簡易變電站的10kV線路保護(hù)越級跳閘故障分析

蒲 軍

（中石化西北油田分公司，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841600）

0 引言

簡易變電站具有投資低和建設(shè)周期短的特性，建設(shè)成本只有正規(guī)變電站的2/5。塔北變電站建設(shè)初，綜合考慮該地區(qū)的油藏規(guī)模、投入產(chǎn)出比，建設(shè)為簡易變電站，如圖1 所示。簡易變電站體現(xiàn)在設(shè)備安裝在電線桿上、設(shè)備技術(shù)規(guī)格低和系統(tǒng)無冗余等方面。

簡易變電站投運(yùn)前，按照GB 1984—2003《高壓交流斷路器》[1]、GB/T 14258—2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》[2]和DL/T 596—2005《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》[3]的規(guī)范要求對柱上斷路器、電流互感器和涌流控制器進(jìn)行驗收試驗，試驗雖然能夠查出設(shè)備本體的質(zhì)量問題，但在實(shí)際運(yùn)行中還是發(fā)生多次10kV 線路保護(hù)越級跳主變斷路器的故障，主要原因是系統(tǒng)故障條件下保護(hù)動作由綜合因素決定，即由故障電流、保護(hù)定值、互感器、涌流控制器、斷路器的脫扣器、操動機(jī)構(gòu)、滅弧室動靜觸頭等共同協(xié)調(diào)完成[4-6]。本文對該現(xiàn)象進(jìn)行分析。

圖1 塔北變電站

1 塔北變電站簡介

塔北變電站的上級輸電線路為35kV 索北線，站內(nèi)有1 臺35kV/10kV 的變壓器，1 臺10kV 進(jìn)線斷路器，4 臺10kV 出線斷路器，10kV 斷路器均采用柱上斷路器。柱上斷路器自帶涌流控制器實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)，用配網(wǎng)自動化終端采集電流、電壓和遙信量，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳調(diào)度后臺。站用交流、直流系統(tǒng)和蓄電池組集成于一面屏。

塔北變電站10kV 線路的干線導(dǎo)線為LGJ—120鋼芯鋁絞線，分支導(dǎo)線為LGJ—50 鋼芯鋁絞線。供電負(fù)荷有2 個計轉(zhuǎn)站、4 個集氣站、67 口單井。塔北變電站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 塔北變電站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2 越級跳閘故障

塔北變電站多次發(fā)生10kV 配電線路短路故障，線路斷路器未動作，進(jìn)線1001 斷路器越級動作，從而導(dǎo)致全站4 條線路全部失電，如：

1）2019 年7 月31 日06:15，TB-6S 線路A、C相發(fā)生短路故障，短路電流550A，越級跳進(jìn)線1001斷路器。故障原因為農(nóng)用戶使用植保無人機(jī)在TB-6S-195#-196#桿附近打藥時掛線，造成A、C 相短路。

2）2020 年6 月17 日22:24，TB-7S 線路A、C相發(fā)生短路故障，短路電流600A，越級跳進(jìn)線1001斷路器。故障原因為農(nóng)用戶駕駛挖掘機(jī)在TB-7S 支S110 1-014#桿附近挖甘草，將地邊桿基防風(fēng)拉線挖斷，防風(fēng)拉線彈起觸碰A、C 相導(dǎo)線，造成A、C相短路。

塔北變電站保護(hù)定值單見表1。以上兩次相間短路，故障錄波器記錄的短路電流分別為550A 和600A，根據(jù)保護(hù)定值，線路電流速斷保護(hù)啟動，進(jìn)線1001 斷路器的電流延時保護(hù)同時啟動，由于線路電流速斷保護(hù)無延時，應(yīng)該先動作，實(shí)際情況為進(jìn)線1001 斷路器先動作。

表1 塔北變電站保護(hù)定值單

3 故障原因分析

3.1 線路故障跳閘原理

當(dāng)電力線路短路時，產(chǎn)生短路電流。電流互感器將大電流變?yōu)樾‰娏鞑⑤斎胗苛骺刂破?。涌流控制器判斷電流是否達(dá)到保護(hù)定值，滿足條件閉合跳閘節(jié)點(diǎn)。直流電源給跳閘線圈供電，驅(qū)動開關(guān)跳閘。線路故障跳閘原理如圖3 所示。

圖3 線路故障跳閘原理

根據(jù)跳閘原理圖，越級跳閘原因可能為短路電流同保護(hù)定值單和開關(guān)開斷容量不匹配、電流互感器飽和、柱上斷路器拒動（拒動原因有斷路器機(jī)械機(jī)構(gòu)卡澀和操作回路故障）、操作電源故障、涌流控制器失靈或性能不達(dá)標(biāo)。

