淺談35kV變電站出線與配電設(shè)備的保護(hù)級(jí)差配合

國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司唐山市曹妃甸區(qū)供電分公司 李耐心 張海韻 孫 瀟 董洪澤

當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定的需求越來(lái)越高，繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它擔(dān)負(fù)著切除故障元件并保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的任務(wù)。因此電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)提出了可靠性、靈敏性、選擇性和速動(dòng)性的“四性”要求[1]，而電網(wǎng)的“四性”正是依靠合理的整定計(jì)算來(lái)獲得。由于受上級(jí)電源系統(tǒng)定值及時(shí)間限額的限制，使得35kV 變電站出線與配電網(wǎng)設(shè)備的保護(hù)整定和配置出現(xiàn)諸多困難[2]。

1 保護(hù)配置情況

八里灘變電站為兩臺(tái)主變、35kV 和10kV 母線單母線分段配置，由110kV 漁林站35kV 出線漁八線312、110kV 柏各莊站35kV 出線柏八線311兩個(gè)電源接入，如圖1所示。八里灘變電站投入的主要保護(hù)類型有：345開(kāi)關(guān)過(guò)電流保護(hù)、35kV 備自投保護(hù)、變壓器保護(hù)（主變差動(dòng)、非電量及高后備保護(hù)）、線路保護(hù)（投入過(guò)流Ⅰ段、Ⅱ段）以及電容器保護(hù)，當(dāng)前保護(hù)配置情況如下：（1）上級(jí)電源柏各莊311：保護(hù)變比800/5，過(guò)流I 段11A、0.3s，過(guò)流II 段4.5A、1.3s；（2）上級(jí)電源漁林312：保護(hù)變比600/5，過(guò)流I 段21A、0.3s，過(guò)流II 段7.5A、1.3s；（3）八里灘345：保護(hù)變比800/5，備自投充電保護(hù)5.7A、0.1s，過(guò)流I 段7.63A、0.15s，過(guò)流II 段3.91A、1.15s；（4）10kV 出線511、514保護(hù)變比為600/5，513、521、523保護(hù)變比為500/5，定值均為：過(guò)流I 段15A、0s，過(guò)流II 段7.5A、0.7s；（5）八里灘301、302：保護(hù)變比400/5，過(guò)流II 段5A、1s，過(guò)負(fù)荷2.6A、3s；（6）短路阻抗：35kV 2.919/9.008，10kV 6.639/16.448，單臺(tái)主變7.44，主變并列3.72（兩臺(tái)主變參數(shù)相同）。

當(dāng)前35kV 八里灘變電站的511出線為工職院環(huán)網(wǎng)柜、路南環(huán)網(wǎng)柜供電，出線情況如圖2所示。由于八里灘511開(kāi)關(guān)、一號(hào)桿斷路器、工職院環(huán)網(wǎng)柜出口以及路南環(huán)網(wǎng)柜出口均配有電流保護(hù)，且定值的過(guò)流Ⅰ段時(shí)限均為0s，沒(méi)有級(jí)差配合。當(dāng)路南環(huán)網(wǎng)柜出口發(fā)生過(guò)流Ⅰ段故障時(shí)，上述四級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)流I 段保護(hù)可能同時(shí)動(dòng)作，導(dǎo)致工職院環(huán)網(wǎng)柜、路南環(huán)網(wǎng)柜全部失電，供電可靠性差?？紤]將八里灘511出口過(guò)流Ⅰ段時(shí)限調(diào)整為0.15s，退出一號(hào)桿斷路器保護(hù)，工職院環(huán)網(wǎng)柜、路南環(huán)網(wǎng)柜定值不變（兩個(gè)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)線保護(hù)均未投）。理論上，這樣可保證當(dāng)路南環(huán)網(wǎng)柜出口發(fā)生過(guò)流Ⅰ段故障時(shí)，工職院環(huán)網(wǎng)柜除517外其他出口商業(yè)性負(fù)荷可靠供電，但路南環(huán)網(wǎng)柜依舊有全停的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 八里灘變電站接線情況

