配電變壓器380 V 低壓側單相接地保護的配置探討

　　隨著經濟發展的加速，10 /0. 4 kV 配電變壓器的應用也越來越廣泛，對其的保護一般習慣性裝設速斷保護、過流保護、高壓側單相接地報警，對于低壓側單相接地保護，有些企業一概配置低壓側中性點零序電流互感器和專用單相接地保護，有些單位又一概不單獨配置專用低壓單相接地保護，而用高壓側三相過電流保護來兼顧，到底應該怎樣配置才更合理，本文對此進行分析說明。

　　1 規程要求

　　由GBT 50062—2008 《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》對配電變壓器低壓側單相接地保護的要求可知，低壓側中性點直接接地的變壓器需要裝設單相接地保護，保護的具體實現方法需要根據項目實際情況具體分析。

　　低壓側中性點直接接地的變壓器，不論是星型－ 星型接線還是三角－ 星型接線，首推用高壓側三相式過電流保護來兼低壓側單相接地保護，原因有:① 高壓側三相式過電流保護在靈敏度滿足要求的前提下，既起到保護變壓器高壓側過電流的保護作用，同時完成了變壓器低壓側單相接地保護的功能，大大節約了整個變壓器的運行成本，可以獲得較好的經濟效益;② 考慮到供電半徑和符合分布情況，這類變壓器多布置在緊鄰低壓負荷中心，而相對遠離高壓開關柜，有些項目甚至距離高壓開關柜幾百m 的距離，如果用低壓側中性點安裝零序保護來實現，該保護的安裝位置有困難，跳閘出口接線拉得比較長，對變壓器安全運行帶來隱患，不利于變壓器的經濟合理運行。

　　2 理論分析

　　不同接線方式變壓器低壓側單相接地短路分析。為簡化計算，考慮到高壓系統到變壓器的電纜阻抗對低壓側單相接地短路分析影響不大，本文直接將高壓電纜部分的阻抗歸算到高壓系統阻抗中。

　　對于三相短路，由于已經假定系統是對稱的，只有正序分量，因此，不需要特別強調序阻抗的概念;對于單相接地短路，必須提出序阻抗和相保阻抗的概念。由于短路點離發電機較遠，可認為所有元件的負序阻抗等于正序阻抗，而零序阻抗與正序、負序阻抗不同，必須單獨分計算。對于零序阻抗，星型－ 星型接線和三角－ 星型接線的配電變壓器，當低壓側發生單相接地短路故障時，零序電流不能在變壓器高壓繞組流通，高壓側對于零序電流相當于開路狀態，故在計算單相接地短路電流時視若無此阻抗。

　　本文考慮配電變壓器低壓側母線單相接地短路，因此，需要計算以下三部分阻抗。

　　(1) 高壓系統。高壓系統按如下估算:

　　式中Ss———變壓器高壓側系統短路容量，MVA

　　Un———變壓器低壓側標稱電壓，0. 38 kV

　　c———電壓系數，計算三相短路電流時取1. 05，計算單相短路電流時取1. 0

　　Zs———歸算到變壓器低壓側的高壓系統阻抗，mΩ

　　Xs———歸算到變壓器低壓側的高壓系統電抗，mΩ

　　Rs———歸算到變壓器低壓側的高壓系統電阻，mΩ

　　對于TN 接地系統的相保電阻和相保電抗分別為

　　式中Xphp. s———歸算到變壓器低壓側的高壓系統電抗，mΩ

　　Rphp. s———歸算到變壓器低壓側的高壓系統電阻，mΩ

　　(2) 配電變壓器。正序阻抗的計算如下

　　式中ΔP———變壓器短路損耗，kW

　　Ur———額定線電壓，kV

　　SrT———變壓器額定容量，MVA

　　ud%———變壓器阻抗電壓百分比

　　變壓器的負序阻抗等于正序阻抗。Y，yn0 連接的變壓器的零序阻抗比正序阻抗大得多，其值由制造廠通過測試提供;D，yn11 連接的變壓器的零序阻抗若無測試數據時，可取其值等于正序阻抗值。

