一起20 kV線路故障的分析與對(duì)策

仇群輝， 徐建強(qiáng)， 周 垠， 顏 彥

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；3.國(guó)網(wǎng)浙江桐鄉(xiāng)市供電公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500；4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316021）

一起20 kV線路故障的分析與對(duì)策

仇群輝1，2， 徐建強(qiáng)3， 周 垠3， 顏 彥4

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；3.國(guó)網(wǎng)浙江桐鄉(xiāng)市供電公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500；4.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司，浙江 舟山 316021）

介紹一起20 kV線路三相短路故障，引起同供區(qū)不同110 kV變電站母線電壓暫降，導(dǎo)致接入該變電站對(duì)電壓質(zhì)量要求較高的用戶低壓設(shè)備跳閘的事件經(jīng)過(guò)；詳細(xì)分析其原因，并對(duì)防止類似異常提出了解決方案。

20 kV；線路故障；電壓暫降；原因分析；對(duì)策

110 kV變電站20 kV母線或20 kV出線發(fā)生故障，引起的上級(jí)220 kV變電站110 kV母線電壓暫降較10 kV系統(tǒng)嚴(yán)重，但其暫降水平低于35 kV故障引起的電壓暫降水平，從根本上說(shuō)，低壓系統(tǒng)的電壓等級(jí)決定了低壓故障引起上級(jí)母線電壓的暫降水平。目前產(chǎn)生的電壓暫降幅度值與系統(tǒng)運(yùn)行方式、110 kV輸電線路參數(shù)、110/20 kV變壓器阻抗、20 kV線路參數(shù)及短路點(diǎn)有關(guān)。提高220 kV變電站110 kV母線以下回路的短路阻抗，可有效緩解上級(jí)變電站母線電壓暫降問(wèn)題，但必須綜合考慮系統(tǒng)電能損耗增大、高阻變壓器成本提高、本級(jí)母線電壓暫降加劇等因素。

1 故障經(jīng)過(guò)及分析

1.1 故障經(jīng)過(guò)

某110 kV甲變電站1條20 kV甲線路過(guò)流Ⅱ段動(dòng)作，重合失敗，故障報(bào)告顯示為A，B，C三相短路，二次短路電流44.61 A。與此同供區(qū)的另一座110 kV乙變電站有多家用戶反應(yīng)有低壓變頻設(shè)備跳閘情況，調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)顯示乙變電站1號(hào)主變壓器突然甩負(fù)荷5 MW。

當(dāng)時(shí)乙變電站并無(wú)20 kV線路故障，供區(qū)內(nèi)低壓變頻設(shè)備無(wú)故障跳閘顯然是由于甲變電站20 kV甲線路故障引起系統(tǒng)電壓波動(dòng)造成的。由于變頻設(shè)備對(duì)電壓波動(dòng)的靈敏度比較高，因此對(duì)電壓質(zhì)量的要求也較其他設(shè)備高出很多。以10 kV電壓等級(jí)供電時(shí)，10 kV線路故障會(huì)引起同母線非故障線路用戶的低壓變頻設(shè)備跳閘。而現(xiàn)在，不同20 kV母線、甚至相鄰110 kV變電站20 kV線路故障，也引起非故障線路用戶低壓變頻設(shè)備跳閘?？梢?0 kV電壓等級(jí)線路相間故障，對(duì)本變電站甚至上一級(jí)變電站母線電壓造成的影響均大于10 kV電壓等級(jí)。

1.2 故障分析

故障發(fā)生時(shí)電網(wǎng)運(yùn)行方式為：110 kV甲變電站2號(hào)主變壓器（100 MW）接于110 kVⅡ段母線，通過(guò)110 kV甲線路至220 kV變電站110 kV副母Ⅱ段運(yùn)行；110 kV乙變電站1號(hào)主變壓器接于110 kVⅠ段母線，通過(guò)110 kV乙線路至220 kV變電站110 kV副母Ⅱ段運(yùn)行。20 kV甲線路（導(dǎo)線截面240 mm2）接于甲變電站2號(hào)主變壓器低壓側(cè)，系統(tǒng)阻抗（標(biāo)幺值）如圖1所示。

圖1 故障前電網(wǎng)運(yùn)行接線及系統(tǒng)阻抗

20 kV甲線路事故巡線發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)在距甲變電站出口約2 km處，根據(jù)實(shí)際短路電流可推算出故障時(shí)220 kV變電站110 kV母線阻抗為0.080 97（標(biāo)幺值）。在此運(yùn)行方式下，對(duì)比110 kV甲變電站原10 kV供電時(shí) （50 MW主變壓器，導(dǎo)線截面185 mm2）相同地點(diǎn)發(fā)生三相短路，各變電站母線電壓變化情況如表1所示。