圖2 八里灘變電站511出線情況

2 保護(hù)定值核算

高后備保護(hù)過(guò)流Ⅰ段不投，所以針對(duì)過(guò)流Ⅰ段保護(hù)的級(jí)差配合，只需核算10kV 過(guò)流Ⅰ段時(shí)限更改后是否對(duì)345開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)造成影響。下面結(jié)合八里灘母線故障對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行核算。

2.1 35kV 母線故障

當(dāng)八里灘35kV4母由柏各莊站供電時(shí)，八里灘35kV 母線短路阻抗為6.255/9.008；當(dāng)八里灘35kV5母由漁林站供電時(shí)，八里灘35kV 母線短路阻抗為2.919/4.292。結(jié)合上述兩種情況取極值，八里灘35kV 母線短路阻抗為2.919/9.008。即當(dāng)八里灘35kV4母（5母）由小方式下的柏各莊站供電時(shí)短路電流最??；當(dāng)八里灘35kV4母（5母）由大方式下的漁林站供電時(shí)短路電流最大。

故障電流計(jì)算：當(dāng)八里灘35kV4母（5母）由漁林站供電時(shí)，大方式下短路電流為5652A，遠(yuǎn)大于漁林站312出口過(guò)流Ⅰ段定值（一次值2520A）。八里灘35kV4母（5母）由柏各莊站供電時(shí)，大方式下短路電流為2638A，遠(yuǎn)大于柏各莊311出口過(guò)流Ⅰ段定值（一次值1760A）。同理，八里灘35kV4母（5母）分別由柏各莊站、漁林站供電時(shí)，大方式下短路電流均大于對(duì)應(yīng)上級(jí)電源出口過(guò)流Ⅰ段定值。

結(jié)論：任何運(yùn)行方式下，八里灘站35kV 母線故障均有可能導(dǎo)致上級(jí)供電電源出口過(guò)流Ⅰ段動(dòng)作，故345過(guò)流Ⅰ段定值應(yīng)滿足級(jí)差配合，同時(shí)該定值需按照八里灘35kV 母線故障時(shí)有1.5倍靈敏度整定，當(dāng)前定值已取合理范圍內(nèi)的最大值（7.63A）。

2.2 10kV 母線故障

由圖1可知，當(dāng)主變并列運(yùn)行時(shí)，如電源取自漁林站，八里灘10kV 母線短路阻抗為6.639/8.012；如電源取自柏各莊站，八里灘10kV 母線短路阻抗為9.975/12.728。當(dāng)主變非并列運(yùn)行時(shí)，如電源取自漁林站，八里灘10kV 母線短路阻抗為10.359/11.732；如電源取自柏各莊站，八里灘10kV母線短路阻抗為13.639/16.448。結(jié)合上述情況取極值，八里灘10kV 母線短路阻抗為6.639/16.448。當(dāng)主變并列運(yùn)行、電源取自大方式下的漁林站時(shí)，八里灘10kV4母（5母）短路電流最大；當(dāng)主變非并列運(yùn)行、電源取自小方式下的柏各莊站時(shí)，八里灘10kV4母（5母）短路電流最小。

2.2.1 故障電流計(jì)算

八里灘主變并列運(yùn)行：電源取自漁林站。10kV 母線大方式下短路電流為8284A，折算到35kV 側(cè)為2485A。該電流大于345過(guò)流Ⅰ段保護(hù)定值（并列運(yùn)行時(shí)流過(guò)345開(kāi)關(guān)的電流是故障電流的一半為1242.5A 大于345過(guò)流Ⅰ段一次值1220.8A）。并且，漁林312過(guò)流Ⅰ段定值（一次值2520A）無(wú)法可靠躲過(guò)該短路電流（可靠系數(shù)應(yīng)為1.35）；電源取自柏各莊站。10kV 母線大方式下短路電流為5514A，折算到35kV 側(cè)為1654A。該電流小于345過(guò)流Ⅰ段保護(hù)定值（并列運(yùn)行時(shí)流過(guò)345開(kāi)關(guān)的電流是故障電流的一半為827A 小于345過(guò)流Ⅰ段一次值1220.8A）。并且，柏各莊311過(guò)流Ⅰ段定值（一次值1760A）無(wú)法可靠躲過(guò)該短路電流（可靠系數(shù)應(yīng)為1.35）。

