備自投在10 kV單母四分段環(huán)形接線中的應(yīng)用

閆 石

(深圳市機(jī)場(集團(tuán))有限公司，廣東 深圳 518103)

0 引 言

對于負(fù)荷集中、較大的重要用戶，傳統(tǒng)的2臺(tái)主變組成的變電站已不能滿足需求。3臺(tái)主變單母四分段接線的變電站因具有負(fù)荷均分的特點(diǎn)，在主變負(fù)荷率為70%時(shí)仍能保證足夠的備用容量，已有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用[1]。文章以某用戶的3臺(tái)主變單母四分段環(huán)形接線的變電站為例，結(jié)合其小電阻接地方式對其10 kV備自投進(jìn)行分析。

1 變電站主接線及運(yùn)行方式

某用戶變電站采用3臺(tái)110/10 kV、50 MVA、YNd11主變。10 kV側(cè)采用單母四分段環(huán)形接線，即Ⅰ主變10 kV側(cè)接入Ⅰ母，Ⅱ主變10 kV側(cè)以雙分支形式接入ⅡA母、ⅡB母，Ⅲ主變10 kV側(cè)接入Ⅲ母，Ⅰ母與ⅡA母通過103分段斷路器連接，ⅡB母與Ⅲ母通過106分段斷路器連接，Ⅰ母與Ⅲ母通過107分段斷路器連接。Ⅰ母、Ⅲ母分別接入饋線20回，ⅡA母、ⅡB母分別接入饋線10回。10 kV系統(tǒng)為小電阻接地方式且無電源接入，Ⅰ母、ⅡB母、Ⅲ母分別接入Z聯(lián)結(jié)接地變。Ⅰ母、ⅡA母、Ⅲ母分別接入SVG。103、106、107斷路器處分別配置備自投BZT1、BZT2、BZT3，如圖1所示。

圖1 變電站簡化接線

變電站正常運(yùn)行方式為101、102、104、105、108、109、110斷路器合位，103、106、107斷路器分位，即Ⅰ主變帶Ⅰ母運(yùn)行，Ⅱ主變帶ⅡA母、ⅡB母運(yùn)行，Ⅲ主變帶Ⅲ母運(yùn)行，Ⅰ母、ⅡA母分列運(yùn)行，ⅡB母、Ⅲ母分列運(yùn)行。Ⅰ母、ⅡA母、ⅡB母、Ⅲ母分別通過Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ接地變接地。

2 主變負(fù)荷率不高于35%時(shí)備自投的運(yùn)行

變電站投運(yùn)初期，110 kV電源接入不完全， 2臺(tái)主變共用1個(gè)電源，且主變負(fù)荷率不高于35%。任意2臺(tái)主變失電，剩余1臺(tái)主變能帶全站負(fù)荷運(yùn)行，其最大負(fù)荷率約105%，屬于正常過負(fù)荷狀態(tài)，可以長時(shí)間運(yùn)行。BZT1、BZT2無需投入負(fù)荷均分功能。

BZT3投入后，Ⅰ主變、Ⅲ主變在Ⅱ主變退出運(yùn)行時(shí)仍能互為備用。但BZT3投入后，Ⅰ主變失電，BZT1、BZT3的動(dòng)作范圍重疊；Ⅲ主變失電，BZT2、BZT3的動(dòng)作范圍重疊。為方便整定配合，BZT1、BZT2的動(dòng)作時(shí)間整定相同，BZT3作為后備，其動(dòng)作時(shí)間大于BZT1、BZT2的動(dòng)作時(shí)間。考慮10 kV斷路器的分、合閘時(shí)間，保護(hù)出口時(shí)間、繼電器驅(qū)動(dòng)時(shí)間、位置接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間、母線電壓恢復(fù)時(shí)間及一定的時(shí)間裕度，應(yīng)至少大于0.5 s(不包含合閘延時(shí))。

