廠用電電壓互感器二次回路分析研究

劉 超

（國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖電廠，新疆哈密 839000）

0 引言

廠用電快速切換裝置與發(fā)變組保護(hù)裝置、同期裝置、勵磁調(diào)節(jié)裝置，被稱為發(fā)電廠電氣系統(tǒng)保障安全的“四大法寶”，是發(fā)電廠廠用電控制系統(tǒng)的重要組成部分，對發(fā)電廠生產(chǎn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重大影響。廠用電快速切換裝置的基本要求是安全、穩(wěn)定、可靠。

（1）安全性。廠用電快速切換裝置在切換過程中不能造成人身傷害、設(shè)備損壞。

（2）穩(wěn)定性。在廠用電系統(tǒng)發(fā)生異常時，廠用電快速切換裝置應(yīng)及時、正確動作。而在其他任何不需要廠用電快速切換裝置動作的情況下，切換裝置不應(yīng)該動作。

（3）可靠性。每次動作必須保障廠用電切換成功，避免因廠用電系統(tǒng)異常導(dǎo)致重要輔機(jī)跳閘，進(jìn)而造成發(fā)電廠停爐、停機(jī)的事故。

發(fā)電廠一旦出現(xiàn)廠用快速切換裝置異常切換故障時，現(xiàn)場電氣二次檢修人員必須及時到場檢查故障前、后設(shè)備運(yùn)行狀況及各項參數(shù)，查找故障產(chǎn)生的原因，深入分析設(shè)備異常產(chǎn)生的根源，積極采取有針對性的安全、技術(shù)措施，以確保發(fā)電廠生產(chǎn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 廠用電快速切換裝置及二次回路組成

廠用電快速切換裝置一般由CPU、DSP、交流輸入、開關(guān)量輸入、跳合閘出口、信號輸出等部分組成，典型廠用電快速切換裝置典型構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 典型快切裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成

作為廠用快切裝置的重要組成部分，二次回路的安全可靠，直接影響廠用電快切裝置動作的可靠性，進(jìn)而影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。廠用電快切裝置的二次回路包括：電源、交流量輸入（電壓、電流）、開關(guān)量輸入、出口回路、信號回路、對時回路等。其中交流電壓輸入回路作為重要回路，參與廠用電快切裝置的動作邏輯。改造前的電壓互感器二次回路如圖2 所示。

圖2 改造前的電壓互感器二次回路

發(fā)電廠高壓廠用電工作電源電壓、母線電壓經(jīng)電壓互感器采集轉(zhuǎn)換成低壓AC 100 V 電壓（線電壓），經(jīng)不同電壓支路送至不同電氣設(shè)備，各支路的分合通過回路微型斷路器控制。微型斷路器作為二次回路重要保護(hù)設(shè)備，在二次電路中連通正常工作電流，并能在線路或負(fù)載發(fā)生過壓、過載、短路等異常情況下，自動斷開短路、過載產(chǎn)生的故障電流，迅速分?jǐn)喽位芈罚瑢Χ位芈愤M(jìn)行可靠的保護(hù)。典型電壓互感器二次回路如圖3 所示。

圖3 典型電壓互感器二次回路

2 故障現(xiàn)象及分析

某廠自廠用電快速切換裝置投入運(yùn)行以來，多次出現(xiàn)電壓互感器出口微型斷路器越級跳閘，廠用電快速切換裝置無法采集到母線電壓，誤認(rèn)為工作電源故障，導(dǎo)致廠用電切換，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 故障現(xiàn)象

廠用電快切裝置動作后，調(diào)取發(fā)變組故障錄波裝置內(nèi)部廠用電工作支路電壓、母線電壓異常錄波文件，波形如4 所示。故障前后的電壓采集量見表1。

表1 故障前后的電壓采集量

通過故障時圖形和電壓采集數(shù)據(jù)可看出：①故障時，發(fā)變組故障錄波器采集到的工作支路電壓波形發(fā)生畸變；②故障時，支路電壓3U0 明顯上升；③故障后，直流三相電壓在兩個波形內(nèi)全部降到0；④工作支路電壓B、C 相故障前明顯升高；⑤工作支路電壓A 相電壓明顯降低。

圖4 廠用電快切裝置動作時錄波波形

由此可判斷，在微型斷路器跳閘前，電壓二次回路A 相回路存在明顯的故障，導(dǎo)致微型斷路器跳閘且動作正常。

2.2 各系統(tǒng)元件分析

2.2.1 廠用電快速切換裝置檢查

核對廠用電快速切換裝置說明書：當(dāng)廠用電系統(tǒng)母線三相電壓均低于廠用電快速切換裝置失壓啟動整定值且廠用電進(jìn)線開關(guān)負(fù)荷電流小于或等于裝置無流定值，異常持續(xù)時間超過裝置整定延時，則廠用電快速切換裝置根據(jù)定值選擇方式進(jìn)行串聯(lián)或同時切換。

