電網(wǎng)。中壓電力系統(tǒng)運行經(jīng)驗表明，中性點采用經(jīng)消弧線圈接地[2-3]的方式優(yōu)點顯著，其電磁兼容性好，有利于接地電弧的快速熄滅，對于提高電力系統(tǒng)的供電可靠性、保證電網(wǎng)安全可靠用電有重要作用[4]；但其缺點是不能快速跳閘并隔離電網(wǎng)故障。對于10 kV配電網(wǎng)而言，前期大部分地區(qū)采用消弧線圈接地，部分發(fā)達地區(qū)(如珠三角城市等)較早開始使用小電阻接地[5-11]。

隨著中壓配電網(wǎng)的日益堅強與電網(wǎng)自愈技術的日漸發(fā)展，電力系統(tǒng)在考慮供電可靠性的同時，開始更多地考慮如何保障人身安全、降低配電網(wǎng)觸電風險?；诋斍半娋W(wǎng)技術條件的發(fā)展與生產理念的轉變，為降低10 kV配電網(wǎng)人身觸電風險，中國南方電網(wǎng)有限責任公司自2017年起，逐步將10 kV配電網(wǎng)的接地方式由原來的消弧線圈接地改為小電阻接地。

根據(jù)某地區(qū)10 kV配電網(wǎng)近3年的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果，70%的故障為單相接地故障，采用小電阻接地方式勢必造成跳閘次數(shù)的急劇增加，繼電保護裝置動作的準確性直接影響著用戶最大范圍的安全可靠供電。小電阻接地方式下，發(fā)生單相接地時故障電流通過接地變壓器(以下簡稱“接地變”)中性點與故障接地點形成零序通路，接地變與故障線路均有零序電流流過。目前，接地變保護的整定規(guī)范規(guī)定：10 kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地變保護為躲過10 kV饋線故障，不會快速跳本側開關，而是經(jīng)短延時跳10 kV分段開關、長延時跳主變壓器(以下簡稱“主變”)低壓側開關(以下簡稱“變低開關”)。因此，當接地變內部或相關引下線發(fā)生單相接地故障時，接地變保護不能快速跳開本側開關、準確地隔離故障，導致聯(lián)切分段或變低開關，引起10 kV母線失壓，擴大停電范圍。為確保上述故障情況下，接地變保護能夠快速、準確地識別和隔離一次故障，縮小停電范圍，確保人身安全，本文提出一種小電阻接地方式下的零序差動保護。

1 接地變零序差動保護原理

1.1 保護原理

按照Q/CSG 110037—2012《南方電網(wǎng)10 kV～110 kV系統(tǒng)繼電保護整定計算規(guī)程》中關于接地變零序電流保護跳閘方式要求，在小電阻接地方式下，現(xiàn)有的保護方法在接地變內部發(fā)生故障時，由于無法準確識別故障點，接地變零序保護不能在第一時間跳開接地變開關，將經(jīng)過2.7 s和3.0 s的延時后，分別跳10 kV分段、閉鎖分段備自投和跳主變變低開關，導致整段10 kV母線失壓，擴大停電范圍，不利于電力系統(tǒng)安全可靠供電；因此，很有必要對接地變內部故障的識別方法進行研究，以提高故障識別準確率，確?？焖?、準確地隔離接地變內部故障，保證接地變保護動作的準確性與可靠性，維護電網(wǎng)的安全可靠運行。典型變電站小電阻接地主接線如圖1所示。

圖1 變電站小電阻接地接線圖Fig.1 Small resistance grounding wiring diagram of substation

傳統(tǒng)的零序差動保護主要應用于變壓器保護[12-13]與輸電線路保護[14-15]，作為其他類型保護的一個重要補充；但所采用的原理各有不同，也有一些改進方法[16-19]，主要針對零序差動保護的原理與實現(xiàn)方式。而在接地故障識別方面，有采用比較零序電流的方式[20]，也有利用零序功功率方向[21-22]作為判據(jù)。不同于上述方法，本文采用的零序差動保護通過電源側開關零序電流互感器(current transformer，CT)(TA1)與接地點側中性點零序CT(TA2)配合，完成零序差動保護的邏輯，實現(xiàn)對接地故障的識別，如圖2所示。