表1 各變電站母線電壓變化對(duì)比

可見，由于20 kV線路線徑增粗以及主變壓器容量增大等因素，導(dǎo)致20 kV線路三相短路對(duì)本母線及上級(jí)變電站110 kV母線電壓的影響遠(yuǎn)大于10 kV系統(tǒng)。10 kV電壓等級(jí)主變壓器容量基本在50 MW以下，線路截面基本采用185 mm2以下，三相短路時(shí)對(duì)本母線電壓會(huì)造成影響，但范圍較小，對(duì)上級(jí)母線電壓基本沒有影響，而20 kV線路三相短路時(shí)對(duì)本母線及上級(jí)母線的影響程度及范圍則大大增加。

2 對(duì)策及措施

由于線路發(fā)生故障的原因比較復(fù)雜，而且大部分原因是不可控的，所以不可能完全消除電壓波動(dòng)，只有盡可能地降低線路發(fā)生故障的幾率，并通過(guò)在系統(tǒng)一次設(shè)備及二次保護(hù)上采取措施來(lái)減小故障時(shí)母線電壓波動(dòng)的幅度。另一方面，電壓波動(dòng)之所以危害很大，是因?yàn)楹芏嘤秒娫O(shè)備（如用戶變頻器）對(duì)波動(dòng)太敏感，因此降低用電設(shè)備對(duì)電壓波動(dòng)的靈敏度，提高其抗擾動(dòng)的能力，就可以減少用戶的損失。以下從根源上、系統(tǒng)一/二次設(shè)備以及用戶設(shè)備3個(gè)方面來(lái)分析減小電壓波動(dòng)的對(duì)策。

2.1 從根源上可采取的措施

從根源上來(lái)說(shuō)，解決20 kV線路短路故障引起母線上較大壓降的方法是降低20 kV線路故障率。通過(guò)對(duì)實(shí)際引起線路故障跳閘原因的統(tǒng)計(jì)分析可以得出，雷擊和鳥害是其主要根源。

2.1.1 導(dǎo)線絕緣化

與裸導(dǎo)線相比，架空絕緣導(dǎo)線由于多了一層絕緣層，絕緣性能比裸導(dǎo)線優(yōu)越。絕緣導(dǎo)線能防外力破壞和減少受樹木、飛飄物、金屬膜和灰塵等外在因素的影響，減少相間短路及接地故障。架空絕緣導(dǎo)線可降低線路引雷，即使有雷電，影響也會(huì)小得多[1]。因此，新建20 kV線路均要求采用絕緣導(dǎo)線。10 kV線路升壓改造時(shí)，考慮盡可能利用原導(dǎo)線的原則，僅對(duì)主干線要求必須按照絕緣線改造。但是絕緣導(dǎo)線與架空裸導(dǎo)線相比也有弊端：遭雷擊時(shí)，架空絕緣導(dǎo)線較架空裸導(dǎo)線更易發(fā)生斷線，因此更換成絕緣線時(shí)也要做好防雷措施，如安裝架空地線、防雷絕緣子、過(guò)電壓保護(hù)器、防雷金具等[2]。

2.1.2 線路設(shè)備的絕緣化處理

從對(duì)20 kV線路故障跳閘的分析可知，大部分故障是由于線路設(shè)備絕緣化不到位引起的。線路設(shè)備絕緣不到位時(shí)，極易引起鳥害發(fā)生。因此對(duì)于裸線，要求在絕緣子處安裝絕緣護(hù)套，引線采用絕緣線，對(duì)線路設(shè)備接頭處作絕緣包覆，部分無(wú)法絕緣包覆的設(shè)備必須調(diào)整安裝方式并安裝驅(qū)鳥器，以減輕鳥害影響。

2.2 系統(tǒng)側(cè)可采取的措施

2.2.1 調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式

電壓暫降程度與系統(tǒng)運(yùn)行方式直接相關(guān)，配置3臺(tái)主變壓器的220 kV變電站，需在正常運(yùn)行方式上進(jìn)行調(diào)整：將接有電壓暫降敏感用戶的110 kV變電站接在2臺(tái)主變壓器并列運(yùn)行的110 kV母線上，而將接有對(duì)母線壓降不敏感用戶的110 kV變電站接在單臺(tái)主變壓器供電母線上。

2.2.2 采用高阻變壓器

由于主變壓器容量增大，導(dǎo)致20 kV線路短路對(duì)上級(jí)變電站110 kV母線電壓的影響加大，最直接的解決辦法就是增加主變壓器短路阻抗。但高阻變壓器成本高，電能損耗大，實(shí)際應(yīng)用必須綜合考慮上述因素。通過(guò)理論計(jì)算，110/20 kV 80 MVA主變壓器短路阻抗取16%，即可滿足正常方式下以及20 kV出線在1 km處三相故障時(shí)，上級(jí)110 kV母線電壓暫降控制在15%額定線電壓以內(nèi)的要求。