故障啟動方式有以下4 種：快速、同期捕捉、殘壓、長延時。失壓起動判據(jù)如圖5 所示，廠用電快速切換裝置定值見表2。

圖5 廠用電失壓邏輯

表2 廠用電快速切換裝置定值

圖5 中：Umax表示母線電壓最大值；Igz表示工作分支電流；D_Usyqd表示“失壓起動電壓幅值”定值；D_Tsy表示“失壓起動延時”定值；D_Iwl表示“無流判據(jù)整定值”定值。

現(xiàn)場檢查接線，廠用電快速切換裝置交流電流回路未接線，即裝置采樣到的交流電流一直為零，小于無流判據(jù)整定值，即失壓啟動無流判據(jù)長期開放。故障時，工作支路三相電壓降為零，滿足廠用電快速切換低壓啟動條件。廠用快速切換裝置動作符合工作邏輯。

核對廠用電快速切換裝置動作過程中各運(yùn)行設(shè)備的情況，未發(fā)現(xiàn)切換過程中運(yùn)行設(shè)備掉電停運(yùn)的情況，廠用電快速切換裝置動作正常。

2.2.2 電壓二次回路情況

檢查高壓廠用電母線電壓互感器二次回路發(fā)現(xiàn)：母線電壓互感器二次回路負(fù)荷較多，除廠用電快速切換裝置外，還包括廠用電高壓控制柜（28 路）、發(fā)變組故障錄波、自動電壓控制系統(tǒng)、低壓備自投設(shè)備。具體見表3。

表3 廠用電母線電壓負(fù)荷統(tǒng)計

檢查電壓二次回路接地情況：母線電壓互感器二次回路只用一個接地點(diǎn)，接地點(diǎn)位于母線高壓PT 柜二次回路端子排除，滿足要求。

假設(shè)當(dāng)電壓互感器的二次負(fù)荷側(cè)發(fā)生金屬性接地時，A 相電壓通過連接二次電纜線芯及二次等電位地網(wǎng)產(chǎn)生短路電流，由于二次電纜線芯及等電位地網(wǎng)實際運(yùn)行過程中存在阻抗（主要呈阻性），當(dāng)故障大電流流過二次電纜線芯及等電位網(wǎng)時，將產(chǎn)生電壓ΔU，從而導(dǎo)致母線高壓PT 柜處的N600′的電位相對于廠用電系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)處的N600 發(fā)生偏移，所以母線高壓PT 柜處的N600′的電位相對于負(fù)荷處的N600 都將有不同程度的升高，等效電路如圖6、圖7 所示。

圖6 電壓互感器二次回路等效電路圖

圖7 電壓互感器二次回路向量圖

2.2.3 微型斷路器檢查情況

微型斷路器的的分類：微型斷路器作為保護(hù)設(shè)備，通常有如下的脫扣特性（曲線）有：脫扣特性A、脫扣特性B、脫扣特性C、脫扣特性D、脫扣特性K。

脫扣特性A：用于半導(dǎo)體保護(hù)、特長導(dǎo)線保護(hù)、有限的電纜保護(hù)等。

脫扣特性B：特別適用于電力系統(tǒng)二次回路保護(hù)，用于接通電流較小的導(dǎo)線、電纜保護(hù)、無沖擊負(fù)荷保護(hù)等。

脫扣特性C：使用最為廣泛，特別適用于建筑系統(tǒng)，用于建筑照明、建筑用電等。

脫扣特性D：適用于配電系統(tǒng)動力型負(fù)荷，用于接通電流很高的導(dǎo)線、電纜保護(hù)，電機(jī)保護(hù)，變壓器保護(hù)等。

脫扣特性K：用于額定電流40 A 以下的電機(jī)系統(tǒng)（ABB 公司獲得專利）。

母線電壓互感器二次回路出口微型斷路器、負(fù)荷側(cè)微型斷路器均為施耐德電氣公司生產(chǎn)的Multi 9 系列C65N-D6 型，高壓配電系統(tǒng)基建完畢后投入運(yùn)行。

廠用電快速切換裝置動作后，檢查各支路微型斷路器，未見跳開現(xiàn)象，而母線電壓互感器出口微型斷路器跳開。通過以上檢查發(fā)現(xiàn)：此次故障是由于母線電壓互感器二次回路負(fù)荷側(cè)發(fā)生瞬時性故障，母線電壓互感器出口微型斷路器越級跳閘，導(dǎo)致廠用電快速切換裝置誤切廠用電。

