1、引言
随着电力负荷的迅速增长，城市电网建设正如日中天。由于城市电网规模不断地扩建和延伸，受城区规划、环保和场地等条件制约，市区变电所越来越多地采用电缆馈线，以致10 kV系统单相对地电容电流大幅度增加。为抑制单相接地时产生的过电压幅值，一些大城市的10 kV电网开始采用低阻接地(接地故障电流约为400～600 A)接线方式，以便当10 kV系统发生接地时，根据接地点所在位置，由相应零序保护有选择性动作将接地故障隔离，以防电弧重燃引发过电压，保证电网中健全设备安全供电。通常城市变电所主变压器(以下简称“主变”)10 kV侧为三角形接线，无中性点引出，为能形成人为中性点经小电阻接地，需配置ZN型接线的接地变压器(以下简称“曲折变”)。
本文就城市电网10 kV低阻接地系统中曲折变零序保护接线方案作些探讨。讨论所依据的主接线图中曲折变和所用变压器分别设置，以减少曲折变的停电几率，保证10 kV接地系统稳定运行；并假定系统发生金属性直接接地，各相参数对称；同时忽略电缆馈线的电阻和绝缘泄漏电阻，接地故障时仅计及各段10 kV系统单相等效电容对接地电流的影响。
2、110 kV变电所中的曲折变零序保护
2．1 110 kV变电所的10 kV电气主接线
110 kV变电所的10 kV电气主接线通常采用图1单母线四分段接线，＃1、＃3主变低压侧不带分支直接接于10 kV母线，＃2主变低压侧带双分支各接一段10 kV母线。每台主变10 kV引线上各设置1台曲折变用于引接接地电阻。
2．2 曲折变零序保护方案
曲折变的零序保护用于10 kV系统单相接地保护，按图1中主变10 kV侧接线方式，可分为单分支进线的曲折变零序保护和双分支进线的曲折变零序保护两种方案。
2．2．1 单分支进线的曲折变零序保护方案
单分支进线的曲折变只需装设零序过电流保护，保护由接于曲折变中性线电流互感器的过流继电器构成，其动作时限应考虑与10 kV馈线的零序过流保护相配合，保护动作后以较短时限跳开10 kV分段断路器，并闭锁备用电源自动投入装置；第二时限跳开主变低压侧断路器(根据实际情况也可以不设这段时限)；第三时限跳开主变高、低压侧全部断路器。此保护接线简单，动作可靠，能有效隔离故障。当然如单相接地故障发生于图1中主变低压侧及其引线k1处，按理此时不必动作10 kV分段断路器及闭锁备用电源自动投入装置，只要跳开主变高、低压侧断路器已可将故障隔离，但为了简化保护，允许此处发生接地故障时按母线接地等同处理。
2．2．2 双分支进线的曲折变零序保护方案
对采用双分支进线的＃2主变，其曲折变零序保护接线方案讨论如下：
(1)曲折变中性线零序过电流保护方案
此方案沿袭当前普遍通行的设计，保护接于曲折变中性线电流互感器，它与单分支进线的曲折变零序保护方案相同，当10 kV系统发生接地故障，保护以较短时限同时动作于A、B段分段断路器跳闸，并闭锁各段备用电源自动投入装置；第二时限同时跳开主变低压侧的A、B分支断路器；第三时限跳开主变高、低压侧全部断路器。众所周知，＃2主变10 kV侧之所以分成A、B两个分支是为了提高对用户供电的可靠性，即当A段母线k2处发生接地故障或该段馈出线接地且其保护或断路器拒动，只要求跳开A段分段断路器和分支断路器并闭锁该段备用电源自动投入装置就可将故障隔离，勿需牵及B段设备同时跳闸，＃2主变可继续保证对B段用户供电。无疑作为双分支进线的曲折变零序保护，本方案保护动作方式不尽人意，没有积极体现电气主接线设计意图，降低了对用户供电的可靠性。
(2)主变低压侧分支零序过电流保护方案
