变配电站单相接地保护设计有关问题分析
变配电站单相接地保护在电气设计规范与设计手册中都有较明确的规定，但在中小型变配电站设计时上下级之间如何配合，现就采用变配电站综合自动化装置后出现的一些问题，进行分析与讨论，供大家参考。
1 电源中性点不直接接地的供配电系统单相接地故障分析
现在我国10kV与35kV供配电系统为电源中性点不直接接地系统。未发生单相接地正常运行时，由于没有形成回路，对地电容电流直接流向大地。三相对地电容电流方向完全是由母线经过线路和变配电设备流向大地。由同一组变压器供电的同一电压等级输配电系统容量比较小时，全系统的对地电容电流也比较小。变压器容量越大，输配线路越多，对地电容电流就越大。
发生单相接地后会产生发生三种变化：一是接地相已经接地，所以该相与地同电位，对地电压为零，该相对地电容电流也就为零。二是发生单相接地后三相之间的电压（线电压）不变，仍然对称，电源中性点不发生漂移。三是其他不接地两相对地电压升高为线电压，为相电压的√3倍，不接地两相对地电容电流也就增加√3倍。
在发生单相接地后，全系统其他两相对地电容电流地，经过大地再由接地点，由接地相到母线，最后回到电源中性点，再由电源中性点经过大地形成回路。单相接地回路故障电流为全系统的其他两相对地电容电流（升高√3倍后）总和（向量和），电流方向为由接地相流向母线再回到电源。大小为未发生单相接地正常运行时，一相对地电容电流的三倍（3Ic ），计算公式如下：
假设A相发生单相接地：B相对地电容电流为Ibc＝√3 Ic C相对地电容电流为I cc＝√3 Ic
发生单相接地后的接地故障电流为：
I∑c ＝ Ibc＋Icc ＝ 2×[√3 ／2 × Ibc ]
＝ 2×[√3 ／2 ×（√3 Ic）] ＝ 2×[3 Ic／2 ] ＝3 Ic
电气设计规范规定，由同一组变压器供电的同一电压等级输配电系统的单相接地故障电流小于5A时；发生单相接地后，可以继续运行两个小时，但应发出单相接地故障报警。这也是我国目前10～35kV供配电系统采用电源中性点不接地的原因。
在发生单相接地故障后，其他不接地两相对地电压升高为线电压，为相电压的√3倍。变配电设备制造时耐压水平必须按照线电压进行设计。随着输配电系统规模的扩大，以及输配电设备与继电保护水平的提高，发达国家已经不再采用电源中性点不接地的供配电系统。
为了减小发生单相接地后的接地故障电流，35kV供配电系统采用电源中性点通过消弧线圈接地方案。单相接地后的接地故障电流为对地电容电流，可以利用消弧线圈的电感来抵消掉一部分单相接地故障电容电流。
当单相接地故障电流大于5A时，在发生单相接地故障后，故障会迅速扩大，接地点对地电压也会增加，影响到电气安全，就需要尽快跳闸。为提高单相接地保护动作的可靠性，电源中性点可通过大电阻接地，在发生单相接地后便形成回路，接地电流增大，继电保护可以直接跳闸；此时应设计零序电流互感器，或采用三电流互感器组成零序滤序器方案。目前我国一些地区10kV供配电系统采用了电源中性点通过大电阻接地方案。电源中性点通过大电阻接地，与电源中性点不接地相比较，接地故障电流增大了许多；但与电源中性点直接接地相比较，在故障回路串联了一个大电阻接地，接地故障电流还是比较小的。所以电源中性点通过大电阻接地的供配电系统，又称为小电流接地系统。小电流与大电阻接地都是指电源中性点通过大电阻接地而言。
2 变配电站单相接地保护设计
电源中性点不直接接地的供配电系统，单相接地保护有以下几个发展阶段。早期在变配电站设计采用Y/Y/△型电压互感器，利用开口三角形出口电压进行单相接地故障报警。电压互感器的一次与二次侧中性点都直接接地。不发生单相接地时，三相电压向量和为零；开口三角形出口电压进也为零。发生单相接地后，接地相对地电压为零；不接地两相对地电压升高为线电压，等于相电压的√3倍。此时开口三角形出口电压就升高为两相电压的向量和。在三角形出口接一个电压继电器就可以进行单相接地故障报警。此时由同一组变压器供电的同一电压等级供配电系统的开口三角形出口电压都升高为两相电压的向量和，都会发出报警，所以只能报警不能跳闸。需要通过分路拉闸的办法寻找接地故障回路。当由同一组变压器供电的同一电压等级供配电系统有许多单位时寻找故障就非常麻烦。
如果在变配电站出线回路安装零序电流互感器，再在零序电流互感器的输出接一个接地继电器，就可以对本出线回路进行单相接地保护。如果本出线回路发生单相接地时，由同一组变压器供电的同一电压等级供配电系统的未接地两相对地电容电流由接地故障点，经过接地故障相流向母线；接地故障电流等于本系统的未接地两相对地电容电流向量和，零序电流互感器就会感应出故障电流，其输出电流超过接地继电器动作电流时，发出报警或跳闸。
