10 kV配電線路保護(hù)誤動(dòng)原因分析

付振強(qiáng)，周振宇，王 舒，孫 明

(國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司,遼寧 鞍山 114001)

10 kV配電線路保護(hù)誤動(dòng)原因分析

付振強(qiáng)，周振宇，王 舒，孫 明

(國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司,遼寧 鞍山 114001)

在對(duì)10 kV配電線路恢復(fù)送電過程中，經(jīng)常發(fā)生由配電變壓器勵(lì)磁涌流引起的配電線路電流保護(hù)誤動(dòng)事故，結(jié)合勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生原理和特點(diǎn)，分析了10 kV配電線路存在的問題，提出防止勵(lì)磁涌流引起線路保護(hù)誤動(dòng)的改進(jìn)方案，為10 kV配電線路正常運(yùn)行提供保障。

10 kV配電線路；勵(lì)磁涌流；保護(hù)誤動(dòng)；定值

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)10 kV供電系統(tǒng)提出的要求越來越高、越來越嚴(yán)格，然而出現(xiàn)的各種故障也呈上升趨勢(shì)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響[1]。對(duì)于10 kV配電線路來說，在線路恢復(fù)送電合線路開關(guān)時(shí)，因勵(lì)磁涌流引起的無時(shí)限電流保護(hù)誤動(dòng)作較普遍。

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置主要是依據(jù)電力系統(tǒng)中電流、電壓的變化作出相應(yīng)動(dòng)作，在設(shè)計(jì)前期，為盡可能提高邏輯運(yùn)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并沒有過多地考慮涌流問題。但在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁涌流對(duì)其穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了很大的影響，特別是在10 kV線路開關(guān)合閘過程，出現(xiàn)多起線路保護(hù)誤動(dòng)作事故。如果不采取措施解決變壓器勵(lì)磁涌流問題，將導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，直接影響繼電保護(hù)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響電能的輸送，甚至威脅整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生原理及特點(diǎn)

變壓器的勵(lì)磁電流IL僅流經(jīng)變壓器的某一側(cè)，因此，通過電流互感器反映到差動(dòng)回路中不能被平衡，在外部故障時(shí)，由于電壓降低，勵(lì)磁電流減小，其影響較小。但當(dāng)變壓器空載投入或變壓器外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，由于變壓器鐵芯中的磁通不能突變，進(jìn)而出現(xiàn)一個(gè)非周期分量磁通，使變壓器鐵芯飽和，產(chǎn)生數(shù)值很大的勵(lì)磁電流，稱為勵(lì)磁涌流。此時(shí)急劇增大的勵(lì)磁涌流將成為差流，幅值很大，不采取措施將造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。

1.1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生原理

變壓器作為電能、磁能的轉(zhuǎn)換裝置，當(dāng)變壓器二次繞組開路時(shí)，一次繞組需要通過相應(yīng)的勵(lì)磁電流來建立主磁通，因此，勵(lì)磁涌流是變壓器特有的電磁現(xiàn)象。勵(lì)磁電流和磁場(chǎng)的關(guān)系可以由變壓器鐵芯的磁化曲線特性來決定。變壓器在空載穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，由于建立了穩(wěn)定的主磁通，不會(huì)使鐵芯中的磁通密度達(dá)到飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流值很小，一般達(dá)到變壓器額定電流的2%～10%。但是一旦因某些原因使磁通密度增大到飽和狀態(tài)，勵(lì)磁電流就會(huì)劇增，鐵芯越達(dá)到飽和狀態(tài)，磁場(chǎng)需要的勵(lì)磁電流也就越大。

以單相變壓器為例，說明其空投時(shí)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原理。

若考慮與電源回路電阻、變壓器繞組電阻和漏電感有關(guān)的時(shí)間常數(shù)T的影響，則磁通Φ為

(1)

由式(1)可以看出，在空投時(shí)沖擊變壓器的瞬間，鐵芯中的磁通由三部分組成：第一部分為磁通的強(qiáng)迫分量；第二部分為磁通的自由分量，隨時(shí)間而衰減，第三部分為合閘前鐵芯的剩磁通[2]。

如果在開關(guān)最不利的情況下合閘，即電壓瞬時(shí)值為零時(shí)空投變壓器，磁通會(huì)達(dá)到幅值，合閘角α=0°，在忽略變壓器及合閘回路的電阻時(shí)，時(shí)間常數(shù)T為無窮大，磁通中的自由分量不衰減，假如剩磁Φs的方向與合閘之后Φmcosα=Φm的方向相同，則變壓器鐵芯的綜合磁通如圖1的曲線Φ。

圖1 空載合閘時(shí)磁通變化波形

由圖1可以看出，鐵芯中的最大磁通可達(dá)2Φm+Φs，如果合閘角α=0°，變壓器鐵芯的剩磁通Φs=0.9Φm，鐵芯中的最大磁通達(dá)2.9Φm，接近正常運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)磁通幅值的3倍，使變壓器鐵芯嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流迅速增加，產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。此時(shí)勵(lì)磁電流將達(dá)到正?？蛰d運(yùn)行時(shí)電流的50～80倍，根據(jù)一般變壓器正?？蛰d勵(lì)磁電流為額定電流的10%進(jìn)行計(jì)算，得出在最不利狀況下合閘時(shí)，空載合閘勵(lì)磁涌流瞬時(shí)值將達(dá)到額定電流的5～8倍，若再考慮合閘瞬間剩磁的影響，勵(lì)磁電流將達(dá)到更高值。

