一起10kV母線電壓波動引發(fā)配網(wǎng)臺區(qū)停電故障原因分析

郭 亮，李升健，安 義，鄧才波，朱志杰

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077）

0 引言

變電站的10 kV母線往往連接有多條10 kV出線線路，線路發(fā)生故障時，線路保護裝置啟動出口動作切除故障，故障從發(fā)生到被切除的過程中，不同程度地影響母線電壓并產(chǎn)生電壓波動。這個電壓波動根據(jù)其波動范圍大小，或多或少對同一母線的其他出線產(chǎn)生影響，有些會導致線路跳閘，有些會導致線路部分區(qū)域停電。

本文針對一起具體配網(wǎng)線路故障引發(fā)的10 kV母線電壓波動，進而引發(fā)部分供電用戶停電的故障進行詳細分析，最終找到線路跳閘原因。

1 故障情況描述

據(jù)運維人員反應，2017年7月8日凌晨3:34分左右，某110 kV變電站兩條同桿架設的10 kV線路，10 kV新城II線、10 kV新沂線同時跳閘，重合閘失?。ê笤诰€路上找到故障點，線路確實發(fā)生了故障）；與此同時，運維人員所在的運維部門大樓及附近居民樓由10 kV新城III線供電，當時也發(fā)生了停電，運維人員發(fā)現(xiàn)新城III線也同時跳閘了。后經(jīng)調(diào)查，10 kV新城II線和10 kV新沂線為兩條同桿架設線路，因同類型故障發(fā)生同時跳閘，是符合邏輯的。

另據(jù)運維人員反應，2017年6月30日也發(fā)生了類似的情況。當天15:03分左右，10 kV新城II線發(fā)生跳閘，故障原因系該線路的15號桿上的水泥廠支線的電纜發(fā)生相間短路引起。而與此同時，運維人員所在的縣公司大樓及附近居民樓也發(fā)生停電。運維人員判斷為10 kV新城III線同時跳閘。

三條線路均接于某110 kV變電站的10 kV母線上，如圖1所示。

圖1 某110 kV變電站10 kV母線出線示意圖

以上兩次停電事件，由于運維人員巡線時發(fā)現(xiàn)臺區(qū)配變有電，也未發(fā)現(xiàn)新城III線的故障點，故判斷10 kV新城III線跳閘后自動重合閘成功，因此對低壓側(cè)斷路器合閘恢復了大樓及附近小區(qū)的供電。

2 故障現(xiàn)場調(diào)研及原因分析

2.1 線路故障信息

為了找到10 kV新城III線不明原因跳閘的原因，首先在110 kV某變電站的10 kV高壓開關柜室，對保護裝置的記錄的信息進行調(diào)取，各保護裝置均接入了對時系統(tǒng)且對時準確，通過保護裝置可查詢3條線路在2017年7月8日當天的故障信息。

但10 kV新城III線在當天沒有任何故障信息，故障查詢的具體情況如表1所示。再調(diào)取三條線路的保護定值及CT變比和導線型號等相關信息，如表2所示。

表1 各線路跳閘信息

表2 各線路的保護定值

從以上信息顯示各保護動作正確，保護裝置未發(fā)生誤動或拒動。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)10 kV新城III線的變電站出線開關7月8日無故障跳閘信息，并未發(fā)生運維人員誤以為的不明原因跳閘而后重合閘。因此可以確定變電站開關當天未發(fā)生跳閘。

由于新城III線3號桿上設有智能開關，該開關也有可能發(fā)生跳閘，因此查看3號桿該開關的跳閘信息。與北京時間核對，發(fā)現(xiàn)該開關對時準確，且在7月8日也無跳閘信息，最近一次跳閘在2017年6月3日，如圖2。

沿導線供電路徑巡線至停電小區(qū)所在配變，發(fā)現(xiàn)反映停電的小區(qū)與5號桿智能開關之間的10 kV保護只有配變前端的熔斷器，而該熔斷器運行良好，未發(fā)生熔斷。

