劉海濤，牛健

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011)

1 背景及意義

在我國(guó)電力系統(tǒng)中，6 kV、10 kV 和35 kV 電網(wǎng)一般都采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式[1]，但是隨著城市建設(shè)步伐的加快，城市框架被不斷擴(kuò)展，城市中壓電網(wǎng)規(guī)模也隨之增大，再加上近幾年城市電網(wǎng)受城區(qū)規(guī)劃、環(huán)保和場(chǎng)地等條件制約，對(duì)電纜饋線的應(yīng)用越來越多，城市配網(wǎng)系統(tǒng)的對(duì)地電容電流也急劇增加，導(dǎo)致中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在單相接地時(shí)接地電弧不能可靠熄滅，出現(xiàn)嚴(yán)重過電壓，持續(xù)電弧造成空氣離解，破壞空氣絕緣，近而發(fā)生相間短路，擴(kuò)大事故，產(chǎn)生鐵磁過諧振，容易燒壞電壓互感器進(jìn)而引起繼電器的損壞[2-7]。這些后果嚴(yán)重威脅設(shè)備安全和供電可靠性，因此大城市的配電網(wǎng)開始采取經(jīng)小電阻接地方式。小電阻接地方式屬于大電流接地方式，單相接地時(shí)，接地故障電流大，故障特征明顯，繼電保護(hù)配置簡(jiǎn)單，故障時(shí)可快速檢測(cè)故障并迅速跳閘，能夠有效抑制過電壓(過電壓水平低、持續(xù)時(shí)間短)[8-11]。

對(duì)于電網(wǎng)主網(wǎng)，絕大多數(shù)變壓器采用YYD型接線，即變壓器低壓側(cè)無中性點(diǎn)，采用不接地方式。低壓側(cè)設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)，沒有零序電流，且當(dāng)短路電流較小時(shí)保護(hù)無法快速切除故障，高壓電器設(shè)備長(zhǎng)期帶故障運(yùn)行容易造成故障進(jìn)一步擴(kuò)大，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了巨大隱患[12]。近年來，寧夏電網(wǎng)發(fā)生多起因變電站低壓設(shè)備在發(fā)生接地故障時(shí)無法快速切除卻繼續(xù)運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致事故擴(kuò)大的情況，嚴(yán)重影響了變電站安全可靠運(yùn)行，因此為了改善上述現(xiàn)狀，對(duì)330 kV變電站35 kV側(cè)經(jīng)小電阻接地方式的可行性進(jìn)行分析與論證。

2 經(jīng)小電阻接地的方式及位置選擇

由于330 kV變電站變壓器35 kV低壓側(cè)為角型接線形式，且無法進(jìn)行外部改造。因此，330 kV變電站35 kV側(cè)改造小電阻接地系統(tǒng)需加裝接地變壓器。

Z型接線(或者稱曲折型接線)接地變壓器的每一相線圈分別繞在兩個(gè)磁柱上，兩相繞組產(chǎn)生的零序磁通相互抵消，因而Z型接地變壓器的零序阻抗很小(一般小于10 Ω)，空載損耗低，變壓器容量可以被利用90%以上，而普通變壓器零序阻抗要大很多，消弧線圈容量一般不應(yīng)超過變壓器容量的20%，由此可見，Z型接線的變壓器作為接地變壓器是一種比較好的選擇。

330 kV變壓器35 kV側(cè)經(jīng)接地變壓器和電阻接地，其接入點(diǎn)可以有兩種選擇:一種是直接將接地變壓器和電阻以一個(gè)35 kV間隔方式接入35 kV母線，另一種是直接接在變壓器35 kV側(cè)引線上，即35 kV母線與變壓器之間，如圖1、圖2所示。

圖1 變壓器角形接線側(cè)接地點(diǎn)選擇方式一

圖2 變壓器角形接線側(cè)接地點(diǎn)選擇方式二

接地點(diǎn)方式一中，接地變壓器和電阻的接地方式比較簡(jiǎn)單，只需要考慮空間及電氣距離等因素。接地變壓器和電阻間隔保護(hù)配置較為簡(jiǎn)單，不需要與變壓器的保護(hù)設(shè)備進(jìn)行配合。在接地點(diǎn)方式二中，接地變壓器和電阻的接地點(diǎn)位于變壓器差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)，接地變壓器和電阻作為變壓器的一部分，其內(nèi)部故障將直接導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作；對(duì)于變壓器保護(hù)區(qū)外接地故障情況，由于保護(hù)區(qū)內(nèi)有接地點(diǎn)，零序電流流入變壓器保護(hù)區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。另外，由于此種接線方式下，接地變壓器沒有獨(dú)立的斷路器，在接地變壓器檢修時(shí)，主變壓器需要陪停，且接地變壓器絕緣耐壓水平相對(duì)較低，與主變壓器之間沒有其他保護(hù)設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)接地變壓器設(shè)備絕緣耐壓出現(xiàn)問題或發(fā)生接地故障時(shí)，將直接導(dǎo)致主變壓器低壓側(cè)繞組出現(xiàn)過電壓甚至絕緣擊穿等嚴(yán)重危害，因此，接地點(diǎn)的選擇不予考慮直接接在變壓器低壓側(cè)引線處，本方案后續(xù)各類計(jì)算、分析均只考慮第一種方式。

3 保護(hù)配置分析

目前，330 kV變電站中，35 kV側(cè)電容器、電抗器、站用變壓器等設(shè)備均配備有獨(dú)立的保護(hù)設(shè)備，但因?yàn)?5 kV側(cè)為不接地系統(tǒng)，所以35 kV各低壓保護(hù)中的零序保護(hù)功能均未投入。當(dāng)進(jìn)行35 kV側(cè)改經(jīng)接地變壓器和接地電阻方式接地時(shí)，35 kV系統(tǒng)中存在接地點(diǎn)，接地故障時(shí)有零序電流，各低壓保護(hù)中的零序保護(hù)功能可經(jīng)過重新整定后直接投入，不需要進(jìn)行保護(hù)裝置的程序升級(jí)或設(shè)備改造。

