一起接地变压器电流保护误动作案例分析

张弘喆，孔繁宇，马正波，孙乐书，刘 珂，朱洪波

（国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012）

0 引言

中性点接地方式是指电力系统的中性点与地之间的连接方式［1］。我国35 kV 及以下电力系统中性点接地方式主要以中性点不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地等为主［2-3］。当发生最常见的单相接地故障时，中性点不接地系统可以在短时间内继续运行，因此中性点不接地方式得到广泛应用［4］。然而随着线路“手拉手”供电模式的普及，小电阻接地方式由于具有切除故障线路快、可有效限制弧光接地过电压等优点［5］，逐步成为新的主流中性点接地方式。越来越多的变电站在35 kV 及以下系统中加装接地变压器，将中性点接地方式改造为小电阻接地方式［6］。由此带来的故障特征变化对继电保护相关配置造成了较大的影响［7］，可能造成保护误动或拒动。

本文首先介绍了接地变压器的工作原理和电气特性，然后阐述了小电阻接地系统接地变压器电流保护的配置和整定原则，并据此分析电流保护误动的原因。最后以一起单相接地故障引起接地变压器电流保护误动作的故障案例为例，对保护的动作过程和误动原因进行分析探讨，为类似故障和缺陷的处理与预防提供借鉴，深化检修人员对小电阻接地系统接地变压器保护配置的理解，提高处理此类故障的速度，并尽可能消除可能引发此类故障的缺陷。

1 接地变压器的工作原理

在对三角形接线的中性点不接地系统变电站进行小电阻接地系统改造的过程中，为了引入中性点，最普遍的做法是在母线处增设一台接地变压器［8］，目前通常采用Z 型接地变压器引入接地点［9-10］，接下来就Z型接地变压器的工作原理进行分析。

Z型接地变压器在结构上与普通的电力变压器相同，但是每相铁芯上的绕组分为上、下匝数相等的两部分，以曲折形状进行连接，其接线方式如图1所示。

图1 Z型接地变压器原理图

当系统发生接地短路时，零序电流通过中性点流入，由于Z 型接地变压器采用曲折接线方式，上下两绕组中的零序电流方向相反，因此Z型接地变压器的零序阻抗很小，不会产生过高的弧光接地过电压。至于正、负序阻抗，由于Z 型接地变压器具有变压器的电磁特性，因此对正、负序电流呈现高阻特性［11-13］。

当系统正常运行时，接地变压器无二次负载，接地变压器处于几乎空载运行的状态。但是当系统发生接地故障时，在接地变压器中将通过故障电流的正序、负序、零序分量。由于接地变压器具有正、负序阻抗高而零序阻抗低的特性，接地变压器处保护装置测量的电流基本为电网的零序电流［14］。

2 接地变压器的电流保护配置与分析

接地变压器的电流保护通常包括相间电流保护和零序电流保护两种［15］。

2.1 接地变压器相间电流保护整定

2.1.1 整定原则

接地变压器相间电流保护包括电流速断保护和过电流保护，其整定原则如下：

1）电流速断保护电流定值与供电变压器同侧后备过电流保护相配合，保证接地变压器在最小运行方式下两相短路的灵敏性，保证在充电合闸时躲过变压器励磁涌流（一般为7˜10 倍接地变压器额定电流），躲过接地变压器低压侧故障电流。

2）过电流保护电流定值按躲过接地变压器额定电流，且躲过区外单相接地时流过接地变压器的最大故障相电流整定。

3）电流速断保护为瞬时动作，没有延时，一旦达到定值，保护瞬时动作。

4）过电流保护作为接地变压器相间短路的后备保护，存在一定的短延时，其电流定值也低于电流速断保护的定值。

2.1.2 跳闸方式

1）接地变压器接于供电变压器低压侧母线时，电流速断保护和过电流保护动作后应联跳供电变压器同侧断路器。

2）接地变压器接于供电变压器低压侧引线时，电流速断保护和过电流保护动作后应跳供电变压器各侧断路器。

2.2 接地变压器零序电流保护整定

2.2.1 整定原则

1）电流定值保证单相接地故障时有足够的灵敏度。

2）与下级零序电流保护全线灵敏度的长延时保护定值配合。

3）零序电流1 时限应考虑躲过两条线路相继发生单相接地故障。

4）动作时间应大于母线各连接元件零序电流Ⅱ段的最长动作时间。

接地变压器零序电流保护不作为主保护，因此存在三个时限［16］，分别如下所示：

2.2.2 跳闸方式

1）接地变压器接于变电站相应的母线上时，零序电流保护动作1 时限跳母联断路器或分段断路器，并闭锁备用电源自动投入装置（以下简称“备自投”）；2 时限跳接地变压器和供电变压器的同侧断路器。

2）接地变压器接于供电变压器相应的引线上时，零序电流保护动作1 时限跳母联断路器或分段断路器，并闭锁备自投；2 时限跳供电变压器同侧断路器；3时限跳供电变压器各侧断路器［17］。

2.3 接地变压器电流保护动作分析

通过对接地变压器保护配置的分析可以看出，接地变压器的相间电流保护和零序电流保护在跳闸方式上存在很大不同，零序电流保护动作时会闭锁备自投，而相间电流保护动作时则不会闭锁备自投［18-19］。

当接地变压器保护装置测量的零序电流达到零序电流保护动作值，若系统发生接地故障，则由于接地变压器是小电阻接地系统中零序电流的唯一通路，接地变压器保护装置可以判断出发生接地故障，但无法对接地故障的准确位置进行定位。假设接地故障发生在出线上，保护动作切除接地变压器后，备自投装置自动投入备用母线，备用母线重合于接地故障线路，备用母线上的接地变压器仍可测量到零序电流，保护装置动作于跳闸，此时备自投装置未完成充电，可能造成停电范围扩大。因此接地变压器零序电流保护动作必须闭锁备自投。

