國網北京房山供電公司王寶慶、于洋 等：變電站10kV小電阻接地系統環形母線接地變壓器保護功能提升

隨著城市電網的快速發展，電網逐漸由小電流接地系統發展為小電阻接地系統。其中，小電阻接地系統需要配置零序電流保護，要求繼電保護裝置在系統發生接地故障后第一時間切除故障，以減少接地短路電流對設備的影響。但是，對于10 kV側采用環形母線的變電站，在母線發生接地故障時，現有保護無法準確區分故障位置。國網北京房山供電公司的王寶慶、于洋、曹昊、邱歡、馬彧霏在2025年第12期《電氣技術》上撰文，首先分析接地變壓器運行方式及不同故障點的特征，并進行仿真驗證，然后提出接地變壓器保護裝置增加主進分支開關零序電流判據的改進方案，以實現故障的準確定位。

隨著城市電網的快速發展，土地資源緊張，采用地下電纜供電的方式成為電網發展的主流方向，電網逐漸由小電流接地系統發展為小電阻接地系統。可靠切除故障點、保障電力系統穩定性，成為電網發展的必然要求。

目前，10 kV系統接地方式分為中性點不接地、經消弧線圈接地和經小電阻接地3種。城鎮地區新建110 kV變電站，系統接地方式大多為經小電阻接地，電源側大多為單母分段和內橋接線2種，10 kV側采用A段、B段接線，并通過母聯成環的“環形母線”供電。環形母線提高了設備停電檢修期間負荷轉供的靈活性，為電力的可靠供應提供了保障。變電站環形母線接線如圖1所示。

不同的中性點接地方式對繼電保護配置的要求有所區別，其中，經小電阻接地系統需配置零序電流保護，要求繼電保護裝置在系統發生接地故障后第一時間切除故障，以減少接地短路電流對設備的影響。

目前，接地變壓器零序電流保護是經小電阻接地的變電站10 kV母線的主保護，接地變壓器運行方式有兩種：

第一種為接地變壓器接于10 kV母線上，第二種為接地變壓器接于主變壓器低壓引線上，如圖1所示。根據現有規程，第一種方式下，當母線發生接地故障時，接地變壓器零序電流保護1時限跳開本側相鄰分段，隔離異常方式（如故障前母聯開關在合位）下的故障，零序電流保護2時限跳開變壓器低壓側斷路器，并閉鎖本側相鄰分段備自投，隔離母線故障同時防止自投至故障點；

第二種方式下，接地變壓器零序保護增加3時限跳開變壓器各側斷路器，此時故障點在接地變壓器本體或其引線部分。在10 kV側采用單母線分段接線方式時，此種配置可行，但當采用環形母線方式時，此種配置無法實現故障的準確定位，同時會造成負荷損失。

利用圖1進行說明，在兩臺主變壓器正常分列運行方式下，當10 kV 3A母線發生接地故障時，接地變壓器零序電流保護1時限跳234開關、243開關，2時限跳201A開關，聯跳201B及212開關，同時閉鎖234、243備自投，此時10 kV 3A、3B母線全部失電，但由于3B母線無故障，可通過234母聯恢復供電，然而234備自投因閉鎖無法啟動，造成停電范圍擴大至10 kV 3B母線。

對于現場檢修人員，兩段母線同時失電造成無法準確定位故障母線，增加了現場故障排查的難度，延長了恢復送電的時間。此外，在第一種方式下，當主變壓器與低壓側受電開關之間（見圖1中紅色點劃線框）發生單相接地故障時，主變壓器差動保護不會動作（達不到啟動定值），接地變壓器保護1、2時限不能將單相接地故障隔離。

鑒于目前變電站發展方向及現有保護裝置動作邏輯，對于10 kV經小電阻接地且采用環形母線的變電站，本文對接地變壓器保護功能進行改進，以實現故障的精準定位，減少負荷損失。

1 接地故障原理分析

1.1 接地變壓器接于低壓母線運行

首先分析接地變壓器以方式一運行，母線及低壓引線分別發生單相接地故障時的零序電流。方式一下10 kV 3B母線發生單相接地故障如圖2所示，相應的零序等效網絡如圖3所示。圖3中，r為中性點電阻，jXT10為接地變壓器的零序電抗。由零序等效網絡可知，此時零序電流以接地變壓器、10 kV 3A母線、201A開關、201B開關、10 kV 3B母線、故障點形成回路，零序電流流經201A、201B開關。