　　Y，yn0 連接變壓器的相保電阻和相保電抗分別為：

　　D，yn11 連接變壓器的相保電阻和相保電抗為

　　(3) 低壓母線。導線電阻為

　　式中Rθ———導線溫度為θ ℃時的直流電阻，Rθ=ρθCjL/A

　　ρθ———導線溫度為θ ℃時的電阻率，ρθ =ρ20［1 + α(θ － 20)］

　　Cj———絞入系數，單股導線為1，多股導線為1. 02

　　ρ20———導線溫度為20 ℃時的電阻率，鋁線芯為2. 82 μΩ · μm，銅線芯為1. 722 μΩ·μm

　　α———電阻溫度系數，銅、鋁都取0. 004

　　θ———導線實際工作溫度，℃

　　kjf———集膚效應系數，查表獲得

　　klj———臨近效應系數，母線取1. 03

　　為了簡化計算，計算導線電抗時，忽略線路容抗，只計算線路感抗。

　　對于50 Hz 系統，母線的感抗計算公式如下：

　　式中Dj———幾何均距，cm

　　b———母線厚度，cm

　　h———母線寬度，cm

　　以上為線路、母線的線路阻抗( 正序、負序)的計算方法，對于相線、保護線的零序電阻和零序電抗的計算方法與正、負序電阻、電抗計算方法相同，只是在計算相線零序電抗X(0)ph和保護線零序電抗X(0)p時幾何均距Dj改用D0代替。D0 =為相線L1、L2、L3中心至保護線PE 或PEN 線中心的距離。

　　對于單相接地短路，母線的相保電阻和相保電抗分別為：

　　3 計算示例

　　下面由一個計算實例來說明變壓器低壓側單相接地保護的配置原則和特點。

　　某車間變電所變壓器為SCB9 － 1 000 kVA，10 /0. 4 kV，ud = 6%，ΔPk = 7. 6 kW，過負荷系數為3，在變壓器高壓側系統短路容量S smin =200 MVA，變壓器的接線形式分別為D，yn11 和Y，yn0，低壓380 V 母線平行豎放，母線間距350mm，中性線距邊母線200 mm，其他參數見圖中如圖1 所示，以下分別進行變壓器低壓母線處發生單相接地短路保護的配置及靈敏度的計算。

圖1 變電器示意圖

　　根據以上參數，由式(1) ～ (5)計算得到系統的相電阻Rs、相電抗Xs、相保電阻Rphps、相保電抗Xphps;由式(6) ～ (8)、(11)、(12)計算得到變壓器的相電阻RT、相電抗XT、D，yn11 連接型式的相保電阻RphpT、相保電抗XphpT，對于Y，yn0 連接的變壓器的零序阻抗比正序阻抗大得多，其值由制造廠通過測試提供，因此，其相保電阻RphpT、相保電抗XphpT根據廠家提供數據查表得出;由式(13) ～(16)計算得到低壓母線20 ℃時的相電阻Rm、相電抗Xm、相保電阻Rphpm、相保電抗Xphpm，計算結果如表1 所示。

表1 20 ℃時低壓母線參數表

　　根據表1 數據計算得變壓器低壓側母線故障的阻抗、短路電流、過電流保護和低壓單相接地保護的數值如表2 所示。

　　由示例分析可得，對于相同容量、相同電壓比和相同百分比的電抗，只是接線型式不一樣的配電變壓器，高壓側的短路電流和保護形式、定值是沒有差別的，計算完全一樣。D，yn11 接線的變壓器和Y，yn0 接線的變壓器主要差別在于變壓器的零序阻抗。Y，yn0 接線的變壓器由于與低壓系統有電的聯系，其零序阻抗值遠遠高于正序阻抗，從而導致相保電阻和相保電抗值也很大;而D，yn11 接線變壓器的零序阻抗值與正序阻抗差別不大，估算時可以取值等于正序阻抗值，對應的相保電阻和相保電抗值與相電阻、相電抗值相等。

表2 低壓側母線故障計算數值表

　　由表2 可以看出:D，yn11 接線變壓器的相保電阻RphpT = RT = 1. 22 mΩ， 相保電抗XphpT = XT = 9. 52 mΩ;而Y，yn0 接線