此方案需在每一分支上装设零序过电流保护，接线也较简单，每段进线的零序过流继电器分别接入主变低压侧各分支电流互感器零序电流接线。图2画出了110 kV变电所中10 kV母线各处短路时的零序等值电路。图中TAA、TAB分别表示由A、B分支 电流互感器零序电流接线，RN为曲折变中性点接地电阻，CA、CB分别为10 kV各段馈电系统单相等效电容，U0为接地点的零序电压，IRN为流经曲折变的接地电流，ICA、ICB分别为A、B各段馈电系统等效电容提供的接地电流。
如图2(a)所示，当A(或B)段k2处发生接地故障时，各分支TA中都有接地故障电流通过，但电流数值大小不同。与接地故障段直接相连的A(或B)分支TAA(或TAB)中流过的电流为流经曲折变的接地故障电流IRN加上另一段馈电系统的电容电流ICB(或ICA)，与接地故障段不直接相连的B(或A)分支TAB(或TAA)中流过的电流仅为本段馈电系统的电容电流ICB(或ICA)，为使保护动作具有选择性，显然各分支零序过流保护整定电流应大于本段馈电系统等效电容提供的接地电流。然而当图2(b)中所示k3处发生接地故障，曲折变中通过的接地故障电流已不流经任何分支电流互感器，各分支TA中流过的电流仅为本段馈电系统的电容电流，根据以上整定原则，各分支的零序过电流保护不会启动。可知此保护接线原理存在缺陷，根本无法清除k3处的接地故障电流，事实上不能采用。
(3)零序电流方向保护方案
进一步分析图2中的零序电流流向，可以看出流经各分支的零序电流方向将随接地点的不同而改变。即当k2处接地时，与接地故障处直接相连分支零序电流方向指向10 kV母线，非直接相连分支的零序电流方向背离10 kV母线；而当k3处接地时，各分支的零序电流方向均背离10 kV母线。但无论何处接地，曲折变中性线上总有接地电流通过且方向不会改变。因此可采用图3所示逻辑构成零序电流方向保护，其中零序电流I0采自曲折变中性线电流互感器，零序方向P0A(或P0B)由各分支电流互感器零序电流接线的I0A(或I0B)和相应母线段的U0A(或 U0B)产生，正方向指向各自10 kV母线。当k2处发生接地，与接地故障段直接相连分支的零序方向P0A以及曲折变中性线的零序电流会同时动作，经“与”门启动相关保护出口，动作方式与单分支接线的曲折变零序保护相同，但其动作对象仅与故障段设备有关，不会扩大故障停电范围，主变仍能继续对非故障段用户供电。当k3处发生接地时，因为各段馈电系统的电容电流均由10 kV母线流向k3处，即A(或B)分支中零序电流方向都反向，各段“与”门均 被闭锁，但由于曲折变中性线零序过电流启动，经t4延时后即可全跳变压器高、低压各侧断路器将故障隔离，随后各段母线备用电源自投装置相继动作，由相应主变恢复对10 kV负荷供电，从而提高了对用户供电的可靠性。
经对以上各方案讨论可知，为满足继电保护选择性和可靠性要求，有效隔离接地故障，当主变低压侧为双分支进线时，推荐采用零序电流方向保护作为曲折变的零序保护。
3、220 kV变电所的曲折变零序保护
3．1 220 kV变电所的10 kV电气主接线
220 kV变电所的10 kV电气主接线见图4。考虑到不致因曲折变故障而影响220 kV和110 kV系统运行，220 kV变电所中曲折变接于10 kV母线段而不从主变低压侧出线处引接。同时由于220 kV变电所每台主变的10 kV母线均分成A、B两个半段，为保证任何工况下每台主变只接一台曲折变，即只允许一个人为接地点运行，曲折变按奇偶原则分别接于各自主变相对应的10 kV母线段上。
3．2 曲折变零序保护方案