圖2 10 kV新城III線5號桿柱上開關保護裝置信息

再往后側(cè)，停電小區(qū)均由同一個低壓400V斷路器供電。該斷路器型號為DW 15-630型萬能式斷路器，額定電流為630 A，其銘牌如圖3。

圖3 10 kV新城III線停電小區(qū)的低壓斷路器銘牌

結(jié)合當時運維人員恢復送電時對該斷路器進行了合閘，因此很大可能是該斷路器發(fā)生了跳閘，但低壓斷路器沒有控制器，沒有跳閘記錄。不能肯定是不是發(fā)生了跳閘。

由于低壓斷路器供電后側(cè)的線路和負荷未發(fā)現(xiàn)任何故障，而且供電安全穩(wěn)定進行，不可能是過流引起該斷路器跳閘。

查看該萬能式斷路器的說明書和設置，發(fā)現(xiàn)該斷路器具有低壓保護功能，且設置了無延時的瞬時低壓保護；后經(jīng)了解，該小區(qū)以前有電動機負荷運行，為了保護電動機不受電壓過低引起設備損壞，因此當時啟用了斷路器的低壓保護，該小區(qū)的電動機早已退出運行，而低壓保護未相應退出。

因此有可能是低壓保護在其他線路故障時發(fā)生了動作引起斷路器跳閘，為了驗證此種猜測，需要對故障進行計算分析來加以論證。

2.2 由故障電流求算故障電壓

查看該型號的說明書，該無延時低壓保護由瞬時欠壓脫扣器實現(xiàn)，當?shù)蛪耗妇€電壓低于70%額定電壓（即配變低壓側(cè)額定電壓400 V）時，脫扣器會瞬時脫扣將斷路器斷開[1]。為了確定其他線路故障時低壓母線電壓是否低于額定電壓的70%，需根據(jù)短路信息進行簡要計算如下。

故障時，10 kV線路由110 kV某變電站容量較小的2號主變供電，可認為運行方式為最小方式，查詢該變電站10 kV母線的最小方式下的系統(tǒng)阻抗為1.046 1（標幺值）。在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)一定的情況下，短路越嚴重即短路電流越大，母線電壓會越小[2-3]。為了估計斷路時母線電壓的下降情況，需考慮最樂觀情況，因此以10 kV新城II線短路電流較小的C相的29.3 A（3 516 A）計算，該線路型號為LGJ-120，單位長度阻抗為0.29+j0.35（Ω/km）。

假設為金屬性短路，短路點距離變電站為l，因此短路點的總阻抗Z總為：

式中：Uφ為非故障相相電壓，V；IC為C相故障電流，A。根據(jù)江西電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，110 kV變電站的系統(tǒng)阻抗角大都位于85°至90°之間系統(tǒng)阻抗角，取系統(tǒng)阻抗角88°，則可求得系統(tǒng)阻抗Z0為：

式中：l為故障點距離變電站的導線長度，km。聯(lián)立式（1）、式（2）解得：

l=1.45（km）

得母線與故障點間的導線阻抗ZL為：

式中：UN為10 kV母線額定電壓即10 500 V；計算結(jié)果表明，此次故障發(fā)生時10 kV母線電壓至少降低到額定電壓的38%左右，與10 kV母線相連的新城III線整條線路包括萬能式斷路器同時能感受到電壓的降低，即電壓同樣降低到額定值的38%＜70%，遠低于低電壓保護動作值，因此斷路器會瞬時動作跳開斷路器，引起小區(qū)用戶停電。

綜上，此次10 kV新城III線在其他兩條線路跳閘時并未發(fā)生同時跳閘，事實上10 kV線路并未停電，而是停電小區(qū)的400 V供電斷路器感受到電壓暫降致使瞬時低壓保護動作引發(fā)停電。

2.3 低壓保護動作過程分析

為了更清楚地說明此次故障的過程，需要對故障時序進行進一步分析。此次故障的母線電壓波動是由其他兩條線路故障引發(fā)的，故障發(fā)生后不久即被過流I段切除，電壓又恢復正常，故障從發(fā)生到切除的時間包括保護反應時間和保護出口后開關跳開時間兩部分。如圖4所示，故障在t1時刻發(fā)生引發(fā)保護啟動，經(jīng)過t2-t1時間，保護動作出口，驅(qū)動開關傳動機構(gòu)，至t3時刻，開關斷開。其中t2-t1約20 ms，t3-t2約50 ms，因此，t3-t1約70 ms。