故障發(fā)生后，技術(shù)檢修班通過現(xiàn)場檢查、電氣試驗等方式對以上幾種可能性進(jìn)行了排查，在排查了前4 項可能性后，將越級故障原因定位在第5 項，涌流控制器失靈或性能不達(dá)標(biāo)。下面詳細(xì)介紹故障排查過程。

3.2 短路電流計算

通過計算短路電流，對斷路器的開斷能力、電流互感器選型和保護(hù)定值配置進(jìn)行校驗。

塔北變電站10kV 系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，斷路器不跳閘，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)可以運(yùn)行2h。當(dāng)發(fā)生兩相短路、兩相接地短路和三相短路時，斷路器保護(hù)動作。

1）最大短路電流計算

由于是同一電壓等級，采用有名值計算，需要算母線、線路的阻抗值。母線阻抗值通過查閱《塔河油田母線等值阻抗表》得到，主線路使用LGJ—120 線，阻抗值為0.27+j0.347Ω/km=|0.44|Ω/km；分支線路使用LGJ—50 線，阻抗值為0.63+j0.363Ω/km=|0.73|Ω/km。塔北變電站系統(tǒng)阻抗等效圖如圖4 所示。

圖4 塔北變電站系統(tǒng)阻抗等效圖

靠近母線處的線路三相短路電流最大，查閱《塔河油田母線等值阻抗表》，在最大運(yùn)行方式下，10kV母線阻抗為7.62∠80.1°Ω，三相短路電流為

2）最小短路電流計算

線路最遠(yuǎn)處發(fā)生兩相短路的電流最小，在最小運(yùn)行方式下，10kV 母線阻抗為10.1∠81.6°Ω。TB-6S線路48 支98 支40#桿為最遠(yuǎn)端，主線路共2.4km，分支線路共6.9km，可計算出短路點(diǎn)阻抗6.1Ω。

兩相短路電流為

3.3 短路電流分析

根據(jù)最大短路電流 833.5A 和最小短路電流339.5A，結(jié)合選用設(shè)備，得出：

1）柱上斷路器

柱上斷路器的額定電流為630A，額定開關(guān)電流為20kA，滿足開斷短路電流要求。

2）涌流控制器

涌流控制器的過電流定值由電流互感器的電流比決定，如采用200A/5A 的電流互感器，過電流一次值為200A；過電流延時時間有4 位撥碼開關(guān)，每位撥碼有0、1 兩個位置，JL—2C 涌流控制器可選用10 種延時時間；速斷倍數(shù)采用2 位撥碼開關(guān)，4種倍數(shù)，可設(shè)置過電流定值的2、3、4、8 倍；速斷延時有2 位撥碼開關(guān)，4 種延時時間。JL—2C 涌流控制器撥碼設(shè)置如圖5 所示。

圖5 JL —2C 涌流控制器撥碼設(shè)置

3）保護(hù)定值

根據(jù)“可靠性、選擇性、速動性和靈敏性”進(jìn)行選擇。已計算出短路電流值，結(jié)合涌流控制器二次定值固化特性，塔北變電站的保護(hù)整定首先保證可靠性，出線電流互感器電流比為200A/5A，進(jìn)線電流互感器電流比為400A/5A。保護(hù)選擇性通過涌流控制器的延時功能實(shí)現(xiàn)。

3.4 涌流控制器校驗

對1001 斷路器和4 條出線的涌流控制器進(jìn)行校驗，校驗方法：用繼保儀給控制器輸入二次電流，記錄保護(hù)動作電流值，同時校驗動作時間特性。6S線路的涌流控制器在輸入110%保護(hù)定值電流不動作時，再逐步提升到10 倍保護(hù)定值電流仍不動作，檢查出涌流控制器損壞。控制器保護(hù)試驗結(jié)果見表2。

表2 控制器保護(hù)試驗（以A 相為例）結(jié)果

3.5 柱上斷路器檢查

對5 臺柱上斷路器進(jìn)行分合閘操作，均可靠動作，說明斷路器的機(jī)械回路完好。校驗5 臺斷路器的動作時間特性，進(jìn)線1001 斷路器的動作時間特性比4 臺線路斷路器稍小。試驗記錄見表3。

表3 斷路器動作時間特性記錄表

3.6 電流互感器檢查

1）回路接線檢查

4 臺出線斷路器和進(jìn)線1001 斷路器的CT 有兩個圈，測量CT 用于電表、遠(yuǎn)程終端裝置和故障錄波，保護(hù)CT 用于涌流控制器的保護(hù)。線圈引用正確。

2）CT 采樣和抗飽和特性檢查

用大電流發(fā)生器分別給進(jìn)線1001 斷路器CT 和4 條線路保護(hù)CT 一次側(cè)加電流，校驗保護(hù)CT 的精度10P20，即在20 倍額定電流下誤差不超過10%。結(jié)合線路最大短路電流和電流速斷保護(hù)定值，受大電流發(fā)生器的量程限制，最大電流試驗值為2 倍額定電流。CT 精度試驗記錄見表4，從試驗記錄表可以看出CT 的精度合格，滿足最大三相短路電流的使用要求。

