10kV配電變壓器差動(dòng)保護(hù)配置及低壓側(cè)短路故障仿真研究

文立菊,秦春斌

(1.福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 泉州 362000;2.河南大學(xué) 人工智能學(xué)院,河南 鄭州 450046)

配電變壓器是我國(guó)電力配電網(wǎng)中重要電力設(shè)備,其直接面向用電終端用戶,其運(yùn)行安全穩(wěn)定性關(guān)系著整個(gè)電力配電網(wǎng)的可靠性[1]。當(dāng)前,10kV配電變壓器的配置數(shù)量較多,且分布于城鄉(xiāng)各個(gè)角落。該配電變壓器屬于一類靜止電氣設(shè)備,其主要工作內(nèi)容就是完成電能的傳輸。短路故障作為10kV配電變壓器的常見(jiàn)故障之一,是影響運(yùn)行穩(wěn)定性的主要原因[2]。在保護(hù)接地和工作接地共用接地的情況下,若配變臺(tái)區(qū)出現(xiàn)接地故障,則故障過(guò)電壓將由共用接地電極向低壓電網(wǎng)傳輸[3]。這可能會(huì)造成嚴(yán)重的生命、財(cái)產(chǎn)損失。因此必須重點(diǎn)落實(shí)對(duì)10kV配電變壓器的穩(wěn)定性維護(hù),對(duì)其使用中的常見(jiàn)故障類型及診斷處理技術(shù)展開(kāi)探究極為必要。然而通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外電力線路的研究發(fā)現(xiàn),在10kV配電線路上,通常采用二段式線路保護(hù),一般不設(shè)置單獨(dú)的差動(dòng)保護(hù)裝置[4-5]。為此,研究對(duì)各類短路故障與診斷進(jìn)行了深入分析,并用PSCAD軟件建立的10kV配電變壓器低壓母線故障仿真模型。此次研究目的是能夠?qū)?0kV配變的故障進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的分析和定位。并對(duì)其進(jìn)行有效的排除,從而提高10kV配變的安全性能。

1 10kV配電變壓器差動(dòng)保護(hù)配置及低壓側(cè)短路故障研究

1.1 10kV配電變壓器的故障與診斷技術(shù)

在電力配電網(wǎng)中,配電變壓器是直接應(yīng)用于電力終端,實(shí)現(xiàn)高效供電的重要設(shè)備。其在電力能源的輸送、分配和應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。10kV配電變壓器是當(dāng)前階段數(shù)量最多、應(yīng)用最廣的電氣設(shè)備。由于10kV配電系統(tǒng)本身的運(yùn)行具有差異性,對(duì)其所設(shè)置的保護(hù)措施尚不完善。因此,對(duì)10kV配電系統(tǒng)的保護(hù)處理措施尚不完善。常見(jiàn)為10kV配電變壓器的故障主要包括四種,即引線部位故障、線圈故障、鐵芯故障、分接開(kāi)關(guān)故障[6]。針對(duì)以上四種10kV配電變壓器的故障,同樣具有四種相應(yīng)的故障診斷方法,如圖1所示。

圖1 10kV配電變壓器的故障診斷方法

由圖1可知,在10kV配變發(fā)生引線不穩(wěn)定故障的情況下,可以利用三相電流的方法,直接測(cè)定10kV配變的直流電阻。測(cè)量10kV配電變壓器直流電阻值時(shí),若發(fā)現(xiàn)三相直流電阻的不平衡率大于4%,或是其中某一相的電阻值接近無(wú)窮大,即表明該變壓器發(fā)生了引線部位故障。最后,將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較分析。若測(cè)量數(shù)據(jù)顯示10kV配電變壓器的直流電阻增加,并表現(xiàn)出不穩(wěn)定。而絕緣電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)為0或接近0時(shí),就可以判定10kV配變發(fā)生了線圈故障[7]。在10kV配變發(fā)生鐵芯故障時(shí),多表現(xiàn)為鐵芯多點(diǎn)接地。當(dāng)這種類型的故障出現(xiàn)后,會(huì)引起10kV配變變態(tài)的鐵心局部高溫。這會(huì)使得配電網(wǎng)中的鐵芯受到一定程度的損傷,甚至?xí)翳F芯,給整個(gè)配電網(wǎng)帶來(lái)了巨大的損失。當(dāng)鐵芯正常接地時(shí),配線亦易發(fā)生環(huán)流,也會(huì)引起10kV配變發(fā)生放電性故障。在對(duì)10kV配變鐵芯進(jìn)行故障診斷時(shí),需對(duì)其絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)為0或接近于0時(shí),即表明鐵芯出現(xiàn)接地故障。為準(zhǔn)確診斷10kV配電變壓器的分接開(kāi)關(guān)故障,需要測(cè)量其直流電阻。在測(cè)試過(guò)程中,如果發(fā)現(xiàn)分接點(diǎn)的直流電阻存在不均衡的情況,則可以判定為單個(gè)觸點(diǎn)的燒壞故障。若檢測(cè)出分接的直流電阻為無(wú)窮大,即代表該分接器的觸點(diǎn)已完全燒毀。

