10 kV開(kāi)關(guān)站保護(hù)動(dòng)作分析與研究

任銳煥，袁 輝，鄧 飛，石建超

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司嘉定供電公司，上海 201800)

配電網(wǎng)是連接變電與用戶(hù)的中間環(huán)節(jié)，開(kāi)關(guān)站是配電網(wǎng)的重要供能設(shè)施[1]，負(fù)責(zé)將10 kV及以上電壓等級(jí)的電能通過(guò)配電站或者環(huán)網(wǎng)柜等供給用戶(hù)。開(kāi)關(guān)站內(nèi)主要設(shè)備為封閉式開(kāi)關(guān)柜，其內(nèi)設(shè)備主要有斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、繼電保護(hù)裝置、電流互感器、接地開(kāi)關(guān)等。電流互感器的飽和特性曲線(xiàn)對(duì)保護(hù)裝置能否精準(zhǔn)動(dòng)作起著至關(guān)重要的作用，而保護(hù)裝置的正常運(yùn)行與正確動(dòng)作與否則與用戶(hù)的安全可靠用電緊密相關(guān)。

1 線(xiàn)路整定參數(shù)

陳寶開(kāi)關(guān)站上級(jí)電源是一座110 kV變電站，主要有110 kV和10 kV 2個(gè)電壓等級(jí)，該站饋線(xiàn)科3陳寶乙向下級(jí)陳寶開(kāi)關(guān)站供電，經(jīng)10 kV架空線(xiàn)路接入陳寶開(kāi)關(guān)站，科3陳寶乙線(xiàn)路保護(hù)配置參數(shù)見(jiàn)表1，陳寶開(kāi)關(guān)站10 kV出線(xiàn)陳2頂甄食品線(xiàn)路保護(hù)配置參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 科3陳寶乙線(xiàn)路整定值

表2 陳2頂甄食品線(xiàn)路整定值

2 電流互感器特性分析

線(xiàn)路保護(hù)電流互感器簡(jiǎn)稱(chēng)流變，是將一次大電流轉(zhuǎn)換為二次小電流供保護(hù)裝置采集、計(jì)算的重要手段，在投入運(yùn)行前應(yīng)進(jìn)行絕緣耐壓試驗(yàn)和伏安特性試驗(yàn)等。

電流互感器應(yīng)按線(xiàn)路二次負(fù)載大小及系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大短路電流進(jìn)行10%誤差校驗(yàn)，在短路電流最大時(shí)電流互感器的變比誤差應(yīng)在10%內(nèi)，且二次回路的最大允許阻抗ZYmax應(yīng)大于該回路的實(shí)際二次負(fù)載阻抗ZL[2]。電流互感器等值電路和參數(shù)如圖1所示，R2為繞組內(nèi)阻；Z2為繞組漏抗。電流互感器的內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)見(jiàn)式(1)，允許的總負(fù)載見(jiàn)式(2)，允許的二次負(fù)載見(jiàn)式(3)。

圖1 電流互感器等值電路和參數(shù)

E0=U0-I0Z2

(1)

Z2+ZY=E0/9I0

(2)

Z2=(E0/9I0)-ZY

(3)

3 保護(hù)動(dòng)作分析與研究

3.1 故障經(jīng)過(guò)

2021年3月15日，華東地區(qū)某110 kV變電站出線(xiàn)科3陳寶乙前加速動(dòng)作跳閘，重合閘重合成功，而后過(guò)流反時(shí)限動(dòng)作跳閘，幾乎同時(shí)下級(jí)站陳寶開(kāi)關(guān)站出線(xiàn)陳2頂甄食品反時(shí)限動(dòng)作跳閘，2.5 s后分段開(kāi)關(guān)合閘，自切成功。

3.2 保護(hù)動(dòng)作分析

故障發(fā)生后，工區(qū)繼電保護(hù)工作人員通過(guò)調(diào)閱陳寶開(kāi)關(guān)站陳2頂甄食品線(xiàn)路開(kāi)關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)安裝的ABB廠家生產(chǎn)的SPAA341C2保護(hù)裝置動(dòng)作記錄發(fā)現(xiàn)，陳2頂甄食品線(xiàn)路故障電流約為4200 A，而科3陳寶乙前加速動(dòng)作電流約為3000 A，重合閘成功后過(guò)流保護(hù)再次動(dòng)作，此時(shí)故障電流在5000 A左右。

現(xiàn)場(chǎng)工作人員使用儀器對(duì)該SPAA341C2保護(hù)裝置進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果表明，保護(hù)裝置動(dòng)作性能良好，排除裝置故障導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的可能。工作人員根據(jù)式(4)過(guò)流反時(shí)限動(dòng)作特性(常規(guī)反時(shí)限)[3]計(jì)算出短路電流在5000 A時(shí)，陳2頂甄食品過(guò)流反時(shí)限動(dòng)作時(shí)間為0.2478 s，科3陳寶乙的反時(shí)限動(dòng)作時(shí)間為0.6671 s。而陳寶開(kāi)關(guān)站陳2頂甄食品現(xiàn)場(chǎng)故障電流為4200 A，經(jīng)計(jì)算過(guò)流動(dòng)作時(shí)間應(yīng)為0.2649 s。上下級(jí)保護(hù)裝置滿(mǎn)足0.3 s的要求，故整定計(jì)算無(wú)誤。