3 處理措施

3.1 優(yōu)化電壓二次回路接線方式

廠用電快速切換裝置動作后，檢查各支路微型斷路器，未見跳開現(xiàn)象，而PT 出口微型斷路器跳開。將工作支路母線電壓互感器二次回路進(jìn)行改造：將工作支路母線電壓互感器至廠用電快速切換裝置回路獨(dú)立，避免因其他支路故障造成母線電壓降低，造成廠用電快速切換裝置動作切換廠用電。改造后的電壓互感器二次回路如圖8 所示。

圖8 改造后的電壓互感器二次回路

3.2 優(yōu)化二次回路微型斷路器極差配合

3.2.1 微型斷路器常規(guī)選型參數(shù)

微型斷路器主要選型參數(shù)有：額定電壓、額定電流、斷路器極數(shù)、脫扣器類型、電磁脫扣器整定范圍及主觸點(diǎn)分?jǐn)嗄芰Φ取?/p>

（1）微型斷路器額定電流和額定電壓應(yīng)大于或等于線路、設(shè)備的正常工作電壓、電流。

（2）微型斷路器極限通斷能力應(yīng)大于或等于電路可能存在的最大短路電流。

（3）微型斷路器過電流脫扣器的額定電流應(yīng)大于或等于線路最大負(fù)載電流。

在GB 50054—1995《低壓配電設(shè)計規(guī)范》中，對于微型微型斷路器的設(shè)計計算有明確規(guī)定：

式中 IB——負(fù)荷或線路計算負(fù)荷電流，A

In——微型斷路器額定電流、整定電流，A

Iz——微型斷路器允許持續(xù)載流量，AI2——保證微型斷路器保護(hù)器可靠動的動作電流，A

（4）此外，在微型斷路器選型過程中，為確保級間的選擇性，還應(yīng)考慮微型斷路器時間/電流脫扣特性曲線。根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠家所提供的選型手冊、產(chǎn)品目錄，電壓互感器二次回路上級與下級間應(yīng)盡量選用同一種類脫扣特性的微型斷路器，并注意上、下級間額定電流與動作電流的配合。為避免不同生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的脫扣特性存在差壓，同一支路微型斷路器應(yīng)盡量選用同一生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的同型號產(chǎn)品。

3.2.2 微型斷路器脫扣特性曲線（電流倍數(shù)）℃

A 特性曲線：1～2 倍額定電流。

B 特性曲線：2～5 倍額定電流。

C 特性曲線：5～9 倍額定電流

D 特性曲線：9～14 倍額定電流。

K 特性曲線：具備1.2 倍熱脫扣動作電流和7～15 倍磁脫扣動作范圍。

3.2.3 微型斷路器績效曲線（圖9）

通過圖9 可以看出，各類型脫扣曲線主要區(qū)別在于進(jìn)入磁脫扣曲線的額定電流倍數(shù)不同，A型脫扣曲線最早進(jìn)入磁脫扣區(qū)，D 型脫扣曲線最晚進(jìn)入磁脫扣區(qū)。

各類型脫扣曲線圖均包含兩條曲線，A 曲線左側(cè)為微斷開關(guān)不動作區(qū)，B 曲線右側(cè)為微斷開關(guān)可靠動作區(qū)，A、B 曲線之間為模糊動作區(qū)（此區(qū)間微斷開關(guān)動作特性不定）。每條曲線均由兩斷反時限曲線構(gòu)成，前半部分為熱脫扣曲線，主要作用是防止回路過載；后半部分為磁脫扣部分，主要作用是防止回路短路。由圖9 可以看出微型斷路器熱脫扣曲線部分動作時間均較長，不能滿足電壓回路短路后能夠快速跳閘從而防止繼電保護(hù)誤動的要求，因此在電壓互感器二次回路微斷開關(guān)選型時，應(yīng)確保發(fā)生電壓二次回路任意一點(diǎn)發(fā)生短路故障后，各級微斷開關(guān)均工作在磁脫扣曲線部分。

圖9 典型微型斷路器績效曲線

微型斷路器在現(xiàn)場實際運(yùn)用中遇到的最大問題就是上下級極差配合問題。對于支路上2 級以上，對于短饋線支路極差還應(yīng)進(jìn)一步提高，甚至在有的支路上支路總微型斷路器的瞬時速斷要停用，有條件可啟用略帶延時的速斷。

3.2.4 微型斷路器級差

合理選擇上下級斷路器的極差。所謂極差是一個綜合概念，首先應(yīng)考慮上下級微型斷路器的額定電流比，一般的考慮等于2。微型斷路器的標(biāo)稱額定電流基本是固定的，比如：（1 A、2 A、4 A、6 A、10 A、16 A、20 A、25 A、32 A、40 A、50 A、63 A、80 A、100 A、125 A 等），根據(jù)上、下級微型斷路器的額定電流之比等于2。

