10 kV線路合閘失敗原因分析及防范措施

潘英吉, 周和平

(1.國(guó)網(wǎng)吉林供電公司, 吉林 吉林 132001;2.吉林市電力設(shè)備安裝公司, 吉林 吉林 132002)

0 引 言

為提高供電可靠率,以架空線路為主的10 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)一般采用不接地方式運(yùn)行,即系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),并不構(gòu)成短路,對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)保護(hù)僅用于報(bào)警提示。線路發(fā)生短路或過(guò)負(fù)荷時(shí),線路有三段階梯電流主保護(hù),依次為第Ⅰ段電流速斷保護(hù),動(dòng)作時(shí)間0 s;第Ⅱ段電流限時(shí)保護(hù),延時(shí)動(dòng)作時(shí)間0.5 s;第Ⅲ段過(guò)電流保護(hù),延時(shí)動(dòng)作時(shí)間1.0～1.5 s。在對(duì)線路空載變壓器合閘充電時(shí),沿線各臺(tái)變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流相互迭加,當(dāng)達(dá)到電流保護(hù)整定值時(shí),保護(hù)動(dòng)作開(kāi)關(guān)跳閘,造成合閘失敗。本文結(jié)合具體實(shí)例對(duì)比進(jìn)行分析。

1 實(shí)例分析

1.1 合閘過(guò)程

城南一線10 kV公配線路T接52臺(tái)配電變壓器,總?cè)萘繛?3.8 MVA。供電方式如圖1所示,Sy為線路出口開(kāi)關(guān),Sf1～Sf5為線路分支開(kāi)關(guān)。

圖1 供電方式

在一次線路檢修工作結(jié)束后,合上線路出口開(kāi)關(guān)Sy時(shí),線路第Ⅲ段過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作開(kāi)關(guān)跳閘。工作組巡視檢查線路,并未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。為查找問(wèn)題原因,將線路分支開(kāi)關(guān)(Sf1～Sf5)全部斷開(kāi),從電源側(cè)逐段線路進(jìn)行送電,直至完成全部送電,并未發(fā)生運(yùn)行異?，F(xiàn)象。這種類(lèi)似情況,其他10 kV線路也曾發(fā)生過(guò)幾次,此外全線路合閘送電(分支開(kāi)關(guān)在合閘位置)均一次成功。

1.2 勵(lì)磁涌流

依據(jù)電磁感應(yīng)定律,正弦交流電壓u(t)施加在空載變壓器上時(shí)線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為e(t)=-N(dΦ/dt),(其中N為一次側(cè)繞組匝數(shù),Φ為勵(lì)磁磁通),并與電源電壓相平衡,即u(t)=-e(t),其相位落后于電源電壓π弧度。設(shè)合閘時(shí),電源電壓的表達(dá)式為[1]

u(t)=Umsin(ωt+θ)=i1(t)R1+N(dΦ/dt)

(1)

式中:Um——電壓峰值;

ω——角速度;

θ——合閘時(shí)的電壓初相角;

i1(t)——空載電流;

R1——一次側(cè)繞組電阻。

因一次側(cè)繞組電阻很小,暫忽略不計(jì),式(1)簡(jiǎn)化為

dΦ=(Um/N)sin(ωt+θ)dt

(2)

對(duì)式(2)積分,求解出磁通表達(dá)式為[2]

-Φmcos(ωt+θ)+Φmcosθ

(3)

電源在空載變壓器合閘充電時(shí),電壓初相角θ值決定暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量的變化狀況?，F(xiàn)將兩種極端情況下的θ分別帶入式(3)中,分析勵(lì)磁磁通Φ(t)的變化過(guò)程。

(1) 當(dāng)θ=π/2弧度時(shí)合閘,勵(lì)磁磁通為

Φ(t)=Φmsinωt

(4)

式(4)表明,θ=π/2弧度時(shí)合閘,勵(lì)磁磁通直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)分量下運(yùn)行,沒(méi)有暫態(tài)分量,此時(shí)變壓器的勵(lì)磁電流為空載電流,一般不超過(guò)額定電流的2%～10%。

(2) 當(dāng)θ=0弧度時(shí)合閘,勵(lì)磁磁通為

Φ(t)=-Φmcosωt+Φm

(5)

從式(5)可以看出,勵(lì)磁磁通是由兩個(gè)分量所組成,第1個(gè)分量是時(shí)間的函數(shù),第2個(gè)分量是常量。關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)變壓器空載合閘后,在t=π/ω(半個(gè)周波時(shí)間0.01 s)帶入到第1個(gè)分量中,勵(lì)磁磁通為Φ(t)=2Φm。變壓器設(shè)計(jì)的磁通密度正常在B-H曲線的拐點(diǎn)上,趨向于磁飽和狀態(tài),2倍的峰值磁通足以使變壓器鐵心處在深度飽和狀態(tài),激磁阻抗下降,勵(lì)磁電流急劇上升,空載電流變成勵(lì)磁涌流,一般為變壓器額定電流的5～8倍,經(jīng)沿線各臺(tái)變壓器勵(lì)磁涌流進(jìn)行相互迭加,最后導(dǎo)致線路出口Ⅱ段或Ⅲ段電流保護(hù)動(dòng)作開(kāi)關(guān)跳閘[3]。