圖1-圖13

方式一下10 kV 3A母線發生單相接地故障如圖4所示，相應的零序等效網絡如圖5所示。由零序等效網絡可知，此時零序電流以接地變壓器、10 kV 3A母線、故障點形成回路，不流經201A、201B開關。

方式一下變壓器引線發生單相接地故障如圖6所示，相應的零序等效網絡如圖7所示。由零序等效網絡可知，此時零序電流以接地變壓器、10 kV 3A母線、201A開關、故障點形成回路，不流經201B開關。

綜上所述，在方式一下，3種不同位置發生接地故障時，201A、201B的零序電流存在差異，故可以通過判斷201A、201B開關是否存在零序電流來實現故障位置的判別。若201A、201B均存在零序電流，則10 kV 3B母線故障；若201A、201B均無零序電流，則10 kV 3A母線故障；若僅201A存在零序電流，則變壓器低壓側引線處發生接地故障。

1.2 接地變壓器接于變壓器低壓引線運行

接地變壓器以方式二運行，分別分析兩段母線及變壓器低壓引線發生單相接地故障的零序電流。

方式二下10 kV 3B母線發生單相接地故障如圖8所示，相應的零序等效網絡如圖9所示。由零序等效網絡可知，此時零序電流以接地變壓器、201B開關、10 kV 3B母線、故障點形成回路，零序電流流經201B開關。

方式二下10 kV 3A母線發生單相接地故障如圖10所示，相應的零序等效網絡如圖11所示。由零序等效網絡可知，此時零序電流以接地變壓器、201A開關、10 kV 3A母線、故障點形成回路，零序電流流經201A開關。

方式二下變壓器引線發生單相接地故障如圖12所示，相應的零序等效網絡如圖13所示。由零序等效網絡可知，零序電流將以接地變壓器、故障點形成回路，零序電流不流經201A、201B開關。

綜上所述，在方式二下，3種不同位置發生接地故障時，201A、201B的零序電流也存在差異，故同樣可以通過判斷201A、201B是否存在零序電流，實現故障位置的判別。若201B存在零序電流，則10 kV 3B母線故障；若201A存在零序電流，則10 kV 3A母線故障；若201A、201B均無零序電流，則變壓器低壓引線故障。

2 接地故障仿真分析

使用Matlab/Simulink搭建仿真模型，如圖14所示。三相電壓源為110 kV，內阻抗為(0.892 9+ j5.225 3) W；主變壓器電壓比為110 kV/10.5 kV，額定容量為50 MV?A；故障設置為單相接地故障，過渡電阻為0.001 W，接地變壓器10 kV側接地電阻為10 W。

圖14-圖18

2.1 接地變壓器接于低壓母線

接地變壓器接于低壓母線運行，當10 kV 3B母線發生單相接地故障時，201B、201A零序電流幅值分別如圖15、圖16所示。

由圖15和圖16可知，此時201A、201B均存在零序電流，與1.1節理論分析結果一致。

同理，接地變壓器接于低壓母線運行，根據仿真結果，當10 kV 3A母線發生單相接地故障時，201A、201B均不存在零序電流；當變壓器低壓引線發生單相接地故障時，201A存在零序電流，而201B不存在零序電流。與1.1節理論分析結果一致。

2.2 接地變壓器接于低壓引線

接地變壓器接于變壓器低壓引線運行，當10 kV 3B母線發生單相接地故障時，201B、201A零序電流幅值分別如圖17、圖18所示。

由圖17和圖18可知，此時201A不存在零序電流，201B存在零序電流，與1.2節理論分析結果一致。

同理，接地變壓器接于變壓器低壓引線運行，根據仿真結果，當10 kV 3A母線發生單相接地故障時，僅201A存在零序電流；當變壓器低壓引線發生單相接地故障時，201A、201B均不存在零序電流。與1.2節理論分析結果一致。