圖4 故障動作示意圖

因此故障維持了約70 ms的時間，在這個時間內(nèi)，故障引起的母線電壓也持續(xù)了約70 ms的時間。

該型萬能斷路器，內(nèi)部設置了電磁脫扣器，欠電壓脫扣器是電磁一體化的機構(gòu)，主要包括控制電路和電磁系統(tǒng)兩大部分。其中，電磁系統(tǒng)由勵磁線圈、鐵芯（靜鐵芯和動鐵芯）、磁軛支持板和反作用力彈簧等組成。當線路電壓為（85%～110%）UN時，銜鐵被吸合，斷路器處于合閘運行狀態(tài)；而當線路電壓降低到小于70%UN時，欠電壓脫扣器的電磁吸力小于其反作用力，銜鐵打開，脫扣桿撞擊斷路器的脫扣板或破壞四連桿機構(gòu)的平衡，使之斷開。在故障發(fā)生并切除過程中的70 ms的時間內(nèi)，斷路器低壓保護動作并斷開，引發(fā)了用戶的停電。

3 改進措施建議

3.1 退出低壓保護

本故障例中的低壓保護可以退出。

根據(jù)以上分析，此次新城III線同時跳閘故障，系配變低壓側(cè)的400 V斷路器低壓保護動作引發(fā)部分用戶停電。由于該低壓保護所保護的電動機已退出運行了，因此建議將該低壓保護設置為退出。

而對于普遍存在的含有大量對電壓波動敏感的電動機或變頻器負荷的臺區(qū)及其斷路器，通常需要配置低壓保護，以避免長時間電壓偏低導致負荷設備損壞。從前述分析可知，故障引起的電壓暫降時間與保護延時、保護動作時間等有關，因此若能使萬能斷路器低壓保護的延時時間大于故障處理時間即故障電壓暫降時間，則可避免低壓斷路器跳閘的發(fā)生。

但另一方面，低壓保護延時時間又不能任意設置，因為負荷承受的欠壓過程越長，那么負荷損壞的可能性越大。因此在避免低壓保護誤跳閘的前提下，需要在遇到電壓崩潰時低壓斷路器低壓保護盡快動作，即要求低壓保護的延時時間最短。

3.2 斷路器低壓保護延時與線路保護延時時間的配合

為了使低壓斷路器在配網(wǎng)線路故障時不誤動，且在真正電壓崩潰時的低電壓時能盡快動作。必須確保低壓斷路器能避開10 kV母線任一配網(wǎng)線路的保護動作時引發(fā)的母線低電壓。由于配網(wǎng)線路的保護裝置設置有兩段或三段保護，三段跳閘時間不一樣，對于可能觸發(fā)低電壓保護動作對應的電流定值，則可通過相應的延時避開；對于電流定值較小，且動作時不會觸發(fā)低電壓保護動作，則無需采取延時?，F(xiàn)具體說明。

低壓斷路器配置的低電壓保護的動作電壓為，需要考察10 kV母線所有出線中，各段保護的電流定值對應的母線壓降與低電壓保護動作電壓的比較情況。本故障所在10 kV母線的所有出線均配置了兩段式保護：過流I段2 400 A/0 s；過流II段600 A/0.5 s。

首先分析最長時間的電流定值即過流II段，其電流定值為600 A，時間定值為0.5 s。過流II段定值對應的最大壓降，由于過流II段動作的最大故障電流可接近于過流I段，即2 400 A。為了能有效避免誤動作，需要計算最極端情況下的結(jié)果，即2 400 A的故障電流能引發(fā)的最低母線電壓。

由于配網(wǎng)線路短路容量相對于主網(wǎng)短路而言非常小，因此可以忽略短路故障時電源的暫態(tài)波動，可認為電網(wǎng)電源為無窮大電源。在同樣的條件下，故障電流一定時，當系統(tǒng)運行在最小方式下時，10 kV母線上的壓降達到最大。在此基礎上，再分析三相短路時的母線電壓達到最小的條件，圖5為故障時電壓向量示意圖。