圖2 接地變內部故障及零序電流回路Fig.2 Internal fault and zero sequence current circuit of grounding transformer

當發(fā)生10 kV饋線故障時，TA1與TA2流過的零序電流相同，零序差動電流為0，可判定區(qū)外故障，保護不動作；當接地變內部發(fā)生單相接地故障時，TA1與TA2感受到的零序電流不相同，存在差動電流，若差動電流值大于差動門檻值，零序差動保護動作，迅速跳開接地變開關，隔離故障。

1.2 動作邏輯

接地變零序差動保護的動作特性曲線如圖3所示。

圖3中：陰影部分區(qū)域為保護動作區(qū)；白色區(qū)域為制動區(qū)；Id,set為零序差動電流整定值；K為制動系數(shù)；縱坐標零序差動電流

圖3 動作特性曲線圖Fig.3 Action characteristic curve

(1)

(2)

零序差動保護的判據(jù)為：

(3)

(4)

式中：KCTx為中性點側CT變比的原邊側數(shù)值；KCT1為接地變高壓側開關CT變比的原邊側數(shù)值。

接地變零序差動保護動作邏輯流程如圖4所示。

圖4 動作邏輯流程Fig.4 Action logic flow chart

1.3 零序差動保護相關定值

a)零序差動電流門檻值。對于接地變零序差動保護的差動電流門檻值，現(xiàn)有整定規(guī)范暫無相關要求，由于正常運行時接地變不帶負荷，只有故障時才出現(xiàn)電流，故障特征較明顯?？紤]到10 kV線路故障時，線路零序電流與流過接地變的零序電流相等，而線路零序保護動作一次值一般為60 A，在設置接地變零序CT門檻值時，可考慮取同一數(shù)值。

b)零序差動保護動作時間。對于零序差動保護的動作時間，從防誤動和快速性2個方面考慮，可采用以下2種方式：①考慮區(qū)外故障防誤動時，應與下級線路10 kV零序保護時間相配合，即大于線路零序保護末段跳閘時間，例如1.5 s；②由于差動保護考慮快速動作，在確保零序差動電流二次回路無誤且邏輯正確的情況下，可采用較短延時甚至無延時，例如0.1 s。現(xiàn)場可根據(jù)使用需求選取上述2種方式。

c)制動系數(shù)K。一般K取經(jīng)驗值0.6，現(xiàn)有主變差動保護的制動系數(shù)采用的是0.5與0.75兩段，考慮到接地變在正常運行狀態(tài)時三相均無負荷，電流基本為0，而且因采樣誤差導致的不平衡電流又較??；所以不平衡或穿越電流的影響較小，將K值曲線的斜率簡化為一段已能滿足計算需求。該值在程序中固化，無需現(xiàn)場整定。

d)中性點CT變比調整系數(shù)Ktz。Ktz有效范圍為0～10，為防止定值設置不當導致CT調整系數(shù)異常大，對Ktz設置上限門檻，即若計算出CT變比調整系數(shù)大于10，也置為10；但在實際工程應用中兩側零序CT一般選用相同變比，即Ktz=1。調整系數(shù)根據(jù)兩側變比在保護程序中自動計算生成，無需現(xiàn)場整定。