陳寶開(kāi)關(guān)站發(fā)生線(xiàn)路短路故障后，由于短路電流過(guò)大，上級(jí)站科3陳寶乙后備保護(hù)優(yōu)先動(dòng)作，前加速跳閘，重合閘重合于永久性故障，過(guò)流反時(shí)限再次動(dòng)作跳開(kāi)開(kāi)關(guān)，同時(shí)陳2頂甄食品過(guò)流反時(shí)限動(dòng)作跳開(kāi)故障線(xiàn)路開(kāi)關(guān)，故障點(diǎn)被隔離。陳寶開(kāi)關(guān)站一路進(jìn)線(xiàn)失電，2.5 s后分段開(kāi)關(guān)合閘，自切成功。但是，陳2頂甄食品不應(yīng)在上級(jí)站過(guò)流反時(shí)限動(dòng)作同時(shí)發(fā)生跳閘，不滿(mǎn)足速斷性的要求，初步判斷是短路電流過(guò)大，陳2頂甄食品倉(cāng)位電流互感器鐵芯飽和，不滿(mǎn)足流變10%的誤差要求，導(dǎo)致保護(hù)裝置采樣電流值畸變偏小造成開(kāi)關(guān)延時(shí)跳閘。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究

陳寶開(kāi)關(guān)站陳2頂甄食品線(xiàn)路開(kāi)關(guān)柜安裝的電流互感器型號(hào)為L(zhǎng)ZZBJ9-12b2，變比為200/5，容量為15 VA，繼電保護(hù)工作人員使用AD213Z全自動(dòng)伏安試驗(yàn)儀對(duì)備用倉(cāng)位的同型號(hào)同變比同容量的電流互感器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，使用保珈瑪SVERKER750單相繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)保護(hù)A、B、C三相回路分別通入5 A的試驗(yàn)電流，用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)x器端口輸出電壓，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表3 陳5備用流變伏安特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 電流互感器二次負(fù)載阻抗

由表4中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后可得電流互感器的二次負(fù)載為0.073 Ω。用萬(wàn)用表測(cè)量流變二次側(cè)A、B、C三相內(nèi)阻皆為0.2 Ω(不含萬(wàn)用表內(nèi)阻)，根據(jù)式(5)可得，電流互感器繞組漏抗Z2為0.6 Ω(根據(jù)流變型號(hào)，本次計(jì)算系數(shù)取3)。

Z2=(1～3)R2

(5)

將表3、表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，得到電流互感器在不同短路電流倍數(shù)下的二次允許負(fù)載，詳見(jiàn)表5。再根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)擬合得到10%誤差時(shí)，ZYmax與不同短路電流倍數(shù)m的函數(shù)曲線(xiàn)，即ZYmax=f(m)，見(jiàn)圖2。不同短路電流倍數(shù)時(shí)，根據(jù)圖2可以查出不同的最大允許負(fù)載阻抗。

表5 電流互感器10%誤差曲線(xiàn)的測(cè)量與計(jì)算

圖2 電流互感器10%誤差曲線(xiàn)

當(dāng)短路負(fù)荷電流為5000 A時(shí)，其二次負(fù)載為0.073 Ω，大于電流互感器的最大允許負(fù)載阻抗為0.029 Ω，故電流互感器呈現(xiàn)為飽和狀態(tài)，導(dǎo)致保護(hù)裝置延時(shí)動(dòng)作。

4 結(jié)論

陳寶開(kāi)關(guān)站發(fā)生永久性故障，上級(jí)站前加速保護(hù)動(dòng)作跳閘后，重合閘裝置動(dòng)作，使線(xiàn)路重合于故障，短路電流變大，導(dǎo)致陳寶開(kāi)關(guān)站陳2頂甄食品倉(cāng)位流變飽和，保護(hù)裝置無(wú)法快速準(zhǔn)確切除故障回路，而與上級(jí)站過(guò)流反時(shí)限同時(shí)動(dòng)作。陳寶開(kāi)關(guān)站失去一路進(jìn)線(xiàn)后，另一路進(jìn)線(xiàn)通過(guò)分段開(kāi)關(guān)給整站供電。

電流互感器鐵芯飽和，將會(huì)引起互感器二次側(cè)電流發(fā)生畸變[4]，從而使二次側(cè)電流無(wú)法準(zhǔn)確反映一次側(cè)電流的信息，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置無(wú)法快速準(zhǔn)確動(dòng)作，切除故障回路，可能導(dǎo)致陳2頂甄食品線(xiàn)路開(kāi)關(guān)無(wú)法跳閘，陳寶開(kāi)關(guān)站自切合于故障母線(xiàn)造成半個(gè)站失電，擴(kuò)大事故范圍。

電網(wǎng)運(yùn)行應(yīng)堅(jiān)決杜絕此類(lèi)安全隱患，采取相應(yīng)措施防止電流互感器飽和[5]，主要方法有以下幾種：限制一次側(cè)短路電流的大??；增大電流互感器的變比；減小互感器二次側(cè)負(fù)載；采用鐵芯開(kāi)氣隙的電流互感器。

各供電公司可根據(jù)實(shí)際需求，采取相應(yīng)措施，防止電流互感器飽和導(dǎo)致的故障范圍擴(kuò)大。