接地変圧器過電流保護継電器の誤動作事例分析

中性点接地方式是指电力系统中性点与地之间的连接方式。在中国35kV及以下系统中，常见的方法包括不接地、消弧线圈接地和小电阻接地。不接地方式由于在单相接地故障时允许短时间运行而被广泛使用，而小电阻接地因其快速切除故障和限制过电压的特点已成为主流。许多变电站通过安装接地变压器来改造中性点接地，但改变了的故障特性会影响继电保护，可能导致误动作或拒动。

本文介绍了接地变压器的工作原理和特性，阐述了小电阻系统中的电流保护配置/设定，分析了误动作的原因，并通过一个单相接地案例解剖了保护动作和故障根源。为故障处理/预防提供了参考，加深了维护人员的理解，提高了故障排除效率，消除了潜在隐患。

接地变压器的工作原理

在将具有三角形连接、中性点不接地系统的变电站改造为小电阻接地系统时，为了引入中性点，最常见的做法是在母线上增加一个接地变压器。目前，通常选择Z型接地变压器来引入接地点。接下来将分析Z型接地变压器的工作原理。

Z型接地变压器在结构上类似于普通电力变压器。然而，每个相芯上的绕组分为上下两部分，匝数相等，以曲折形状连接。其接线方式如图1所示。

当发生接地短路时，零序电流通过中性点流入。Z型接地变压器的曲折连接使得上下绕组中的零序电流相互抵消，磁通量相互抵消，使零序阻抗最小化，避免过大的弧光接地过电压。对于正序/负序电流，其电磁特性类似于常规变压器，产生高阻抗，限制其流动。

在正常运行时，接地变压器几乎处于空载状态（无二次负载）。在接地故障时，正序、负序和零序故障电流通过它。由于“高正序/负序、低零序阻抗”的特点，保护装置主要测量电网的零序电流。

2 接地变压器电流保护的配置与分析

接地变压器电流保护通常采用相间和零序电流保护。具体如下：

2.1 相间电流保护的设定
2.1.1 设定原则

该保护包括瞬时跳闸和过流保护：

• 瞬时跳闸：与同侧电源变压器的后备过流保护配合。确保在两相短路（最小运行方式）时的灵敏度，并避开涌流（7-10倍接地变压器额定电流）和低压侧故障电流。

• 过流保护：设置以避开接地变压器的额定电流和外部单相接地时的最大故障相电流，确保可靠性。

• 操作逻辑：瞬时跳闸立即动作（无延时）；过流保护（作为相间短路的后备）有短暂延时且设定值较低，以便分级协调。

2.1.2 跳闸模式

根据接地变压器与电源变压器的连接方式：

• 连接到低压母线：瞬时跳闸/过流保护跳开同侧断路器，快速隔离故障。

• 连接到低压引线：保护跳开所有侧断路器，切断故障路径，防止故障扩大。

2.2 接地变压器零序电流保护的设定
2.2.1 设定原则

• 电流设定值应保证在单相接地故障发生时有足够的灵敏度。

• 与下级零序电流保护的长延时保护设定值配合，确保全线灵敏度。

• 对于零序电流的第一时限，应考虑避免两条线路相继发生单相接地故障。

• 动作时间应大于母线上各连接元件零序电流Ⅱ段的最大动作时间。

由于接地变压器的零序电流保护不是主保护，因此有三个时限，如下所示：

公式中：t0¹, t0², t0³ 分别是接地变压器零序电流保护的第一、第二和第三时限；t_0I' 是出线零序电流Ⅰ段的时间设定值；t_0II' 是除接地变压器外母线上所有设备零序电流保护Ⅱ段的最长设定时间；Δt 设置为0.2-0.5秒。

2.2.2 跳闸模式

• 当接地变压器连接到相应变电站母线时，零序电流保护动作：第一时限跳开母联断路器或分段断路器并闭锁自动备用电源投入装置（简称“自动备用投入”）；第二时限跳开接地变压器同侧和电源变压器的断路器。

• 当接地变压器连接到相应电源变压器引线时，零序电流保护动作：第一时限跳开母联断路器或分段断路器并闭锁自动备用投入；第二时限跳开电源变压器同侧断路器；第三时限跳开电源变压器所有侧断路器。