綜上所述，第1節的理論分析結果正確。

3 接地變壓器保護功能提升

根據故障原理分析及仿真結果，對現有接地變壓器零序電流2時限保護進行改進，增加兩種運行方式下的邏輯判據，零序1時限保護原理如圖19所示，改進后的零序2時限保護原理如圖20所示，改進后的零序3時限保護原理如圖21所示，圖中紅色部分為新增邏輯判據。增加接地方式控制字，用于區分接地變壓器的兩種運行方式，置0表示方式一接線，置1表示方式二接線。

圖19-圖23

采用方式一時，增加主進分支1、分支2開關零序電流判據，出口新增2時限閉鎖主進分支相鄰分段自投，新增3時限跳主變壓器總出口并聯跳接地變壓器斷路器。主進分支1為接地變壓器所在母線的主進線開關。

采用方式二時，增加主進分支1、分支2開關零序電流判據，出口新增2時限閉鎖主進分支相鄰分段自投。

在圖1基礎上以接地方式一為例，進行接地變壓器保護功能提升后的動作分析。當10 kV 3A母線發生接地故障時，接地變壓器保護零序1時限動作跳234、243開關，零序2時限動作跳開201A開關，聯跳201B、212開關，并閉鎖243備自投，隔離10 kV 3A母線故障點，201B此時在分位，234備自投正常啟動，10 kV 3B母線通過母聯234開關由2號變壓器帶出；同樣，若10 kV 3B母線發生接地故障，10 kV 3A母線通過母聯243開關由2號變壓器帶出。方式一下10 kV 3A母線發生接地故障時停電范圍如圖22所示，其中紅色部分表示帶電設備，黑色表示停電設備。

當引線處發生單相接地故障時，改進前接地變壓器零序保護無法將故障切除，且損失10 kV 3A、3B母線所帶負荷；改進后，零序2時限動作跳開201A開關，聯跳201B、212開關，因不滿足閉鎖條件，234、243自投不放電，234、243備自投啟動，10 kV 3A、3B母線由2號變壓器帶出，零序3時限動作跳開主變壓器總出口，隔離故障。方式一下變壓器低壓引線發生接地故障時停電范圍如圖23所示，其中紅色部分表示帶電設備，黑色表示停電設備。

同樣地，若接地變壓器以方式二運行，以10 kV 3A母線發生接地故障為例，零序1時限動作跳234、243開關，零序2時限動作跳開201A、201B開關，并閉鎖243備自投，隔離10 kV 3A母線故障點，201B此時在分位，234備自投正常啟動，10 kV 3B母線通過母聯234開關由2號變壓器帶出。同理，若10 kV 3B母線發生接地故障，10 kV 3A母線通過母聯243開關由2號變壓器帶出。

若變壓器低壓側引線發生故障，改進前接地變壓器零序保護損失10 kV 3A、3B母線所帶負荷；改進后，零序2時限動作跳開201A、201B開關，因不滿足閉鎖條件，234、243自投不放電，234、243備自投啟動，10 kV 3A、3B母線由2號變壓器帶出，零序3時限動作跳開主變壓器總出口，隔離故障。

通過以上對比分析，改進后的接地變壓器保護能夠準確判斷出故障母線，縮小停電范圍。接地變壓器保護改進前后對比見表1。

表1 接地變壓器保護改進前后對比

4 結論

本文介紹了變電站10 kV經小電阻接地系統環形母線接線下接地變壓器的保護功能，對接地變壓器安裝位置、故障點發生位置分6種情況進行接地故障原理分析，提出了接地變壓器保護裝置增加主進分支開關零序電流判據的改進方案，此方案適用于目前的兩種接地變壓器運行方式：接于10 kV母線和接于主變壓器低壓引線。10 kV母線環形接線方式下，當母線發生接地故障時，改進后的接地變壓器保護可準確判斷出故障母線，提升了繼電保護裝置動作的選擇性，縮小了故障查找范圍，減少了故障查找時間；同時，能夠保障非故障母線相鄰備自投裝置正常動作，避免損失非故障母線所帶負荷，提高了供電可靠性。

本工作成果發表在2025年第12期《電氣技術》，論文標題為“ 變電站10 kV小電阻接地系統環形母線接地變壓器保護功能提升 ”，作者為王寶慶、于洋、曹昊、邱歡、馬彧霏。