結(jié)合小電阻接地系統(tǒng)必須且只能有一個(gè)中性點(diǎn)接地的運(yùn)行要求，BZT1、BZT2、BZT3的動(dòng)作邏輯如下所述。

2.1 BZT1的動(dòng)作邏輯

充電條件(見圖2)：101合位、102合位、103分位、Ⅰ母三相有壓、ⅡA母三相有壓。條件均滿足后，BZT1經(jīng)延時(shí)完成充電。

圖2 BZT1的充電條件(BZT2、BZT3類同)

起動(dòng)條件(見圖3)：充電完成、Ⅰ母三相無壓、Ⅰ母進(jìn)線無流、ⅡA母三相有壓。條件均滿足后，BZT1起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳101同時(shí)聯(lián)跳108，確認(rèn)101分位且Ⅰ母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合103。充電完成、ⅡA母三相無壓、ⅡA母進(jìn)線無流、Ⅰ母三相有壓。條件均滿足后，BZT1起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳102，確認(rèn)102分位且ⅡA母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合103。

圖3 BZT1的起動(dòng)條件

2.2 BZT2的動(dòng)作邏輯

充電條件：104合位、105合位、106分位、ⅡB母三相有壓、Ⅲ母三相有壓。條件均滿足后，BZT2經(jīng)延時(shí)完成充電。

起動(dòng)條件(見圖4)：充電完成、ⅡB母三相無壓、ⅡB母進(jìn)線無流、Ⅲ母三相有壓。條件均滿足后，BZT2起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳104同時(shí)聯(lián)跳109，確認(rèn)104分位且ⅡB母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合106。充電完成、Ⅲ母三相無壓、Ⅲ母進(jìn)線無流、ⅡB母三相有壓。條件均滿足后，BZT2起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳105同時(shí)聯(lián)跳110，確認(rèn)105分位且Ⅲ母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合106。

圖4 BZT2的起動(dòng)條件

2.3 BZT3的動(dòng)作邏輯

充電條件：101合位、105合位、107分位、Ⅰ母三相有壓、Ⅲ母三相有壓。條件均滿足后，BZT3經(jīng)延時(shí)完成充電。

起動(dòng)條件(見圖5)：充電完成、Ⅰ母三相無壓、Ⅰ母進(jìn)線無流、Ⅲ母三相有壓。條件均滿足后，BZT3起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳101同時(shí)聯(lián)跳108，確認(rèn)101分位且Ⅰ母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合107。充電完成、Ⅲ母三相無壓、Ⅲ母進(jìn)線無流、Ⅰ母三相有壓。條件均滿足后，BZT3起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳105同時(shí)聯(lián)跳110，確認(rèn)105分位且Ⅲ母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合107。

圖5 BZT3的起動(dòng)條件

為提高投入成功率，備自投不判別接地變斷路器的位置。

3 主變負(fù)荷率不低于70%時(shí)備自投的運(yùn)行

主變負(fù)荷率不低于70%，任意1臺(tái)主變失電，剩余2臺(tái)主變不能帶全站負(fù)荷運(yùn)行，其最大負(fù)荷率高于140%，BZT1、BZT2必須投入負(fù)荷均分功能、過負(fù)荷聯(lián)切功能。負(fù)荷均分功能由BZT1、BZT2配合共同實(shí)現(xiàn)，任意1臺(tái)主變失電后，其余2臺(tái)主變均分其負(fù)荷。過負(fù)荷聯(lián)切功能由BZT1、BZT2分別實(shí)現(xiàn)，通過聯(lián)切部分負(fù)荷，使主變可以長時(shí)間運(yùn)行。

3.1 BZT1、BZT2的負(fù)荷均分

由于小電阻接地系統(tǒng)必須且只能有一個(gè)中性點(diǎn)接地的運(yùn)行要求，BZT1、BZT2投入負(fù)荷均分功能后的起動(dòng)條件、動(dòng)作出口對象與第2節(jié)有所不同：