3.2.5 微型斷路器配合原則

（1）必須保證在電壓互感器二次回路發(fā)生短路時，微型斷路器斷開時間小于保護(hù)裝置動作時間。在電壓互感器二次回路發(fā)生短路故障時，上、下級微型斷路器均需要在磁脫扣區(qū)快速動作，以確保現(xiàn)場正常運(yùn)行的二次保護(hù)、安全設(shè)備不會發(fā)生誤動作。因此需要上、下級微型斷路器的瞬時磁脫扣電流（曲線特性對應(yīng)的磁脫扣倍數(shù)×額定電流）均應(yīng)小于電壓互感器二次回路任意一點(diǎn)發(fā)生故障時的最小短路電流。

（2）微型斷路器的額定電流應(yīng)大于電壓互感器二次回路可能存在的最大負(fù)荷電流。升壓站主接線為雙母線接線情況下，還應(yīng)考慮一組母線運(yùn)行時所有電壓互感器二次回路的負(fù)荷全部切換至同一組電壓互感器上的情況，并應(yīng)選擇微型斷路器動作可靠系數(shù)K＝1.2～2，即IN＞K×Imax；由于電壓互感器二次回路特殊性，正常工作時，電壓互感器二次回路基本處于開路狀態(tài)，各支路微型斷路器最大負(fù)荷電流小于50 mA，總微型斷路器最大負(fù)荷電流小于250 mA，因此上、下級微型斷路器額定電流選擇大于等于1 A 即可滿足要求。

（3）在通過相同短路電流時，電壓互感器二次回路上、下級微型斷路器應(yīng)具有2～4 倍級差從而滿足級差選擇性配合關(guān)系。在通過相同短路電流時，若上、下級微型斷路器級差過小，將可能造成上、下微型斷路器同時無選擇性跳閘。應(yīng)根據(jù)廠家提供的微型斷路器保護(hù)特性曲線選擇性配合表按照短路電流小于選擇性極限值的原則進(jìn)行上、下級微型斷路器配合選型。

（4）電壓互感器二次回路上、下級微型斷路器極限開斷電流均應(yīng)大于回路可能存在的最大故障電流。因各廠家不同型號的微型斷路器極限開斷電流均達(dá)到kA 級，因此微型斷路器故障下的開斷能力均能滿足要求。

3.2.6 微型斷路器配合實例

根據(jù)現(xiàn)場實際接線情況以電壓互感器二次電纜末端發(fā)生單相金屬性接地故障，計算電壓互感器二次回路最小短路電流。假設(shè)電纜截面為4 mm2、電纜長度為200 m 導(dǎo)線末端發(fā)生單相金屬性接地故障。其中電阻和電流按照式（2）、式（3）計算：

（1）根據(jù)計算所得二次回路最小短路電流，按照微型斷路器配合原則要求并通過查詢生產(chǎn)廠家產(chǎn)品說明進(jìn)行總微型斷路器選擇。若電壓互感器二次回路最小短路電流為36.6 A，查詢生產(chǎn)廠家產(chǎn)品說明比對瞬時動作電流小于最小短路電流的微型斷路器型號可以選擇B1～B6，C1～C3。為保證與下級微型斷路器留有2～4 級級差，上級微斷開關(guān)宜選用B6、C3。

（2）根據(jù)微型斷路器保護(hù)特性曲線選擇性配合選擇下級微型斷路器。通過微型斷路器配合原則得知，若短路電流達(dá)到36.6 A，上級空開若要保證瞬時脫扣，宜選用B6（＞5IN）、C3（＞10IN）；通過微型斷路器保護(hù)特性曲線選擇性可知，滿足上、下極差配合的組合空開有：上級空開宜選用B6，下級選用C1、B1。

3.3 其他措施

在上下級極差不變的情況下，合理選擇電纜截面，也能在一定范圍內(nèi)避免無選擇性跳閘。

電纜截面的選擇主要考慮的是：①額定載流量；②熱穩(wěn)定；③電壓降。在滿足上述3 個條件后，電纜的截面積應(yīng)越細(xì)越好。希望上、下級微型斷路器之間的這段電纜的阻抗能使在上下級兩開關(guān)出口處故障時的短路電流相差得越大越好。

4 結(jié)束語

通過介紹一起典型廠用電快速切換裝置誤動作事件，對廠用電母線電壓互感器二次回路各元件進(jìn)行細(xì)致分析，重點(diǎn)對微型斷路器的各項參數(shù)、保護(hù)類型、績效曲線進(jìn)行了詳細(xì)分析，對普遍存在的二次回路設(shè)計不規(guī)范、微型斷路器級差配合不合理的問題提出有效地解決方案。目前，按照方案改造后的廠用電快速切換裝置已正常運(yùn)行3 年，未再發(fā)生廠用電快速切換裝置誤動作的情況。因此，此方案對其他電壓等級的電壓互感器二次回路設(shè)計、改造有重要的借鑒意義。