八里灘主變分列運(yùn)行或單主變運(yùn)行：電源取自漁林站。10kV 母線大方式下短路電流為5309A，折算到35kV 側(cè)為1592.8A。該電流大于345過(guò)流Ⅰ段保護(hù)定值（一次值1220.8A）。并且，漁林312過(guò)流Ⅰ段定值（一次值2520A）能夠可靠躲過(guò)該短路電流；電源取自柏各莊站。10kV 母線大方式下短路電流為4032.6A，折算到35kV 側(cè)為1209.8A。該電流接近345過(guò)流Ⅰ段保護(hù)定值（一次值1220.8A）。并且，柏各莊311過(guò)流Ⅰ段定值（一次值1760A）能夠可靠躲過(guò)該短路電流。

2.2.2 結(jié)論

八里灘變電站不得并列運(yùn)行（345、545合位），否則10kV 母線故障可能導(dǎo)致上級(jí)電源出口過(guò)流Ⅰ段動(dòng)作；若不退出345開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段保護(hù)，八里灘511開(kāi)關(guān)與345開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段時(shí)限應(yīng)滿足級(jí)差配合，否則當(dāng)35kV 母線并列（345開(kāi)關(guān)合位）、511出口發(fā)生短路故障時(shí)，345開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段保護(hù)可能與511開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，造成35kV4號(hào)母線、1號(hào)主變失壓。

3 方案分析

針對(duì)是否應(yīng)退出345過(guò)流Ⅰ段保護(hù)問(wèn)題，根據(jù)圖1，依定值核算結(jié)論，結(jié)合不同運(yùn)行方式具體分析。

兩臺(tái)主變運(yùn)行、35kV 母線并列運(yùn)行：不退出345開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段保護(hù)，則當(dāng)35kV 母線并列、511出口至工職院環(huán)網(wǎng)柜發(fā)生故障時(shí)，由于511、345開(kāi)關(guān)保護(hù)過(guò)流Ⅰ段時(shí)限均為0.15s，不排除511、345開(kāi)關(guān)同時(shí)跳閘的可能性。當(dāng)前運(yùn)行方式下會(huì)造成35kV4號(hào)母線、1號(hào)主變失壓且10kV4號(hào)母線全停。兩臺(tái)主變并列運(yùn)行時(shí)則會(huì)導(dǎo)致35kV4號(hào)母線、1號(hào)主變失壓且1號(hào)主變反供電；若退出345開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段保護(hù)，則當(dāng)前運(yùn)行方式下35kV 母線故障，或兩臺(tái)主變并列運(yùn)行方式下任一母線故障時(shí)均會(huì)導(dǎo)致上級(jí)電源出口保護(hù)動(dòng)作，35kV 備自投動(dòng)作合于故障，另一路上級(jí)電源出口保護(hù)動(dòng)作切除故障，最終變電站全停。

兩臺(tái)主變運(yùn)行、35kV 母線分列運(yùn)行：該方式下若路南環(huán)網(wǎng)柜出線故障，工職院環(huán)網(wǎng)柜517、路南環(huán)網(wǎng)柜出口過(guò)流Ⅰ段0s 動(dòng)作，八里灘511過(guò)流Ⅰ段0.15s 不動(dòng)，可保證工職院環(huán)網(wǎng)柜除517外其他出口商業(yè)性負(fù)荷可靠供電。若八里灘出口至工職院環(huán)網(wǎng)柜發(fā)生故障，八里灘511過(guò)流Ⅰ段0.15s 動(dòng)作，保護(hù)正確隔離故障；當(dāng)35kV 母線發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)上級(jí)電源線路跳閘，35kV 備自投動(dòng)作，345開(kāi)關(guān)合于故障，備自投充電保護(hù)啟動(dòng)并加速跳開(kāi)345開(kāi)關(guān)。保護(hù)正確隔離故障，僅故障側(cè)主變、母線及線路停電。當(dāng)10kV 母線發(fā)生故障時(shí)，對(duì)應(yīng)高后備動(dòng)作，保護(hù)正確隔離故障，僅故障側(cè)主變、母線及線路停電。該方式下退出345開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段保護(hù)不影響供電可靠性[3]。