1)Ⅰ主變失電。滿足BZT1起動(dòng)條件后，BZT1起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳101，確認(rèn)101分位且Ⅰ母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合103，確認(rèn)103合位后，BZT1向BZT2發(fā)信起動(dòng)負(fù)荷均分，BZT2收到BZT1的起動(dòng)負(fù)荷均分信號(hào)且充電完成、Ⅲ母三相有壓，BZT2起動(dòng)跳104同時(shí)聯(lián)跳109，確認(rèn)104分位且ⅡB母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合106。

2)Ⅱ主變失電。若BZT1的動(dòng)作時(shí)間先于BZT2至少0.5s，滿足BZT1起動(dòng)條件后，BZT1起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳102，確認(rèn)102分位且ⅡA母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合103，確認(rèn)103合位后，BZT1向BZT2發(fā)信起動(dòng)負(fù)荷均分。 BZT2收到BZT1的起動(dòng)負(fù)荷均分信號(hào)且充電完成、Ⅲ母三相有壓，BZT2起動(dòng)跳104同時(shí)聯(lián)跳109，確認(rèn)104分位且ⅡB母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合106。

若BZT1、BZT2的動(dòng)作時(shí)間相同，滿足BZT1起動(dòng)條件后，BZT1起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳102，確認(rèn)102分位且ⅡA母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合103，確認(rèn)103合位后，BZT1向BZT2發(fā)信起動(dòng)負(fù)荷均分并放電。滿足BZT2起動(dòng)條件后，BZT2起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳105同時(shí)聯(lián)跳110，確認(rèn)105分位且Ⅲ母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合106，確認(rèn)106合位后，BZT2向BZT1發(fā)信起動(dòng)負(fù)荷均分并放電。此時(shí)，Ⅰ主變、Ⅲ主變已均分Ⅱ主變的負(fù)荷。BZT1、BZT2收到對方的起動(dòng)負(fù)荷均分信號(hào)后不會(huì)再起動(dòng)負(fù)荷均分。

3)Ⅲ主變失電。滿足BZT2起動(dòng)條件后，BZT2起動(dòng)經(jīng)延時(shí)跳105同時(shí)聯(lián)跳110，確認(rèn)105分位且Ⅲ母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合106，確認(rèn)106合位后，BZT2向BZT1發(fā)信起動(dòng)負(fù)荷均分。BZT1收到BZT2的起動(dòng)負(fù)荷均分信號(hào)且充電完成、Ⅰ母三相有壓，BZT1起動(dòng)跳102，確認(rèn)102分位且ⅡA母三相無壓，經(jīng)延時(shí)合103。

負(fù)荷均分投入后，BZT1、BZT2的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)不相同，否則Ⅰ主變、Ⅲ主變失電，BZT1、BZT2同時(shí)動(dòng)作后，負(fù)荷均分無法起動(dòng)，Ⅱ主變可能嚴(yán)重過負(fù)荷。BZT1、BZT2的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)間隔至少0.5 s，向更重要負(fù)荷供電的母線的備自投先動(dòng)作。若BZT1的動(dòng)作時(shí)間先于BZT2，當(dāng)BZT2收到BZT1的起動(dòng)負(fù)荷均分信號(hào)且Ⅲ母三相無壓，BZT2放電。此時(shí)，Ⅱ主變帶ⅡA母、ⅡB母、Ⅰ母并列運(yùn)行，可能過負(fù)荷，且有2個(gè)接地運(yùn)行的中性點(diǎn)，可人工退出Ⅰ接地變。

由于負(fù)荷均分動(dòng)作后，Ⅰ主變、Ⅲ主變中的1臺(tái)退出運(yùn)行，二者已無法互為備用，BZT1、BZT2投入負(fù)荷均分功能，BZT3應(yīng)退出。