图4中220 kV变电所各主变接线方式类同，各曲折变的零序保护方案基本一致，故仍以＃2主变为例。与前面讨论过的110 kV主变低压侧为双分支进线的曲折变零序保护一样，若仅在曲折变中性线上装设简单的零序过电流保护，某些情况下当系统发生单相接地时会扩大故障停电范围，以致分段断路器及相应的备用电源自动投入装置不能很好地发挥作用，从而降低了对用户供电的可靠性，因此原则上220 kV变电所的曲折变也需装设零序电流方向保护。但因220 kV变电所和110 kV变电所的曲折变接线形式有所不同，对此还需作些讨论。图5画出了220 kV变电所10 kV侧不同地点单相接地时的等值电路图，其中图5(a)为未接曲折变的母线段单相接地等值电路，图5(b)则是接有曲折变的母线段单相接地等值电路，图5(c)表示主变低压侧至分支电流互感器引线间单相接地等值电路。图中除TA0表示曲折变中性线上电流互感器外，其他文字标注与图 2相同。
依据图5，可将不同地点接地时流经各电流互感器一次侧的电流方向列表如表1。
由表1所示电流不难看出，只有10 kV母线发生接地且与接地段直接相连的分支其零序电流才自母线端流出，其他情况分支的零序电流均从母线端流入。当设定零序电流自母线端流出的方向为正，则220 kV变电所曲折变的零序保护逻辑与图3中设计的逻辑完全一致。为进一步阐明问题，可用叠加原理将10 kV系统接地时的等值电路分解成曲折变部分等值电路和10 kV系统电容部分等值电路(见图6。图中用虚线表示110 kV主变的曲折变及其接地电流)。尽管220 kV主变和110 kV主变的曲折变接线位置有所不同，但图6(b)中流经各自曲折变中性线TA的接地电流情况相同，与接地处无关，且k1处接地时流经接地段分支TA的零序电流方向也相同(为了简化，图中没有画出)；当k2处接地，只有110 kV主变的曲折变接地电流流经接地段分支TA，方向自母线端流出，助增了接地段分支零序方向启动；而k3处接地，则只有220 kV主变的曲折变接地电流流经分支TA，但其方向从母线端流入，有助于零序电流方向不动作。所以不论曲折变接于何处，曲折变的接地电流不会阻扰各分支零序电流方向正确动作。图6(c)则与曲折变接入位置无关，但从图中10 kV系统电容电流的流向可知(图中仅表示k1处接地的电容电流)，正是它主导了各分支的零序电流方向。故此220 kV主变和110 kV主变的曲折变零序电流方向保护逻辑完全相同。
总之，按图3设计的保护逻辑方案动作对象确切，不会扩大事故停电范围，能较好地满足用户对供电质量的要求，适用于220 kV或110 kV主变低压侧为双分支接线的曲折变零序保护。但目前制造厂尚无此相应系列产品，对于微机系列保护，用软件实现上述逻辑并不困难，建议厂家积极开发这一产品以满足市场需求。
此外还需说明，以上分析仅基于金属性接地故障，在制造及运行中应考虑过渡电阻等因素对零序电流方向的影响。另外，电流互感器断线可能使零序电流方向误动，因此尚需考虑电流互感器断线闭锁措施。
4、结论
城市电网10 kV低阻接地系统的曲折变零序电流保护方案归纳如下：
(1)接于曲折变中性线电流互感器的零序过电流保护方案，接线简单，适用于主变低压侧不带分支(即单分支)接线的曲折变零序保护；
(2)为了避免10 kV系统单相接地时扩大故障停电范围，提高对用户供电的可靠性，110 kV变电所
中当主变低压侧采用双分支接线时，推荐采用零序电流方向保护作为曲折变零序保护方案；
(3)220 kV变电所的曲折变也推荐采用零序电流方向保护作为10 kV系统接地故障保护，以缩小接地故障停电范围，保证供电可靠性；
(4)本文讨论的220 kV和110 kV主变低压侧为双分支接线的曲折变零序电流方向保护逻辑完全相同，其中零序电流采自曲折变中性线电流互感器，零序方向则由流过各分支电流互感器零序电流接线的电流和相应母线段的零序电压构成，方向指向各自10 kV母线。
(5)建议厂家积极开发适合城市电网10 kV低阻接地系统的曲折变零序保护产品，以满足市场对保护选择性提出的要求。