2.3 接地变压器电流保护动作分析

对接地变压器保护配置的分析表明，相间和零序电流保护的跳闸模式存在显著差异：零序保护在动作时闭锁自动备用投入，而相间保护则不闭锁。

如果保护装置测得的零序电流达到动作值并且发生了接地故障（在小电阻接地系统中，接地变压器是唯一的零序电流路径），装置检测到故障但无法定位。如果故障发生在出线上，在保护跳开接地变压器后，自动备用投入切换到备用母线。如果备用母线重合到故障线路上，其上的接地变压器仍会检测到零序电流，再次触发跳闸。由于自动备用投入尚未完成充电，停电范围可能会扩大。因此，零序保护必须闭锁自动备用投入。

当相间保护动作（但零序保护不动作）时，装置判断为接地变压器本身的相间短路。它跳开接地变压器，同时跳开电源变压器同侧断路器，自动备用投入切换到备用母线。由于故障发生在跳开的接地变压器上，备用母线重新连接到正常线路，恢复供电。

综上所述，接地变压器的相间和零序电流保护在故障原因和位置判断上存在很大差异，需要不同的设定和配置。但在接地短路时，相间保护可能因测得的零序分量而误动作。鉴于它们不同的自动备用投入逻辑，误动作可能会扩大故障范围，甚至导致全站停电。

3 案例分析
3.1 故障过程

110 kV变电站的一次接线图如图2所示。故障前，1号变压器低压侧018断路器合闸，2号变压器低压侧032断路器合闸，034断路器处于试验位置。

2023年7月30日06:14，2号接地变压器的过流Ⅰ段保护动作，跳开2号接地变压器022断路器。同时联跳2号变压器低压侧032断路器，导致10 kV II段和III段母线失电。自动备用电源（自动备用）装置动作，合上10 kV I/II段母联020断路器。

06:36，1号接地变压器的过流Ⅰ段保护动作，跳开1号接地变压器015断路器并联跳1号变压器低压侧018断路器，导致10 kV I、II、III段母线全部失电。自动备用装置随后合上2号变压器低压侧032断路器和2号接地变压器022断路器。然而，故障仍然存在，再次触发2号接地变压器的过流Ⅰ段保护。022断路器跳闸并联跳032断路器，最终导致10 kV系统全站停电。

3.2 现场设备检查结果
一次设备检查结果：

• 接地变压器本体：1号和2号接地变压器未发现异常，绕组和铁芯均无明显故障痕迹。

• 10 kV III段母线PT间隔（040开关柜）：

• 开关柜顶部盖板上有明显的水渍，表明雨水渗入。

• 手车室挡板C相位置严重烧蚀，上挡板有两个穿孔。

• C相上接触箱和静触头烧焦损坏，箱内积有液态水。

• 避雷器手车C相上/下动触头有电弧烧伤痕迹，弹簧退火，触臂绝缘筒损坏。

• 母线室内C相母线外绝缘套管烧毁开裂。母线室背板C相区域有水渍渗透，带电显示传感器上凝结有水滴。

• 电压互感器室内底部有少量积水，三相PT无明显外部异常。

10 kV III段母线PT间隔上方的钢支架漏水，渗入开关柜，降低了绝缘性能，导致C相放电并演变为金属性接地故障。在小电阻接地系统中，2号接地变压器检测到约4.3 A/相的零序电流（超过2.5 A的过流Ⅰ段设定值），触发跳闸。过流保护不闭锁10 kV自动备用，导致反复动作。最终跳闸后，自动备用未能充电，导致10 kV系统全站停电。

关键因素：“相电流零序抵消”控制字被禁用（设为“0”），无法对相电流中的零序分量进行软件滤波。在13 A的零序电流下，过流保护误动作。若正确启用此控制字，可防止故障发生。相反，零序过流保护Ⅰ段（设定值为1.4 A）动作：第一时限跳开母联并闭锁自动备用；第二时限跳开接地变压器和主变压器断路器，隔离II/III段，而I段保持供电。

根本原因：禁用零序抵消控制字导致相电流误判。

4 结论

本文概述了接地变压器保护设置，分析了高零序电流下的误动作风险，并通过案例进行了说明。为防止类似事件再次发生：

• 在小电阻接地系统中启用基于软件的零序抵消功能（例如，“相电流零序抵消”控制字）。

• 如果此类功能不可用，则优化过流保护和零序保护设定值的配合。

关键要点：主动配置保护软件对于防止接地故障时的误动作至关重要。