3.2 BZT1、BZT2、BZT3的過負(fù)荷聯(lián)切

為減少備自投動(dòng)作后對主變的過負(fù)荷沖擊，保證主變能正常運(yùn)行，備自投動(dòng)作合閘前后均聯(lián)切部分負(fù)荷。過負(fù)荷聯(lián)切功能投入后，BZT1動(dòng)作跳101/102(BZT2動(dòng)作跳104/105，BZT3動(dòng)作跳101/105)同時(shí)聯(lián)切部分負(fù)荷，BZT1動(dòng)作合103(BZT2動(dòng)作合106，BZT3動(dòng)作合107)后進(jìn)入過負(fù)荷聯(lián)切邏輯，過負(fù)荷聯(lián)切可設(shè)置若干輪動(dòng)作，但BZT1、BZT2的第1輪動(dòng)作延時(shí)應(yīng)躲過BZT1、BZT2完成負(fù)荷均分的時(shí)間。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，過負(fù)荷多發(fā)生在備自投動(dòng)作后的5～10 min，故過負(fù)荷聯(lián)切邏輯展寬時(shí)間不應(yīng)小于10 min，否則過負(fù)荷聯(lián)切效果不理想[2]。備自投動(dòng)作后過負(fù)荷聯(lián)切邏輯如圖6所示。

圖6 備自投動(dòng)作后過負(fù)荷聯(lián)切邏輯

4 主變負(fù)荷率高于35%但低于70%時(shí)備自投的運(yùn)行

1)2臺(tái)主變同時(shí)失電或在1臺(tái)主變退出運(yùn)行，其余2臺(tái)主變帶全站負(fù)荷的運(yùn)行方式下，1臺(tái)主變失電，負(fù)荷均分無法起動(dòng)，會(huì)損失部分負(fù)荷。由于負(fù)荷均分動(dòng)作后，變電站無備用電源，2臺(tái)主變相繼失電，也會(huì)損失部分負(fù)荷。但1臺(tái)主變失電，備自投動(dòng)作無需聯(lián)切負(fù)荷。

2)BZT1、BZT2退出負(fù)荷均分功能，BZT1、BZT2、BZT3投入過負(fù)荷聯(lián)切功能。在上述幾種故障工況下，各母線均能繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)損失整段母線的負(fù)荷。但在主變負(fù)荷率高于50%時(shí)，1臺(tái)主變失電，備自投動(dòng)作需聯(lián)切負(fù)荷且需考慮過負(fù)荷聯(lián)切完成前，主變能否承受過負(fù)荷的沖擊。

5 備自投與保護(hù)的配合

5.1 備自投與接地變電流保護(hù)的配合

1)接地變零序電流保護(hù)作為母線單相接地故障的主保護(hù)，通常采用程序式跳閘以縮小母線故障影響范圍，動(dòng)作后閉鎖備自投[3]。但對于單母四分段環(huán)形接線方式會(huì)誤閉鎖備自投，若Ⅰ接地變零序電流保護(hù)1時(shí)限跳103并閉鎖BZT1、跳107并閉鎖BZT3，2時(shí)限跳101，3時(shí)限全切，在Ⅰ母、ⅡA母并列運(yùn)行，Ⅰ母、Ⅲ母分列運(yùn)行的運(yùn)行方式下，ⅡA母單相接地故障，Ⅰ接地變零序電流保護(hù)動(dòng)作誤閉鎖BZT3。103、106、107處配置零序電流保護(hù)，Ⅰ接地變零序電流保護(hù)與103、107處零序電流保護(hù)相配合以縮小母線故障影響范圍，Ⅰ接地變零序電流保護(hù)1時(shí)限跳101并閉鎖BZT1、BZT3，2時(shí)限全切。考慮Ⅰ主變帶全站負(fù)荷的運(yùn)行方式，107處零序電流保護(hù)與106處零序電流保護(hù)配合，Ⅰ接地變零序電流保護(hù)與107處零序電流保護(hù)配合，103處零序電流保護(hù)與106處零序電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間相同即可。為減少切除母線故障的時(shí)間，可縮短保護(hù)的時(shí)間級(jí)差，考慮彈簧儲(chǔ)能操作機(jī)構(gòu)斷路器的分閘時(shí)間一般小于60～80 ms，采用全波傅氏算法故障檢測的保護(hù)出口時(shí)間在30 ms左右，繼電器驅(qū)動(dòng)時(shí)間一般為5 ms左右以及一定的時(shí)間裕度，時(shí)間級(jí)差可按0.2 s整定[4]。同理，Ⅲ接地變零序電流保護(hù)1時(shí)限跳105并閉鎖BZT2、BZT3，2時(shí)限全切，動(dòng)作時(shí)間與Ⅰ接地變零序電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間相同即可。Ⅱ主變10 kV側(cè)單相接地故障如圖7所示。

