王一鸣，孔宪佐，张伟，张兵，赵亮
（内蒙古电力（集团）有限责任公司巴彦淖尔供电分公司，内蒙 巴彦淖尔 015000）
当配网线路发生单相接地故障，变压器中性点经小电阻接地运行时，变压器中低压侧中性点处会流过很大的短路电流，短路电流通过接地网与地相连。当110 kV变电站主变高压侧中性点直接接地，接地网中的短路电流很有可能流过主变高压侧中性点，从而对高压侧电网的安全稳定运行造成影响。而且，如果配网线路发生单相接地的故障点离主变中性点很远，就导致在小电阻接地运行的故障线路零序电流不大。假如线路的保护按照零序电流的故障量来整定，会引起零序电流较小达不到继电保护的整定值，进而扩大了事故范围，影响电网安全稳定运行。
在10 kV配电网中，中性点经过小电阻接地的方式是否适用依然没有明确的标准。除此之外，发生单相接地故障时，整个10 kV配电网系统的零序电流会出现很大变化。因此，为了保证电力系统的安全稳定运行，须要对10 kV配电网中性点经小电阻接地的方式进行研究。本文以配电网小电阻接地方式为背景，探究当配电网发生单相接地故障时，短路电流对主变高压侧线路造成的影响，其次研究了配电网接地变压器接线位置对零序保护的范围的作用，分析了配电网中性点经小电阻接地方式符合的条件，研究结果对中性点经小电阻接地方式的应用具有理论指导意义和工程实用价值。
在110 kV变电站中，虽然变压器的高低压线路之间有电气隔离，当低压侧配电网线路发生单相接地故障时，故障线路的零序电流是无法通过低压侧中性点经由主变流向高压侧。事实上，由于高低压侧中性点都与大地相连，低压侧故障电流是可能通过大地从高压侧中性点流入110 kV线路的，这就须要分析变压器高压侧中性点的接地点和接地变压器的接地点之间处于什么位置时，短路电流会造成影响。
选用小电阻接地方式的时候，当主变的高压侧接地网与变压器的接地网距离不远，相当于这两个接地网经由虚电网相连。而如果两个接地网通过一个接地点接地，配网线路发生单相接地故障时，故障电流会使得接地网的电网升高，可能会影响变压器高压侧的零序电流。上述两种情况的参数配置如图1、图2所示。
图1 主变参数配置图
图2 电缆参数配置图
首先分析第一种情况，当接地变压器与变压器高压侧中性点的接地点不在同一个点上时，二者通过不同的接地网与地相连，这就在两个接地网之间产生了土壤虚电阻，如图1所示。当配电网中的线路发生单相接地故障，故障零序电流很大会通过接地变压器中性点，再由虚电阻流向主变高压侧接地网中，最终流入了主变高压侧线路。事实证明，如果土壤中的电阻率是300 mΩ，虚电阻大小与接地网之间的距离有如表1所示的关系。可以看出，两个接地网之间通过土壤形成的虚电阻大小会随着接地网距离的远近而减小。由此可知，两个接地网距离越远，故障线路流过的零序电流对110 kV侧的影响就越小。
表1 虚电阻大小与接地网距离的关系
设接地变压器与主变高压侧接地网相距5 m，两接地网虚电阻为0.19 Ω，接地网的接地电阻为0.5 Ω，模型中其余参数设置同图2所示模型一致。当10 kV线路4000 m处负荷发生金属性单相接地故障时，即故障点处的过渡电阻为0 Ω时，流过主变低压侧和高压侧中性点的零序电流分别如图3所示。
图3 直接接地故障时流过10 kV和流过110 kV线路的零序电流
低压侧中性点流过的零序电流为2154.4 A，使得高压侧的电流逐步减弱，大小约为1.7 A，使高压侧的零序电流由3.4 A变化到5.1 A，最后在0.1 s后变为3.4 A，分析变电站构建模型的仿真数据后得出结论：当接地变压器的接地点与主变高压侧接地网距离较近时，配电线路采用小电阻接地方式时，发生了单相接地故障所产生的短路电流对变压器高压侧输电线路的零序电流影响微乎其微，不会使高压侧零序保护误动。
设接地变压器与主变高压侧中性点连接同一接地网，接地网的接地电阻为0.5 Ω，模型中其余参数设置同图2所示模型一致。当10 kV线路负荷某处发生金属性单相接地故障时，过渡电阻为10 Ω时流过主变低压侧和高压侧中性点的零序电流分别如图4所示。
图4 过渡电阻为10Ω时流过10 kV和流过110 kV线路的零序电流
变压器低压侧中性点流过的零序电流为607.3 A，使得高压侧的电流逐渐减弱，大小约为0.5 A，让高压侧零序电流由3.4 A变化到3.9 A，最后在0.1 s后变为3.4 A。分析变电站构建模型的仿真数据后得出结论：当接地变压器的接地点与主变高压侧连在同一个点上，配电线路采用小电阻接地方式时，发生了单相接地故障所产生的短路电流对变压器高压侧输电线路的零序电流影响微乎其微，不会使高压侧零序保护误动。