圖5 電壓向量圖

圖中：U·N為額定電壓向量，U·MX為母線電壓向量，·為電壓降向量，角度j為電壓降向量與額定電壓向UJ量U·N的夾角，角度q為故障電流向量落后于額定電壓向量的角度，角度d為電壓降向量U·J與其電抗分量的夾角，即：

式中：X0為系統(tǒng)阻抗的電抗分量，Ω；R0為系統(tǒng)阻抗的電阻分量，Ω。由圖5可知，故障時各電壓降UJ對應的10 kV母線處的電壓UMX為：

電壓降UJ是與電流定值相等的故障電流在系統(tǒng)阻抗上引起的電壓降，三相短路時：

式中：Z0為系統(tǒng)阻抗有名值的幅值，Ω；IK為故障電流值，A。

顯然，在故障電流IK的大小等于電流定值Id的情況下，電壓降UJ大小是一定的，而電壓降向量與額定電壓向量的夾角j是可能變化的，由式（3）可知，當角j為最小時，母線處電壓UMX為最小。同時由圖5可知，角度j、角度q及角度d之和為90。，即：

式中：X0為10 kV母線處系統(tǒng)阻抗的電抗分量，Ω；R0為母線處系統(tǒng)阻抗的電阻分量，Ω；Xl為故障點與變電站間導線阻抗的電抗分量，Ω；Rl為故障點與變電站間導線阻抗的電阻分量，Ω；RG為故障點的過渡電阻，Ω。

式（5）表明，角j的大小與系統(tǒng)阻抗、線路阻抗及過渡電阻RG密切相關，對于某一線路在某處發(fā)生的故障而言，系統(tǒng)阻抗和線路阻抗是固定的，唯一可能變化的是過渡電阻，由式（5）可知，當RG=0時，角達到最小值：

由于系統(tǒng)阻抗X0>>R0，而導線阻抗的電抗電阻比由線路類型決定，當線路類型為電抗與電阻比最大時，式（6）最小。由于10 kV母線的出線中，10 kV新沂線的線徑為LGJ-240，單位長度電抗xl與電阻rl之比最大[4]。

由以上分析可知，要確定低電壓保護延時時間，需將新沂線發(fā)生金屬性三相短路時的母線電壓與低壓斷路器低電壓保護的動作定值做比較。

設電流等于速斷定值的三相金屬性短路點距離變電站導線長度為l，則該短路點的總阻抗為：

式中：Uφ為非故障相相電壓，V；Id為線路速斷保護定值，A。新沂線所在母線系統(tǒng)阻抗如前所述為：

Z0=0.0403+j1.1526（Ω）

因此

聯(lián)立式（7）、式（8）解得：

l=5.386（km）

得母線與三相金屬性故障點間的導線阻抗為：

過流II段動作時可能引發(fā)的母線處的最低電壓為母線額定電壓的0.78倍，大于低壓斷路器的低電壓保護定值，因此不會引發(fā)低電壓保護誤動作。因此低電壓保護延時時間可以不避開過流II段的時間定值，而只需避開過流I段時間定值，而過流I段時間為0 s，保護動作加上開關跳開需要約70 ms的時間，低電壓保護只需延時0.1 s即可避開。

因此本次故障所涉電網(wǎng)片區(qū)的所有低壓斷路器的低電壓保護延時0.1 s即可避開配網(wǎng)線路故障后保護動作引發(fā)的跳閘。

4 結(jié)語

本文對一起低壓小區(qū)停電故障進行了詳細分析，找到其原因系配網(wǎng)線路故障時的母線電壓波動導致低壓斷路器跳閘引起。提出了退出低電壓保護和低電壓保護延時兩種改進方案。并對低電壓保護延時時間的有效性進行了詳細的理論分析，找到了確定最佳延時時間的方法。本故障暴露的問題在配網(wǎng)中具有一定的普遍性，本文提出的查找故障方法及改進低壓斷路器設置的方法，對于減少或避免類似停電、提升配網(wǎng)專業(yè)運維水平具有重要參考意義。

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