圖7 Ⅱ主變10kV側(cè)單相接地故障

圖8 K1故障(ⅡA母單相接地故障)零序網(wǎng)絡(luò)

圖9 K2故障(ⅡB母單相接地故障)零序網(wǎng)絡(luò)

圖10 K3故障(Ⅱ主變分支單相接地故障)零序網(wǎng)絡(luò)

由于Ⅱ主變10 kV側(cè)以雙分支形式接入ⅡA母、ⅡB母，Ⅱ接地變零序電流保護(hù)可根據(jù)母線單相接地故障時(shí)零序電流的分布判別故障位置。無論何處故障，CTⅡA、CTⅡB、CTR均流過零序電流，只是零序電流大小不同，CTR只流過接地變中性點(diǎn)電流。K1故障(ⅡA母單相接地故障)，流過CTⅡA、CTⅡB的電流ICTⅡA、ICTⅡB均為ⅡB母單相對地電容電流與接地變單相電流的矢量和。K2故障(ⅡB母單相接地故障)，ICTⅡA、ICTⅡB均為ⅡA母單相對地電容電流。K3故障(Ⅱ主變分支單相接地故障)，ICTⅡA為ⅡA母單相對地電容電流，ICTⅡB為ⅡB母單相對地電容電流與接地變單相電流的矢量和。

若Ⅱ接地變零序電流保護(hù)接入CTⅡA、CTⅡB、CTR的二次回路，ICTⅡA、ICTⅡB按可靠躲過本母線單相對地電容電流整定，可使Ⅱ接地變零序電流保護(hù)具有選擇性。K1故障，ICTⅡA、ICTⅡB、IR均大于整定值，Ⅱ接地變零序電流保護(hù)1時(shí)限跳102并閉鎖BZT1，2時(shí)限全切。K2故障，ICTⅡA、ICTⅡB未大于整定值，IR大于整定值，Ⅱ接地變零序電流保護(hù)1時(shí)限跳104并閉鎖BZT2，2時(shí)限全切。K3故障，ICTⅡA未大于整定值，ICTⅡB、IR大于整定值，由于K3故障位于主變差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)，Ⅱ接地變零序電流保護(hù)1時(shí)限全切不閉鎖BZT1、BZT2。同理，Ⅱ接地變零序電流保護(hù)與103處零序電流保護(hù)、106處零序電流保護(hù)配合。Ⅱ接地變零序電流保護(hù)邏輯如圖11所示。