對(duì)10kV饋線來(lái)說(shuō),當(dāng)發(fā)生三相或二相短路時(shí),由于變壓器短路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了10kV的額定電流。因此,需要對(duì)其實(shí)施限流。在電力系統(tǒng)中,對(duì)其短路電流有多種限制方法。可在饋出線上,安裝限流電抗器。在變壓器低壓側(cè)母線上,安裝限流電抗器,或者串聯(lián)一個(gè)快速開(kāi)關(guān)等。雖然存在限制電流短路的方式有很多,但在大量的饋電線路上,同時(shí)安裝限流電抗器或使用高阻變壓器均不經(jīng)濟(jì)。在無(wú)串聯(lián)電抗器的情況下,在低電壓端會(huì)產(chǎn)生較大的短路電流,從而引起低電壓線圈的燒壞。反之,如果加裝了串聯(lián)電抗器,在低壓下,又會(huì)出現(xiàn)短路電流過(guò)大的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)變壓器低壓端串聯(lián)電抗器進(jìn)行限流,不但可以在低壓下對(duì)變壓器的短路電流進(jìn)行有效的控制,而且可以確保在10kV饋線上發(fā)生二相或三相故障時(shí),仍能保持變壓器的正常運(yùn)行。并聯(lián)限流電抗器與開(kāi)關(guān)后,再將其與高壓側(cè)母線相串聯(lián),使變壓器在正常工作狀態(tài)下,其電流基本上都通過(guò)開(kāi)關(guān),從而解決了在高壓側(cè)線路上安裝限流電抗器所帶來(lái)的許多問(wèn)題。在變電所的低壓側(cè)母線上,采用了一種直接串聯(lián)的方式。在變壓器低壓側(cè)進(jìn)給線路出現(xiàn)三相或兩相短路時(shí),快速開(kāi)關(guān)可在不受短路電流影響的情況下迅速地進(jìn)行操作,從而確保變壓器本身不會(huì)損壞。然而,相對(duì)于后者,系統(tǒng)的供電可靠性有所下降。但采用這種方法不需要蓋上電抗腔體,可以將快速開(kāi)關(guān)以組件的方式安裝在主變腔體內(nèi)。這樣不僅可以節(jié)約投資,而且可以防止變壓器的燒壞。10kV配電室運(yùn)行方式如圖2所示。

圖2 10kV配電室運(yùn)行方式

由圖2可知,10kV三相進(jìn)線為三相母線熱備用供電,供電到04號(hào)中電壓母線箱。10kv進(jìn)線Ⅰ、Ⅱ是110kv變電所兩條10kv饋線,由兩條110kv變電所直連到開(kāi)閉所的兩條母線上。采用單母段操作,母聯(lián)開(kāi)關(guān)為常合開(kāi)關(guān)。10kv中壓柜余下的空隙為后備空隙,斷路器均已斷開(kāi)。

1.2 10kV配電變壓器差動(dòng)保護(hù)配置

1.2.1 變壓器差動(dòng)保護(hù)配置

在配變?nèi)萘枯^大,以及一些供電負(fù)載重要等級(jí)較高的地方,原有的線路保護(hù)已經(jīng)不能滿足其可靠性的要求。因此,需要對(duì)該地區(qū)增加變壓器主保護(hù),以滿足供電要求。一般而言,由于小容量配電變壓器不會(huì)產(chǎn)生大的短路電流,而常規(guī)配電變壓器內(nèi)部也不需要通過(guò)故障切除來(lái)進(jìn)行線路保護(hù)。當(dāng)前10kV配變保護(hù)方式的配置一般有兩種,一種利用斷路器,另一種利用負(fù)荷開(kāi)關(guān)加熔斷器組合。這兩種配置方式在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上各有優(yōu)缺點(diǎn)。差動(dòng)保護(hù)是輸入電流互感器(Current Transformer,CT)兩端的電流矢量差,并將其作為故障特征量[8]。當(dāng)保護(hù)區(qū)間的設(shè)備發(fā)生故障時(shí),則流出與流進(jìn)的電流不等,導(dǎo)致差動(dòng)電流大于0。在差動(dòng)電流超過(guò)差動(dòng)保護(hù)設(shè)定值時(shí),PC機(jī)發(fā)出警報(bào)。此時(shí)啟動(dòng)被保設(shè)備兩側(cè)開(kāi)關(guān),使被保設(shè)備自動(dòng)跳出,將發(fā)生故障的設(shè)備切斷[9]。通常采用變壓器的條件是容量達(dá)到單獨(dú)運(yùn)行10MVA,或者并行運(yùn)行6.3MVA,電壓在10kV以上[10-11]。近年來(lái),由于Dyn11接線變壓器的零序阻抗變化較小、承受不平衡負(fù)載的能力大等優(yōu)點(diǎn),其在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)為Dyn11型號(hào)的配電變壓器的差動(dòng)保護(hù)裝置接線情況[12],如圖3所示。