表4 CT 精度試驗記錄表（以A 相為例）（單位: A）

3.7 綜合試驗

上述試驗都是單個電氣設(shè)備的本體試驗，試驗電流都是單相穩(wěn)定電流。實(shí)際相間短路故障后，短路電流是兩相或者三相短路電流，短路電流包含周期分量和非周期分量，同時產(chǎn)生多次諧波，以上因素都會對涌流控制器的保護(hù)產(chǎn)生干擾。因此，必須進(jìn)行綜合試驗。

試驗方法：在斷路器A、B、C 三相一次側(cè)加用三相大電流發(fā)生器模擬產(chǎn)生的三相短路電流，記錄動作電流，同時記錄動作時間，記錄見表5。

從試驗數(shù)據(jù)得出，當(dāng)發(fā)生兩相或三相短路時，涌流控制器的二次電流達(dá)到5A 就跳，并且動作時間基本和斷路器動作時間特性一致，保護(hù)延時為零。涌流控制器銘牌雖然標(biāo)明具有過電流延時功能、合閘延時功能、速斷延時設(shè)置和速斷倍數(shù)設(shè)置功能，但全部失效。

表5 綜合試驗兩相短路電流動作值（單位: A/ms）

以2020 年6 月17 日22:24，TB-7S 線路A、C相短路故障為例，故障錄波器記錄短路電流600A，經(jīng)電流互感器轉(zhuǎn)化為二次電流輸入涌流控制器，7S線路涌流控制器的二次電流為15A，進(jìn)線1001 涌流控制器的二次電流為7.5A，根據(jù)綜合試驗結(jié)論，兩臺斷路器的涌流保護(hù)器二次輸入電流超過5A，同時無延時動作，由于進(jìn)線1001 斷路器的動作時間特性小，首先動作切除故障。

根據(jù)3.2 節(jié)短路電流計算，塔北變電站的10kV線路最小兩相短路電流339.5A，線路最大三相短路電流為 833.5A。只要線路的相間短路電流超過400A，就會引起進(jìn)線1001 斷路器先動作。

3.8 涌流控制器工作原理分析

微型CT1 和CT2 將電流互感器的大電流變?yōu)樾‰娏?，?jīng)過可調(diào)電阻變?yōu)殡妷盒盘枴T3 用作單片機(jī)的電源。單片機(jī)需要電流、電壓的基波和二次諧波信號，濾去3 次以上諧波。單片機(jī)對電流進(jìn)行AD采樣，軟件通過間斷角原理進(jìn)行勵磁涌流識別，達(dá)到定值條件閉合跳閘節(jié)點(diǎn)。涌流控制器原理如圖6所示。

圖6 涌流控制器原理

間斷角原理需要較高的采樣率，對硬件要求較高[7]。經(jīng)過研究，需要14 位以上的模數(shù)（A-D）轉(zhuǎn)換器并且每個工頻周期采樣48 點(diǎn)，才能準(zhǔn)確測量間斷角和波寬[8]。而塔北變電站柱上斷路器自帶的JL—2C 型涌流控制器的單片機(jī)的10 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器采樣達(dá)不到要求。

4 措施

1）用高技術(shù)規(guī)格的智能控制箱或保護(hù)裝置替代涌流控制器。智能控制箱或保護(hù)裝置的技術(shù)規(guī)格有：①具有電流三段保護(hù)、零序保護(hù)和重合閘功能；②保護(hù)電流值和延時時間可任意整定，實(shí)現(xiàn)選擇性；③實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)、保護(hù)信息和事件記錄可以上傳至監(jiān)控后臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳電調(diào)后臺。

2）新建高壓室，將電氣設(shè)備轉(zhuǎn)戶內(nèi)運(yùn)行，改善電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。

3）柱上斷路器改造為可靠性更高的戶內(nèi)真空斷路器。

5 結(jié)論

綜上所述，線路越級跳閘的原因有：①采用技術(shù)規(guī)格低的涌流控制器，當(dāng)短路電流達(dá)到400A 時，不能實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)；②TA-6S 線路涌流控制器的損壞造成保護(hù)拒動。

塔北變電站的電氣設(shè)備戶外運(yùn)行，該地區(qū)位于新疆塔克拉瑪干沙漠北部邊緣，夏季最高溫度60℃，冬季最低溫度-20℃，風(fēng)沙大，設(shè)備故障率高。

本文中的簡易變電站雖然能減少投資，但采用了技術(shù)規(guī)格低的電氣設(shè)備，電氣設(shè)備在環(huán)境惡劣的戶外運(yùn)行，犧牲了保護(hù)動作的可靠性和選擇性。因此，在供電可靠性要求高的地方不建議采用簡易變電站。