當(dāng)保護(hù)裝置用于小電阻接地系統(tǒng)，接地零序電流相對(duì)較大時(shí)，可以用直接跳閘方法來隔離故障。相應(yīng)地，作為接地變壓器保護(hù)裝置，提供了兩段零序過流保護(hù)來作為母線接地故障的后備保護(hù)，一段零序過流報(bào)警功能，其中零序過流Ⅰ段分為3 時(shí)限，公用零序過流Ⅰ段定值，獨(dú)立時(shí)間定值，控制字獨(dú)立投退，零序過流告警定值及時(shí)間定值與零序過流Ⅱ段公用，控制字獨(dú)立投退。當(dāng)零序電流作跳閘和報(bào)警用時(shí)，其既可以由外部專用的零序CT引入，也可用軟件自產(chǎn)(保護(hù)控制字定值中有“零序電流采用自產(chǎn)零流”控制字)。為了零序保護(hù)采樣的準(zhǔn)確性和動(dòng)作的快速性，在條件允許的情況下，可加裝接地變壓器、電容器、電抗器、站用變壓器等間隔的專用零序CT。

4 仿真分析

基于省地一體化繼電保護(hù)定值整定及仿真系統(tǒng)建立某330 kV變電站設(shè)備及系統(tǒng)模型，其35 kV系統(tǒng)模型如圖3所示，各35 kV高壓設(shè)備參數(shù)均采用變電站實(shí)際參數(shù)設(shè)置，接地變壓器參數(shù)按照表1設(shè)置。

圖3 某變電站35 kV以Z型接地變經(jīng)中性點(diǎn)電阻接地模型

表1 接地變壓器模型參數(shù)

4.1 變壓器35 kV側(cè)經(jīng)小電阻接地前后故障計(jì)算

分別按照330 kV變電站35 kV側(cè)不接地方式和經(jīng)小電阻接地方式，在系統(tǒng)大、小運(yùn)行方式下進(jìn)行仿真計(jì)算，當(dāng)35 kV母線發(fā)生故障時(shí)，仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 35 kV母線故障時(shí)的短路電流計(jì)算結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果可以得出，330 kV某變電站35 kV系統(tǒng)加裝接地變壓器和接地電阻后，35 kV母線發(fā)生單相接地故障時(shí)，短路電流變化不大，零序電流變化明顯，從8.9 A變?yōu)?692 A(小方式)。加裝接地變壓器(中性點(diǎn)經(jīng)5 Ω小電阻接地)導(dǎo)致的零序電流變化明顯，適合增配零序電流保護(hù)的要求。

4.2 不同接地電阻情況下支路故障計(jì)算

分別將接地變壓器中性點(diǎn)電阻設(shè)置為5 Ω、10 Ω，在大方式下，設(shè)置故障點(diǎn)為電抗器支路，則電抗器支路的零序電流計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同接地電阻情況下電抗器支路故障短路電流計(jì)算結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果可以得出，接地變壓器中性點(diǎn)電阻分別取5 Ω、10 Ω時(shí)，35 kV母線接地故障時(shí)，電抗器支路的零序電流分別為2677 A和1653 A(大方式)，電抗器支路零序短路電流隨著接地電阻的增大而減小。

4.3 電容器退出運(yùn)行對(duì)短路電流影響計(jì)算

考慮到330 kV變電站無功調(diào)節(jié)等因素，在變電站正常運(yùn)行過程中會(huì)進(jìn)行電容器投退運(yùn)行，當(dāng)電容器退出運(yùn)行時(shí)，接地變壓器中性點(diǎn)電阻為5 Ω，對(duì)35 kV發(fā)生接地故障進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 電容器退出運(yùn)行對(duì)短路電流影響計(jì)算結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果中可以看出接地變壓器中性點(diǎn)電阻為5 Ω，35 kV母線接地故障時(shí)的零序電流為896 A(大方式，3I0為2688 A)，與表2計(jì)算結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電容器投退對(duì)零序電流影響不大。

4.4 電容器支路故障零序電流復(fù)核計(jì)算

當(dāng)電容器支路發(fā)生單相接地故障時(shí)，電容器(容抗)、接地變壓器(零序電抗)、接地電阻(阻抗)串聯(lián)組成了零序網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)串聯(lián)零序網(wǎng)絡(luò)公式可計(jì)算出零序電流為

其中接地變壓器零序阻抗為0.5 Ω，電容值為904 μF，接地電阻為6 Ω，且由于主變壓器低壓側(cè)采用△接線，隔離了高、中壓側(cè)零序電流，因此零序網(wǎng)絡(luò)不考慮系統(tǒng)等效阻抗。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出，基本與電抗器支路零序電流計(jì)算結(jié)果一致。

5 結(jié) 論

通過對(duì)某330 kV變壓器35 kV側(cè)發(fā)生故障，經(jīng)小電阻接地前后運(yùn)行方式的計(jì)算結(jié)果分析，330 kV變壓器35 kV側(cè)經(jīng)小電阻接地后系統(tǒng)中出現(xiàn)明顯的短路電流，該短路電流隨著接地電阻的增大而減小，且該接地方式不受運(yùn)行過程中的電容器投退影響。該零序短路電流值可被繼電保護(hù)判斷并快速動(dòng)作，從而隔離故障,因此，通過在330 kV變壓器35 kV側(cè)改由經(jīng)小電阻接地方式能夠解決單相接地不易被快速診斷并隔離的問題。