2 接地變保護的改造與調試驗收

2.1 保護改造

根據(jù)現(xiàn)有一次設備結構，基于零序差動保護原理，提出一種接地變保護新方法，目標是：利用現(xiàn)有接地變開關零序CT和接地點零序CT，構成零序差動判別元件，在區(qū)內發(fā)生單相接地故障時準確判別故障，跳開接地變開關；而在區(qū)外故障時，能夠準確不動作，從而有效隔離接地變本身故障。該提方法能快速識別并切除自身故障，不擴大停電范圍，消除故障對系統(tǒng)的影響，縮短停電時間；且方案實施改造的作業(yè)范圍小，需改動的二次回路少，降低了運維風險，可確保配電網(wǎng)的安全、可靠、有序供電。具體如下：

a)一次設備方面，增加1組零序CT。在原有接地變中性點零序CT的基礎上，增加接地變開關側零序CT，以便與小電阻側零序CT形成零序差動保護，有效區(qū)分接地變內部或是外部故障，如圖2所示。此外，安裝零序CT時，需注意極性指向需統(tǒng)一，便于后續(xù)保護功能測試的正確性。

b)保護裝置增加1組零序采樣通道?，F(xiàn)有的保護配置10 kV側一般只有1組零序采樣通道，可采取2種方式再增加1組：一是將接地變保護裝置的380 V側零序通道改為接地變開關側零序CT；二是更換采樣插件，增加1組零序采樣通道。

c)升級保護程序，改為具備零序差動功能的程序版本。已根據(jù)需求，開發(fā)了具備零序差動功能的接地變保護裝置，并在若干個變電站試點應用。

d)二次回路方面，增加1組零序電流回路，供接地變開關側零序CT使用。除增加零序差動保護跳接地變本側開關回路外，還應注意結合改造來完善接地變保護聯(lián)切對應主變變低開關和母聯(lián)開關、閉鎖10 kV備自投回路。

2.2 調試驗收

改造后的接地變零序保護裝置的調試驗收包括了保護裝置的邏輯功能驗收、二次回路驗收以及整組傳動。

2.2.1 零序差動保護邏輯功能驗收

根據(jù)相關管理規(guī)定，需提前向上級部門做好保護裝置特殊版本的備案工作，現(xiàn)場驗收時需核對裝置版本是否與備案版本一致。對于裝置驗收，除原有接地變保護功能邏輯外，需重點驗收新增的零序差動保護功能，嚴格按照驗收規(guī)范，逐項進行試驗，確認結果無誤方可。

現(xiàn)場用試驗儀給接地變保護裝置施加交流電流或電壓，裝置采樣測試結果見表1，從表中可以看出，各相相電流(Ia、Ib、Ic)、零序電流(開關側零序電流Ioh、中性點側零序電流Ioz)以及各相相電壓(Ua、Ub、Uc)的采樣誤差均在5%以內，符合相關規(guī)范要求。

表1 保護采樣測試結果Tab.1 Protection sampling test results

表2為零序差動保護邏輯測試情況統(tǒng)計表，分別根據(jù)零序差動保護的功能投退、差動門檻值、制動系數(shù)、出口時間等內容進行了詳細的測試，并獲得了詳細的測試結果。根據(jù)測試結果顯示，在保護功能投入、差動電流大于1.05倍門檻值且落在動作區(qū)間內時，保護能夠正確、可靠動作，測得的出口時間為116.7 ms，與裝置整定的零序差動保護動作時間相近。

表2 零序差動保護邏輯測試情況統(tǒng)計Tab.2 Logic test statistics of zero sequence differential protection

2.2.2 二次回路驗收

二次回路的驗收包括零序互感器屏蔽線接法是否正確、零序電流回路、接地變聯(lián)跳回路等。

為避免因屏蔽線接錯而導致零序電流出錯，影響零序差動保護的正確動作，安裝調試與驗收時，必須嚴格按照GB 50168—2018《電氣裝置安裝工程 電纜線路施工及驗收規(guī)范》對零序互感器屏蔽線進行驗收，正確接法如圖5所示。