圖3 Dyn11型配電變壓器的差動(dòng)保護(hù)裝置接線

由圖3可知,該配電變壓器的差動(dòng)保護(hù)裝置的低壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地。中性點(diǎn)引出零線,使兩端的電流不均勻地流入和流出。當(dāng)三相負(fù)載不對(duì)稱或差動(dòng)保護(hù)的外部低電壓端出口接地故障時(shí),均可能造成差動(dòng)保護(hù)裝置出現(xiàn)跳閘的問(wèn)題。當(dāng)變壓器低壓側(cè)單相接地時(shí),會(huì)出現(xiàn)零序電流,高壓側(cè)則無(wú)。Dyn11型配電變壓器的零序電流分布情況,如圖4所示[13]。

圖4 Dyn11型配電變壓器的零序電流分布

由圖4可知,在配變低壓側(cè)a相發(fā)生接地短路故障時(shí),其通過(guò)地線與變壓器低壓側(cè)的中性點(diǎn)會(huì)構(gòu)成閉合回路。電力變壓器中性點(diǎn)的接地方式一般有三種,即不接地、經(jīng)消弧線圈接地、直接接地。因母變變壓器的低壓側(cè)中性點(diǎn)為直接接地,因此在其與短路點(diǎn)間,存在較小的零序阻抗。如果加上a相的電壓,將產(chǎn)生很大的零序電流,其幅值相當(dāng)于低電壓端三相零序電流的總和。同時(shí),在變壓器的高電壓端繞組中還將產(chǎn)生零序電勢(shì)。由于變壓器高壓側(cè)采用了三角型的接線形式,使得零序電流只能在組內(nèi)部循環(huán),無(wú)法從中流出。而Yd11型變壓器在低電壓端出現(xiàn)單相接地的情況下,零序電流不形成路徑。因此不會(huì)對(duì)差動(dòng)保護(hù)產(chǎn)生影響,也不需要進(jìn)行消零處理。

1.2.2 10kV配電變壓器低壓母線故障仿真模型

研究將10kV電纜、變壓器阻抗等相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行結(jié)合,并采用PSCAD軟件,建立了10kV配電變壓器低壓母線故障仿真模型,如圖5所示。

圖5 10kV配電變壓器低壓母線故障仿真模型

由圖5可知,f表示故障發(fā)生地點(diǎn),Es為變電站10kV母線。T為配電室主變,變比為10/0.4。Zs代表配電室10KV進(jìn)線至變壓器高電壓側(cè)繞組電纜的線路阻抗。Z表示負(fù)載電阻,取該值為0.084Ω。聯(lián)結(jié)組別為Dyn11,低壓側(cè)中性點(diǎn)接地。比率制動(dòng)式縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性分為兩部分,一是動(dòng)作區(qū),二是制動(dòng)區(qū)。最小動(dòng)作電流的計(jì)算表達(dá)如式(1)所示。

Iop.min=Krel(Ker+ΔU+Δm)Ie

(1)

式(1)中,Krel代表可靠系數(shù),其取值范圍在1.3～1.5之間。Ie表示變壓器基準(zhǔn)側(cè)的二次額定電流。Ker表示CT的變比誤差,取值為0.02。ΔU表示變壓器調(diào)壓所造成的誤差,Δm代表CT變比未達(dá)到匹配時(shí)所造成的誤差。二次諧波制動(dòng)系數(shù)的計(jì)算表達(dá)如式(2)所示[14]。

(2)

式(2)中,Krel(2)的取值范圍在0.15～0.20之間。Idφ表示三相差動(dòng)電流的基波電流,Id2φ表示二次諧波電流。兩相短路的一次制動(dòng)電流在最小運(yùn)行方式下的計(jì)算表達(dá)如式(3)所示。

(3)

式(3)中,Ik1在最低操作條件與較低電壓下,兩相間的短路電流。在兩相短路中,一次工作電流的計(jì)算公式如式(4)所示。

Iop=(Ires-5Le)K2+5IeK1

(4)

式(4)中,表示在最小運(yùn)行環(huán)境下,變壓器低壓側(cè)兩相短路電流。靈敏度的計(jì)算表達(dá)如式(5)所示。

(5)