随着电子技术的发展，出现了小电流接地保护装置。在各路出线回路安装一个零序电流互感器，再将零序电流互感器的输出接其到小电流接地保护装置的输入端子上，如果本出线回路发生单相接地故障，接地故障电流等于本系统的未接地两相对地电容电流向量和，并经过本出线回路流向母线，零序电流互感器就会感应出故障电流。小电流接地保护装置就可以直接寻找到发生单相接地的回路进行报警或跳闸，不再需要分路拉闸，即方便又及时。小电流接地保护装置一个变配电站只需要安装一台，零序电流互感器需要每条出线回路都安装，并把零序电流互感器的输出信号全部引到小电流接地保护装置的的输入端子上，通过自动或人工手动巡检可直接寻找到发生单相接地的回路进行报警或跳闸。
现在变配电站综合自动化装置都增加了零序电流测量，可以直接进行单相接地故障报警或跳闸。此时不需要再设计小电流接地保护装置。为了提高可靠性，变配电站综合自动化装置进行单相接地故障跳闸时，除了判零序电流越限外，还增加了判零序电压越限。设计时需要选用Y/Y/△型电压互感器。有些变配电站综合自动化装置可以利用软件将判零序电压越限退出，此时可以选用V/V型电压互感器，但降低了可靠性。
零序电压与零序电流的概念是指三相不平衡时，为了计算需要将三相不平衡电压或电流分解为正序、负序与零序。对于电源中性点不直接接地的供配电系统，三相电压或电流的向量和为零，电压互感器的一次与二次侧中性点都不接地时，开口△出口与零序电流互感器都不会感应出电压与电流。所以电压互感器的一次与二次侧中性点都必须接地。零序电流互感器感应出的是三相对地不平衡电容电流。用于单相接地保护的电流互感器已经定义为零序电流互感器，但不能把三相对地不平衡电容电流误认为是零序电流。
高压电缆的金属外皮需要接地，安装零序电流互感器时，高压电缆头需要接地，电缆头接地线穿过零序电流互感器后才能接地，以便使流过金属外皮的电容电流与流过接地线的电容电流互相抵消，以保证单相接地保护动作的准确性。
变配电站单相接地保护应根据变配电站供电方式与出线回路来进行设计。供电给多个变配电站的总变配电站的出线应设计单相接地保护。多个小型变配电站由一路供电线路供电时，中小型变配电站允许短时间停电时，各中小型变配电站可以不设计单相接地保护。发生单相接地故障后，可以通过分路拉闸的办法寻找接地故障回路。如果采用了变配电站综合自动化装置，可以在小型变配电站的电源进线安装零序电流互感器，利用电源进线的变配电站综合自动化装置实现单相接地保护，不再需要通过分路拉闸的办法寻找故障回路。此时设计时应选用Y/Y/△型电压互感器。
由一路专用供电线路供电的中小型变配电站可以不设计单相接地保护，由上一级变配电站进行单相接地保护。中小型变配电站出线回路比较多时，采用变配电站综合自动化装置后，可以在出线回路安装零序电流互感器，利用各出线回路的变配电站综合自动化装置实现单相接地保护，不需要再通过分路拉闸的办法寻找故障回路。此时设计时应选用Y/Y/△型电压互感器。
采用采用变配电站综合自动化装置后，一次侧为三电流互感器时，可采用零序滤序器方案进行单相接地保护。三个电流互感器二次侧为Y形接线，将变配电站综合自动化装置的零序过电流保护端子串接在其中性线上就可以了。此时要求变配电站综合自动化装置的零序过电流保护允许的最大输入电流应减小。
3 10／0.38kV变压器低压侧零序过电流保护
10／0.38kV变压器低压侧为电源中性点直接接地的供配电系统（TN或TT），发生单相接地故障后，相当于短路，故障电流为短路电流。所以不再称为单相接地故障，而称为单相接地短路。380V低压侧采用低压断路器进行单相接地短路保护。
电气设计规范与设计手册中规定，高压侧过电流保护作为低压侧母干线单相接地保护的后备保护，当其不能满足灵敏性要求时，应装设变压器低压侧中性上的零序过电流保护。
变配电站综合自动化系统的变压器保护装置有低压侧零序过电流保护时，可以将安装在变压器低压侧中性上的零序过电流输出直接接其低压侧零序过电流保护输入短子上就可以了。安装在变压器低压侧中性上的零序过电流保护采用的电流互感器可选用与相线上电流互感器型号相同的低压电流互感器，变比可选相线上电流互感器变比变比的50％。
4 零序电流互感器选型
零序电流互感器选型时，一是要根据电缆外径尺寸来选择零序电流互感器的内径。二要根据本出线回路所在的由同一组变压器供电的同一电压等级供配电系统的对地电容电流的大小，来选择零序电流互感器的一次侧额定电流。再根据所选择的接地继电器规格来选择零序电流互感器的二次侧额定电流。零序电流互感器规格比较少，产品样本一般不给出变比。只给出内径尺寸、一次侧额定电流与一次侧为额定电流。
采用变配电站综合自动化装置后，变配电站综合自动化装置的零序电流输入额定电流最小为1A，应选用二次侧额定输出电流接近1A的零序电流互感器。
5 结束语
变配电站单相接地保护问题比较多，设计时根据电气设计规范与设计手册中的规定，变配电站所在供电网的实际情况，一次接线方式以及所选用的继电保护种类来进行设计。采用变配电站综合自动化装置后设计就比较简单一些。