圖5 零序互感器屏蔽線接法Fig.5 Connection modes of shield wire of zero sequence transformer

零序CT安裝后，還需進行一次設備的升流試驗，驗證零序差動保護兩側零序CT極性安裝的正確性。本文針對兩側零序CT極性指向的不同組合，進行了分組測試，結果見表3。

表3 零序CT極性測試情況統(tǒng)計Tab.3 Statistics of polarity test of zero sequence CT

由表3可知：當兩側零序CT指向一致時(即均指向或均不指向10 kV母線)，接地變零序差動保護能夠根據(jù)差動電流情況，準確地反映出區(qū)內、區(qū)外故障，此時零序CT極性安裝正確；而當兩側零序CT指向不一致，在發(fā)生接地變區(qū)內、區(qū)外故障時，零序差動電流均不為零，容易出現(xiàn)誤動或拒動情況，保護無法準確識別故障，因此此類CT極性安裝不正確。

此外，接地變保護的零序電流回路、聯(lián)跳回路，應按照GB/T 50976—2014《繼電保護及二次回路安裝及驗收規(guī)范》開展驗收，并對相應開關進行實際傳動，確認跳閘矩陣無誤。

3 零序差動保護特性與注意事項

3.1 保護特性

接地變零序差動保護能有效解決接地變內部發(fā)生單相故障時，跳開10 kV分段、主變變低開關，導致停電范圍擴大的問題，防止10 kV母線失壓造成五級事件。本方法具有以下優(yōu)點：

a)故障識別準確，能快速區(qū)分區(qū)內還是區(qū)外故障；

b)零序差動保護動作延時短，故障切除速度快；

c)能有效縮小停電范圍，防止故障影響擴大；

d)設計原理與接線簡單，易實現(xiàn)；

e)對現(xiàn)場回路改動小，改造過程安全可控；

f)區(qū)內、區(qū)外故障量區(qū)分度大，易檢驗。

3.2 注意事項

a)零序CT一次額定電流宜選與小電阻側零序CT一致，站用變壓器、接地變、電容器組等10 kV開關柜均應配置零序CT。

b)零序CT應選用閉環(huán)式，為滿足保護裝置靈敏度要求，不采用自產零序電流的方式進行采樣。

c)同一段母線(含同一臺主變對應的雙分支母線)的零序CT宜統(tǒng)一變比、型式和安裝方式等技術參數(shù)。

d)完善10 kV出線、站用變壓器、電容器組的零序保護及回路，完善接地變保護聯(lián)切對應主變變低開關和母聯(lián)開關、閉鎖10 kV備自投回路。

e)接地變采用零序差動保護后，當接地變保護因內部故障跳開本側開關時，該段母線及相應系統(tǒng)將失去接地點。此時，當值調度應采取措施恢復運行母線小電阻接地運行方式。若無法恢復小電阻接地運行，則由當值調度處置10 kV母線的運行方式，例如遙控合上10 kV母聯(lián)或分段開關，采用并列運行方式。

f)采用零序差動保護后，接地變上、下級保護的定值必須進行相應的調整，做好極差配合且滿足靈敏度要求。

g)定期巡視投運后的帶零序差動功能的接地變保護，查看第一次區(qū)外故障，即10 kV線路故障時接地變零序差動保護功能是否能夠可靠不動作，確保新掛網(wǎng)保護的運行狀況良好。

4 結論

a)利用接地變零序差動保護能夠快速、準確地識別接地變內部的單相接地故障，有效地隔離故障，避免擴大停電范圍，確保了電網(wǎng)的安全可靠運行。

b)接地變零序差動保護改造原理簡單，外部回路變動少，有利于對改造過程的管控，確保改造工程的安全、可靠實施。

c)采用接地變零序差動保護后，一旦接地變內部出現(xiàn)單相接地故障，接地變開關將在第一時間被切除，對應的10 kV母線和饋線網(wǎng)絡將因失去接地點變?yōu)椴唤拥剡\行方式，對保護定值、運行方式、調度控制、事故處理等方面有較大影響；因此應加強改造后的變化管理，充分做好風險辨識，組織應對措施。