電源在空載變壓器任何時(shí)間合閘,產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流均處在這兩種極端狀況范圍之內(nèi)。對(duì)于三相變壓器,各相電壓互為120°相位夾角,因此無(wú)論在何時(shí)合閘,總會(huì)有一相處在空載電流達(dá)到最大或接近最大勵(lì)磁涌流,由于變壓器繞組存在內(nèi)阻,勵(lì)磁涌流會(huì)由暫態(tài)分量逐漸衰減到正常運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)分量。衰減時(shí)間常數(shù)為T(mén)=L/R,其中L為繞組電感,R為繞組內(nèi)阻。一般小容量變壓器合閘后約0.1 s就趨于穩(wěn)定狀態(tài),大容量變壓器將持續(xù)15 s左右[4],全線路迭加后的勵(lì)磁涌流衰減時(shí)間需更長(zhǎng)一些,從故障錄波器的圖片上看,通常在1.5～2.0 s時(shí)間后勵(lì)磁涌流的幅值可衰減到50%及以下。

2 技術(shù)措施

目前,已有一些防止勵(lì)磁涌流的保護(hù)措施,如延長(zhǎng)線路出口Ⅱ段和Ⅲ段電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間(以躲避勵(lì)磁涌流的峰值)、加裝電流保護(hù)器等。為減少沿線各臺(tái)變壓器勵(lì)磁涌流惡性迭加,采取逐段分支線路送電方式,來(lái)限制勵(lì)磁涌流的峰值。圖1中,城南一線共有5個(gè)線路分支開(kāi)關(guān),選擇2個(gè)控制容量較大的分支開(kāi)關(guān)Sf2和Sf5及電源開(kāi)關(guān)Sy,實(shí)現(xiàn)三級(jí)送電方式。考慮大容量變壓器暫態(tài)分量衰減的時(shí)間約為15 s,設(shè)定每級(jí)開(kāi)關(guān)送電時(shí)間順延30 s,即第一級(jí)合閘時(shí)間為0 s,第二級(jí)合閘時(shí)間為30 s,第三級(jí)合閘時(shí)間為60 s。分級(jí)送電控制接線方式如圖2所示[5]。

圖2 分級(jí)送電控制接線方式

送電前分支開(kāi)關(guān)Sf1、Sf3、Sf4處在合閘位置上。

電源控制開(kāi)關(guān)Sy開(kāi)始合閘時(shí)間為0 s,第一級(jí)送電容量為5.83 MVA,同時(shí)分支開(kāi)關(guān)Sf2、Sf5通過(guò)本體變壓器T已檢測(cè)到電源電壓,見(jiàn)圖2。這時(shí)分支開(kāi)關(guān)Sf2和Sf5的電壓繼電器VJ均開(kāi)始動(dòng)作,第二級(jí)分支開(kāi)關(guān)Sf2延時(shí)30 s合閘,送電容量為4.21 MVA,在此基礎(chǔ)上,第三級(jí)分支開(kāi)關(guān)Sf5順延30 s合閘,全線路送電結(jié)束,一切運(yùn)行正常。

送電時(shí)按照三級(jí)送電方式進(jìn)行,停電時(shí)電源控制開(kāi)關(guān)Sy斷開(kāi),全線路停電,分支開(kāi)關(guān)Sf1、Sf3、Sf4仍保持在合閘狀態(tài),分支開(kāi)關(guān)Sf2、Sf5動(dòng)作過(guò)程見(jiàn)圖2。因線路停電,電壓繼電器VJ失壓,常開(kāi)接點(diǎn)瞬時(shí)打開(kāi),合閘線圈HQ失去自保持,Sf2和Sf5開(kāi)關(guān)失壓脫扣跳閘。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)三級(jí)自動(dòng)送電方式,有效地限制勵(lì)磁涌流的惡性迭加。自線路改造完成后運(yùn)行2年多時(shí)間里,線路經(jīng)過(guò)多次停送電,一直運(yùn)行正常。對(duì)于單臺(tái)大容量變壓器送電,為抑制勵(lì)磁涌流峰值,降低涌流暫態(tài)分量衰減的時(shí)間常數(shù),使之盡快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),在變電站出口開(kāi)關(guān)上串接一個(gè)電阻,合閘送電完成后自動(dòng)短接切除,運(yùn)行效果較好。抑制變壓器勵(lì)磁涌流有多種方法,應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況,采取有效措施,提高電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性。