圖11 Ⅱ接地變零序電流保護(hù)邏輯

Ⅱ接地變零序電流保護(hù)動(dòng)作切除ⅡB母，ⅡA母失去接地運(yùn)行的中性點(diǎn)。若Ⅱ接地變零序電流保護(hù)1時(shí)限跳104同時(shí)聯(lián)跳102，使BZT1動(dòng)作，Ⅰ主變帶Ⅰ母、ⅡA母并列運(yùn)行，由Ⅰ接地變向ⅡA母提供接地運(yùn)行的中性點(diǎn)，故Ⅱ接地變零序電流保護(hù)1時(shí)限跳104閉鎖BZT2，收到BZT1充電完成的信號(hào)聯(lián)跳102。若Ⅱ主變帶ⅡA母、ⅡB母、Ⅰ母并列運(yùn)行時(shí)K2故障，Ⅱ接地變零序電流保護(hù)動(dòng)作切除ⅡB母，Ⅰ母、ⅡA母失去接地運(yùn)行的中性點(diǎn)，只能人工投入Ⅰ接地變。此時(shí)，Ⅱ主變與Ⅰ接地變不對應(yīng)運(yùn)行，為使Ⅰ接地變零序電流保護(hù)能切除故障，其動(dòng)作出口從101切換至102。Ⅰ主變失電，負(fù)荷均分動(dòng)作后，也采用Ⅰ接地變零序電流保護(hù)動(dòng)作出口從101切換至102的方式。

3)接地變相間電流保護(hù)作為接地變相間故障的主保護(hù)及后備保護(hù)，動(dòng)作后不閉鎖備自投，但接地變被切除后，相應(yīng)母線失去接地運(yùn)行的中性點(diǎn)。規(guī)程要求：“接地變失去時(shí)，主變的同級(jí)斷路器必須同時(shí)斷開”，這就必須通過起動(dòng)備自投以保證可靠供電[5]。故Ⅰ接地變相間電流保護(hù)跳108，收到BZT1或BZT3充電完成的信號(hào)聯(lián)跳101；Ⅱ接地變相間電流保護(hù)跳109，收到BZT1(BZT2)充電完成的信號(hào)聯(lián)跳102(104)；Ⅲ接地變相間電流保護(hù)跳110，收到BZT2或BZT3充電完成的信號(hào)聯(lián)跳105。

5.2 備自投與主變低后備保護(hù)的配合

BZT1的放電條件如圖12所示。主變低后備保護(hù)作為母線相間故障的主保護(hù)或后備保護(hù)，其動(dòng)作后應(yīng)閉鎖備自投。103、106、107處配置相間電流保護(hù)，103處相間電流保護(hù)與106處相間電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間相同，107處相間電流保護(hù)與106、103處相間電流保護(hù)配合，Ⅰ、Ⅲ主變低后備保護(hù)與107處相間電流保護(hù)配合，Ⅱ主變ⅡA、ⅡB分支低后備保護(hù)分別與106、103處相間電流保護(hù)配合，時(shí)間級(jí)差按0.2 s整定。Ⅰ主變低后備保護(hù)1時(shí)限跳101并閉鎖BZT1、BZT2，2時(shí)限全切。Ⅲ主變低后備保護(hù)1時(shí)限跳105并閉鎖BZT2、BZT3，2時(shí)限全切。ⅡA分支低后備保護(hù)1時(shí)限跳102并閉鎖BZT1，ⅡB分支低后備保護(hù)1時(shí)限跳104并閉鎖BZT2，收到BZT1充電完成的信號(hào)聯(lián)跳102。

圖12 BZT1的放電條件(BZT2、BZT3類同)

6 結(jié) 語

1)主變負(fù)荷率不高于35%時(shí)，BZT1、BZT2、BZT3投入，但BZT1、BZT2不投入負(fù)荷均分功能、過負(fù)荷聯(lián)切功能。

2)主變負(fù)荷率不低于70%時(shí)，BZT1、BZT2及其負(fù)荷均分功能、過負(fù)荷聯(lián)切功能投入，BZT3退出。

3)主變負(fù)荷率高于35%但低于70%時(shí)，BZT1、BZT2、BZT3及其過負(fù)荷聯(lián)切功能投入，但BZT1、BZT2不投入負(fù)荷均分功能。

4)接地變零序電流保護(hù)、主變低后備保護(hù)通過與分段斷路器保護(hù)的配合及對零序電流分布的判別實(shí)現(xiàn)選擇性閉鎖備自投。為保證供電可靠性，接地變相間電流保護(hù)起動(dòng)備自投。