当接地变压器相间电流保护动作而零序电流保护未动作时，由于接地变压器本身的电气特性，保护装置判断此时相间短路故障发生于接地变压器本体，动作于接地变压器跳闸，切除接地变压器，并联跳供电变压器同侧断路器，同时备自投装置投入备用母线。由于故障位于已经被切除的接地变压器上，此时备自投装置投入的备用母线重合于正常线路，从而恢复供电。

综上所述，接地变压器相间电流保护与零序电流保护动作的故障原因和故障位置判断截然不同，两种保护的整定与配置应进行良好区分［20］。然而当系统发生接地短路故障时，接地变压器相间电流保护测量到的电流仍包含有大量的零序电流分量，很可能造成相间电流保护误动。由于两种保护在备自投的投入与否上差异很大，保护误动可能导致故障范围扩大，甚至造成全站失电的严重后果。

3 案例分析

3.1 故障经过

某110 kV 变电站一次接线图如图2 所示。故障前，1 号主变压器低压侧018 断路器处于合闸位置，2号主变压器低压侧032 断路器处于合闸位置，034 断路器处于试验位置。2023年7月30日06时14分，该110 kV 变电站2 号接地变压器过电流Ⅰ段保护动作，2号接地变压器022断路器跳闸，同时联切2号主变压器低压侧032 断路器，10 kV 的Ⅱ段和Ⅲ段母线失电，备自投动作合10 kVⅠ、Ⅱ段母线分段020 断路器。06 时36 分，1 号接地变压器过电流Ⅰ段保护动作，跳1 号接地变压器015 断路器，同时联切1 号主变压器低压侧018断路器，10kV 的Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段母线失电，备自投动作合2 号主变压器低压侧032断路器，同时合上2 号接地变压器022 断路器，此时故障仍然存在，2 号接地变压器过电流Ⅰ段保护动作，2号接地变压器022断路器跳闸，同时联切2号主变压器低压侧032 断路器，至此该变电站10 kV 系统全部停电。

图2 某110 kV变电站一次接线图

3.2 现场设备检查情况

对现场一次设备进行检查，发现1号和2号接地变压器本体无异常，10 kV Ⅲ段母线电压互感器040间隔开关柜外观无异常。检查开关柜顶部上封盖，发现上封盖处有明显水迹，检查开关柜手车室，发现活门挡板C相位置严重烧蚀，上活门挡板存在2个烧蚀孔洞。C 相上触头盒及静触头严重烧损，且上触头盒内存有积水。检查避雷器手车，发现C 相上、下动触头存在一定烧损，弹簧有退火痕迹，触臂绝缘筒受损。检查开关柜母线仓，发现C 相母线排外绝缘套烧损。母线仓背板C 相处有明显水渍，带电显示器传感器外部有水珠。检查开关柜电压互感器仓，三相电压互感器外观无异常，但电压互感器仓底部存有少量积水。

3.3 故障原因分析

10 kV Ⅲ段母线电压互感器仓上部钢支架漏雨，雨水渗入开关柜，导致C 相母线对外壳绝缘降低并放电，烧损相关绝缘件和静触头，随即发展为金属性接地。变电站10 kV 系统采用小电阻接地方式，当10 kV Ⅲ段母线发生单相接地时，2 号接地变压器流过零序电流，A 相、B 相和C 相电流互感器中均流过大小相等、相位一致的零序电流，每相电流二次值约为4.3 A，过电流保护Ⅰ段电流定值为2.5 A，动作时限为0.8 s，满足过电流保护Ⅰ段动作条件，保护动作跳闸。接地变压器过电流Ⅰ段保护动作不闭锁10 kV 备自投，因此先后发生多次保护动作情况，最后一次2 号接地变压器保护动作后，因10 kV 备自投充电时间未到，不再动作，10 kV系统全部停电。

该变电站保护装置定值整定中存在“相电流消零”控制字，但是该控制字整定为“0”，不能消除相电流中零序电流的影响。因此当母线单相接地，相电流中的零序分量大于过电流保护定值时，过电流保护会动作。本次故障零序电流为13 A，若投入“相电流消零”控制字，保护装置通过软件滤除相电流中的零序分量，过电流保护不会动作。由于“相电流消零”控制字整定为“0”，且零序电流大于零序过电流保护Ⅰ段电流定值1.4 A，最终零序过电流Ⅰ段动作，1时限动作跳10 kV 的Ⅰ、Ⅱ段母线分段020断路器并闭锁10 kV 备自投，2 时限跳该接地变压器断路器及对应主变压器低压侧断路器。此时10 kV 备自投闭锁，10 kV 的Ⅲ段和Ⅱ段母线失电，1 号主变压器可带10 kVⅠ段母线正常运行。因此，“相电流消零”控制字未投入是该故障的主要原因。

4 结语

本文阐述了接地变压器电流保护的整定原则，探讨了当零序电流过大时相间电流保护可能误动的问题，并对一起接地变压器相间电流保护误动的故障案例进行了分析。为防止此类故障再次发生，应做好以下工作：

1）检查小电阻接地系统接地变压器保护装置中是否有类似“相电流消零”控制字等软件消除零序电流影响的措施，并将其投入。

2）如果小电阻接地系统接地变压器保护装置没有相应清除零序电流影响的措施，应充分考虑过电流保护、零序电流保护的定值配合，以避免发生同类故障。