2 10kV配電變壓器短路故障仿真分析

在0.4kV側(cè),在低電壓輸入端安裝微型邏輯6.0E構(gòu)架開(kāi)關(guān)Qk1、Qk2。在低電壓端的輸出端,由微型邏輯5.0E構(gòu)架開(kāi)關(guān)Qj1、Qj2送入客戶建筑的地下配電間。并經(jīng)由40套NSXTMD250H塑料-外殼開(kāi)關(guān),輸送到各種負(fù)載到使用者端。10kV配電室保護(hù)配置情況如表1所示。

表1 10kV配電室保護(hù)配置情況

某次10kV母線在常規(guī)工況下出現(xiàn)了故障,其原因是10kV母線的備用電源設(shè)定值過(guò)高,造成了10kV的備用電源出現(xiàn)了嚴(yán)重的變化,致使10kV的備用電源出現(xiàn)了低壓備自投誤動(dòng)作。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),燃燒起火的為低壓母線懸掛支架。將仿真開(kāi)始后30ms設(shè)為故障發(fā)生時(shí)間,將故障形式設(shè)為B、C兩相接地短路。并設(shè)定接地電阻為0.0001Ω,0.01Ω,0.5Ω。針對(duì)低電阻率接地故障,通過(guò)不同電阻率的接地故障仿真方法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。在低壓側(cè)的模擬電流變化趨勢(shì),如圖6所示。

圖6 為低壓側(cè)的電流仿真變化

由圖6(a)與(b)可知,對(duì)B、C兩相間的低壓側(cè)進(jìn)行了分析,得出了B相間的電壓最大值。當(dāng)10kV電閘05柜、08柜的速斷段定值為1.08kV時(shí),10kV電閘的速斷保護(hù)就會(huì)起作用。由圖6(c)與(d)可以看出,在經(jīng)過(guò)0.01Ω的低電阻地的情況下,B相中的最大電流為910A。10kV開(kāi)關(guān)柜05、08柜的過(guò)電流區(qū)間設(shè)定值大于198A時(shí),10kV過(guò)電流保護(hù)將起作用。由圖6(e)與(f)可以看出,10KV的開(kāi)關(guān)箱保護(hù)在經(jīng)過(guò)0.50Ω低電阻的情況下不起作用。除此之外,原來(lái)的10kV與0.4kV低電壓保護(hù)受兩級(jí)保護(hù)定值的制約,很難滿足中低電壓保護(hù)的選擇。為此,研究在原保護(hù)的基礎(chǔ)上,增加變壓器差動(dòng)保護(hù)。并對(duì)保護(hù)整定值進(jìn)行修正,這使得其能夠滿足可靠性方面的中、低電壓保護(hù)結(jié)構(gòu)的需要。通過(guò)對(duì)引進(jìn)的變壓器差動(dòng)保護(hù)的調(diào)整,得到的調(diào)整結(jié)果如表2所示。

表2 修正后配電室保護(hù)定值整定結(jié)果

由表2可知,在此次配電機(jī)房發(fā)生的低阻抗事故中,一次側(cè)電流值為120A,大于差動(dòng)速斷電流定值。這表明在小電阻的情況下,微分保護(hù)設(shè)備的敏感性不受小電阻的影響。在設(shè)置差動(dòng)保護(hù)時(shí),專門(mén)設(shè)置零序警報(bào)。對(duì)于小電阻接地故障,保護(hù)裝置僅需投向報(bào)警出口,即可解決高可靠性與高靈敏度的沖突。

3 結(jié)論

本文研究某10kV配電室保護(hù)裝置參數(shù)配置情況,建立了10kV配電變壓器低壓母線故障仿真模型。并針對(duì)故障,提出差動(dòng)保護(hù)的可行性分析。仿真結(jié)果表明,在0.01Ω的小電阻下,B相中的最大電流為910A。10kV開(kāi)關(guān)柜05、08柜的過(guò)電流區(qū)間設(shè)定值大于198A時(shí),10kV過(guò)電流保護(hù)將起作用。通過(guò)0.50Ω低電阻的地線,10kV開(kāi)關(guān)箱的保護(hù)不起作用.當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí),由于三相中低壓側(cè)的三相電流太低,致使其不能滿足保護(hù)的要求。該故障是導(dǎo)致10kV電閘繼電器不能正常工作的根本原因。此次故障為低阻接地類型,即B、C兩相分別經(jīng)電弧電阻對(duì)零線放電。差動(dòng)速斷電流的定值較一次側(cè)電流值比更小,后者的電流值為120A。表明配變差動(dòng)保護(hù)可有效解決中低壓保護(hù)整定配合定值與時(shí)延級(jí)差難以配合的問(wèn)題,提升10kV大容量配電變壓器供電可靠性。