圖3 單主變運(yùn)行應(yīng)避免的情況1

圖4 單主變運(yùn)行應(yīng)避免的情況2

單主變運(yùn)行：圖3和圖4兩種方式是單主變運(yùn)行應(yīng)該避免的情況，若不退出345開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段保護(hù)，則當(dāng)511出口至工職院環(huán)網(wǎng)柜發(fā)生故障時(shí)，由于511、345保護(hù)過(guò)流Ⅰ段時(shí)限均為0.15s，不排除511、345開(kāi)關(guān)同時(shí)跳閘導(dǎo)致全站失電的可能性。其他單主變運(yùn)行方式可避免上述問(wèn)題。

定值調(diào)整方案：將兩臺(tái)主變分列運(yùn)行（345、545開(kāi)關(guān)均在分位）作為八里灘變電站的正常運(yùn)行方式，當(dāng)八里灘站單電源運(yùn)行時(shí)（故障或檢修），應(yīng)退出345過(guò)流Ⅰ段保護(hù)或選取適當(dāng)?shù)膯沃髯冞\(yùn)行方式。當(dāng)主變并列運(yùn)行時(shí)，應(yīng)退出345過(guò)流Ⅰ段并投入545過(guò)流Ⅰ段，545過(guò)流Ⅰ段定值大小、時(shí)限均與上級(jí)電源滿足級(jí)差配合，當(dāng)10kV4母、5母或出線發(fā)生過(guò)流Ⅰ段故障時(shí)，第一時(shí)間跳開(kāi)545開(kāi)關(guān)，減少故障電流，可以避免上級(jí)電源保護(hù)越級(jí)動(dòng)作。根據(jù)八里灘主變能夠承受沖擊的能力，將八里灘10kV 出線保護(hù)過(guò)流Ⅰ段時(shí)限調(diào)至0.15～0.3s，具體原則如下：10kV 出線只帶一級(jí)開(kāi)閉站時(shí)，若開(kāi)閉站出線帶柱上智能開(kāi)關(guān)，則過(guò)流Ⅰ段時(shí)限可整定為對(duì)應(yīng)變電站出口0.3s、開(kāi)閉站出口0.15s、線路某開(kāi)關(guān)0s，若不帶柱上智能開(kāi)關(guān)，則對(duì)應(yīng)變電站出口0.15s、開(kāi)閉站出口0s；10kV 出線帶兩級(jí)開(kāi)閉站時(shí)，過(guò)流Ⅰ段時(shí)限可整定為對(duì)應(yīng)變電站出線0.3s、一級(jí)開(kāi)閉站出線0.15s、二級(jí)開(kāi)閉站出線0s，不考慮出線是否帶柱上智能開(kāi)關(guān)。

上述方案理論上可實(shí)現(xiàn)八里灘511出口兩個(gè)環(huán)網(wǎng)柜過(guò)流Ⅰ段保護(hù)時(shí)限分級(jí)，并對(duì)環(huán)網(wǎng)柜開(kāi)關(guān)固有特性要求較低[4]。該方案基于工職院環(huán)網(wǎng)柜與路南環(huán)網(wǎng)柜保護(hù)裝置，繼電器分閘時(shí)間與開(kāi)關(guān)固有分閘時(shí)間之和小于0.15s，否則無(wú)法解決八里灘511負(fù)荷供電不可靠問(wèn)題。