2.2.3 加裝限流電抗器

加裝限流電抗器的目的是利用其電感特性，限制系統(tǒng)的短路電流，降低短路電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊，同時(shí)提高系統(tǒng)的殘壓[3]。加裝限流電抗器的安裝方式可以分為2種：一種是在變壓器低壓回路裝設(shè)串聯(lián)限流電抗器，此接線方式占地面積小，工程量相對(duì)較小，比較容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)本母線殘壓影響更為嚴(yán)重；另一種是在20 kV饋線的出線側(cè)裝設(shè)出線限流電抗器，此接線方式投資大、占地大，因此建議盡可能不用。限流電抗器的選擇必須綜合考慮電能損耗、系統(tǒng)運(yùn)行方式、繼電保護(hù)整定等各方面因素。

2.2.4 加速單相接地保護(hù)跳閘

通過(guò)對(duì)歷史相間故障錄波的分析，部分相間短路是從單相接地演變而來(lái)的，演變時(shí)間在0．1～0．4 s，現(xiàn)在零序Ⅰ段的動(dòng)作時(shí)間為0．5 s，來(lái)不及動(dòng)作即轉(zhuǎn)變?yōu)槿喽搪?。如果把零序Ⅰ段?dòng)作時(shí)限控制在0．2～0．3 s，則可減少這種轉(zhuǎn)換性故障的發(fā)生，但必須注意與下級(jí)保護(hù)級(jí)差的配合[4]。

2.3 用戶側(cè)可采取的措施

2.3.1 提高用電設(shè)備抗電壓波動(dòng)能力

電壓波動(dòng)對(duì)不同用戶造成的危害程度與其用電設(shè)備對(duì)電壓波動(dòng)的敏感度有關(guān)。因此，用戶可在設(shè)備訂貨合同上向制造商明確相關(guān)的技術(shù)要求，使設(shè)備具備一定的抗電壓波動(dòng)能力；或通過(guò)調(diào)整內(nèi)部某些環(huán)節(jié)參數(shù)來(lái)解決。

2.3.2 加裝補(bǔ)償裝置

一般用戶可采用穩(wěn)壓變壓器、電磁合成器等較便宜的設(shè)備，減少電壓波動(dòng)造成的停產(chǎn)事故。由于用戶在承受多次電壓波動(dòng)的同時(shí)，還要承受為數(shù)相對(duì)較少的斷電事故，因此對(duì)供電電壓波動(dòng)敏感的用戶可采用UPS（不間斷電源系統(tǒng)）等靈敏、快速的電壓波動(dòng)補(bǔ)償裝置。

2.3.3 防低壓斷路器脫扣裝置誤動(dòng)

重視低壓斷路器脫扣裝置定值的正確性，防止誤動(dòng)。對(duì)新裝及增容的用戶專用變壓器的低壓斷路器采用延時(shí)脫扣器，延時(shí)5 s欠壓脫扣，躲過(guò)線路重合閘影響。對(duì)已運(yùn)行的專用變壓器用戶，經(jīng)征詢用戶意見后，對(duì)HA1型低壓斷路器采用調(diào)換延時(shí)脫扣器，對(duì)DW－15型低壓斷路器則采取了拆除瞬時(shí)脫扣器的措施。

3 結(jié)語(yǔ)

嘉興供電公司在20 kV改造過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況采取了提高線路絕緣化率、適當(dāng)提高主變壓器短路阻抗、對(duì)用戶低壓斷路器脫扣裝置摸排整改等措施，有效減少了20 kV線路相間故障對(duì)系統(tǒng)電壓的影響，使20 kV配電網(wǎng)供電可靠性得到了有效提升。

[1]侯義明，張東霞，彭冬，等．20 kV中壓配電理論研究與工程實(shí)踐[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2009．

[2]DL/T 620－1997交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997．

[3]郭和彩．變電站10 kV母線短路電流限制措施分析[J]．內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2009，27（5）∶24－25．

[4]DL/T 584－2007 3kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995．

（本文編輯：徐 晗）

Analysis and Countermeasure of a 20 kV Line Fault

QIU Qunhui1，2，XU Jianqiang3，ZHOU Yin2，YAN Yan4
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314033，China；3.State Grid Tongxiang Power Supply Company，Tongxiang Zhejiang 314500，China；4.State Grid Zhoushan Power Supply Company，Zhoushan Zhejiang 316021，China）

This paper introduces a three-phase short-circuit fault on 20 kV lines，which caused bus voltage sag of different 110 kV substations in the same supply area，resulting in tripping of low-voltage equipment of users integrated into the substation who have higher requirement on voltage quality.The paper analyzes the reasons in detail and presents solution to such similar abnormalities.

20 kV；line fault；voltage sag；cause analysis；countermeasure

TM732

B

1007-1881（2015）04-0066-03

2014-11-11

仇群輝（1977），男，高級(jí)工程師，從事繼電保護(hù)管理工作。