接地变压器中性点上配有零序I段和零序II段保护，主要保护接地变压器发生单相接地故障时所在的线路，并作为系统各元件的后备保护。接地变压器电源侧配置三段式过流保护，主要保护发生内部相间故障的变压器，并作为后备保护保护系统各元件。依照接地变压器的不同位置，保护的动作情况和动作开关也有差别：
在变电站相对应的母线上接入接地变压器，当零序过流Ⅰ段保护动作，母联断路器分闸；
而零序过流Ⅱ段保护动作，供电变压器的同侧断路器分闸；
在变压器相对应的引线上接入接地变压器，当零序过流Ⅰ段保护动作，第一时限母联断路器分闸，第二时限供电变压器的同侧断路器分闸；
而零序过流Ⅱ段保护动作，供电变压器的各侧断路器分闸。
DL/T 584—2017《3 kV～110 kV电网继电保护装置运行整定规程》中规定：
中性点直接接地变压器的零序电流保护主要作为指定侧母线、变压器内部和指定侧线路接地故障的后备保护，一般由两段零序电流保护组成。
两侧中性点直接接地的3个电压等级的变压器，零序电流Ⅰ段定值一般与指定侧线路零序电流Ⅰ段或Ⅱ段配合，必要时带方向，方向一般指向本母线；
对于主电网间联络变压器，视具体应用情况，正方向也可指向变压器。动作后，第一时间跳指定侧母联断路器，第二时间跳指定侧断路器。
接地变零序Ⅰ段的整定计算是根据线路末端发生单相金属性接地后的灵敏度整定，灵敏度为1.5。接地变零序Ⅱ段的整定计算是根据线路末端单相通过高阻接地时故障的灵敏度整定。出线零序过流Ⅰ段的整定计算是根据线路末端发生单相金属性接地时故障的灵敏度整定，灵敏度为1.5。出线零序过流Ⅱ段的整定计算是根据可靠躲过线路电容电流整定，保证本线路发生单相接地故障时有足够的灵敏度，可靠系数为1.5。
馈线、接地变零序电流的整定计算建立在正确的参数基础之上。假设在距离主变压器4000 m的负荷“晋渝大湖前”设置接地变压器，模型各参数设置与图2模型一致。
改变故障点距接地点的距离为2000、3000、4000、5000、6000、7000 m，故障点与大地之间的过渡电阻为15 Ω。测量流过接地变压器中性点的零序电流如表2所示。
表2 零序电流随故障距离变化的仿真数据
通过仿真计算，发现10 kV配电网正常运行时10 kV接地变压器中性点电流的最小值为41.06 A。考虑到继电保护的限定条件，将Krel确定为1.25，KMS确定为1，Kre确定为0.85。
由以上的参数可以计算出过电流保护的动作电流I0为60.38 A。
由表2的仿真数据，得出了线路发生单相接地故障时，零序电流跟随故障距离变化的曲线，如图5所示。通过图5得出，当线路发生单相接地故障时，故障点距离接地变压器越远，通过故障点处的零序电流就越小，且接地变压器零序电流最大值降低，当故障点与接地变压器的距离为5000～5500 m的范围内，零序电流应与零序保护动作的电流大小相等，如果故障点距接地变压器的距离超过上述范围时，通过接地变压器的零序电流会小于动作电流，这个时候，零序保护不应动作。由此可知，开关站如果配置接地变压器以及零序保护，它的线路保护可以保护4000 m的输电线路，最远保护范围可达5000 m。
图5 单相接地故障时零序电流随着故障点与接地变压器距离变化的曲线
课题首先探究了在配电网中性点经小电阻接地的运行方式背景下，当变压器的高低压侧中性点通过一个接地网接地时，线路发生故障，低压侧的零序电流对高压侧的影响程度。然后仿真模拟了在主变4000 m以外的线路设置接地变压器时，距离远近对零序保护的影响。研究发现：
在接地网之间的距离分别为0、2、3、5 m时，主变压器110 kV侧中性点故障电流最大值分别为2.66、1.03、0.95、0.42 A。在站内设置接地变压器时，10 kV线路故障会使主变压器110 kV侧中性点电流增大但不足以引起高压侧零序保护误动。
对过电流零序保护进行了整定，确定了其动作电流。通过与仿真所得结果的比较，得出了在开关站处设置接地变压器是可行的，故障点处过渡电阻为15 Ω时最大保护范围可达5000 m。
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