由于回路電阻R的存在，合閘時(shí)勵(lì)磁電流將隨時(shí)間常數(shù)T逐漸衰減，最后恢復(fù)到正常的電流水平，如圖2所示。一般小容量變壓器衰減速度比較快，大約在幾個(gè)周波后就將達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而大容量的變壓器衰減速度相對(duì)比較慢，可以延續(xù)幾秒甚至更長(zhǎng)。

對(duì)于三相變壓器而言，由于三相電壓彼此相差120°，合閘時(shí)總有一相處于或接近于電壓瞬時(shí)值為

圖2 空載合閘時(shí)勵(lì)磁電流變化曲線

零時(shí)空投單相變壓器時(shí)產(chǎn)生的不利狀態(tài)，因此，總有一相電壓產(chǎn)生最大的勵(lì)磁涌流。

1.2 勵(lì)磁涌流特點(diǎn)

a.峰值大，當(dāng)變壓器空載投入時(shí)，可達(dá)到額定電流的5～8倍，而相對(duì)于容量較小的配電變壓器，倍數(shù)則更大。

b.包含很大的非周期分量，使勵(lì)磁涌流波形偏于時(shí)間軸一側(cè)。

委托經(jīng)辦具體運(yùn)行機(jī)制設(shè)計(jì)體現(xiàn)出：(1)政府確保市場(chǎng)有效的競(jìng)爭(zhēng)和建立商保公司的準(zhǔn)入機(jī)制和退出機(jī)制，鼓勵(lì)更多的商保公司參與進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)。(2)政府建立有效的信息管理披露制度。一方面商保公司賬目公開；另一方面建立商保公司經(jīng)辦基本醫(yī)保服務(wù)績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)估方法。(3)商保公司在合作中主要負(fù)責(zé)賠案審核和支付服務(wù)等，獲取相應(yīng)的經(jīng)辦費(fèi)用。見圖3

c.包含大量高次諧波分量，主要以二次諧波為主。

d.是衰減的，衰減時(shí)間與變壓器繞組時(shí)間常數(shù)T及合閘回路有關(guān)，勵(lì)磁涌流由峰值衰減到0.25～0.5倍額定電流，經(jīng)歷時(shí)間為0.5～0.75 s，隨后衰減變慢。

e.與單臺(tái)大容量變壓器不同，10 kV配電線路的勵(lì)磁涌流是線路上掛接的幾十臺(tái)小容量配電變壓器所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流的疊加[3]。

1.3 勵(lì)磁涌流影響因素

當(dāng)電壓過零時(shí)刻投入變壓器時(shí)，將產(chǎn)生最嚴(yán)重的磁飽和現(xiàn)象，此時(shí)變壓器勵(lì)磁涌流最大值可達(dá)變壓器額定電流的5～8倍，其中包含大量的非周期分量和高次諧波分量，并以一定時(shí)間系數(shù)衰減[4-5]。研究得出，勵(lì)磁涌流的大小和衰減時(shí)間跟變壓器鐵芯磁通大小、鐵芯材料和性質(zhì)、變壓器設(shè)計(jì)的工作磁密，變壓器結(jié)構(gòu)和容量大小等有關(guān)。大容量變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流倍數(shù)小，但勵(lì)磁涌流時(shí)間常數(shù)大，存在時(shí)間長(zhǎng)，有時(shí)要經(jīng)過數(shù)秒甚至幾分鐘才能衰減到正常值。小容量變壓器空投時(shí)勵(lì)磁涌流與其額定電流之比越大，即勵(lì)磁涌流倍數(shù)越大。

2 10 kV線路保護(hù)存在的問題

在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，發(fā)生過多次10 kV配電線路在停電或跳閘后恢復(fù)送電時(shí)，過流保護(hù)動(dòng)作跳閘，自動(dòng)重合閘不成功，手動(dòng)試送過流保護(hù)又動(dòng)作跳閘，經(jīng)過全線路檢查未發(fā)現(xiàn)任何問題，找不到故障點(diǎn)[6]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電網(wǎng)電力負(fù)荷的快速增長(zhǎng)，10 kV線路掛接的小容量配電變壓器數(shù)量劇增，合10 kV線路開關(guān)瞬間，各配電變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流相互疊加，再加上電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)電流等原因，造成線路保護(hù)動(dòng)作跳閘而無法送電。

為躲過勵(lì)磁涌流，整定計(jì)算時(shí)，在與主變后備保護(hù)定值匹配的前提下，可適當(dāng)調(diào)大電流速斷保護(hù)定值。研究表明，勵(lì)磁涌流的大小將隨時(shí)間增加而衰減，開始涌流很大，一段時(shí)間后涌流衰減為零，一般經(jīng)過 7～10 個(gè)工頻周波后，涌流即可衰減到可忽略的范圍。當(dāng)涌流衰減到零時(shí)，線路中的電流值接近線路的負(fù)荷電流，流過保護(hù)裝置的電流為線路負(fù)荷電流。為防止勵(lì)磁涌流引起保護(hù)誤動(dòng)作，可通過提高Ⅰ段電流速斷保護(hù)裝置定值、延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間來躲勵(lì)磁涌流，通常在Ⅰ段瞬時(shí)電流速斷保護(hù)回路加入0.15～0.2 s延時(shí)。

該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是不用大范圍改造保護(hù)裝置，只做簡(jiǎn)單修改定值，可有效避免電流速斷保護(hù)誤動(dòng)。但存在如下問題：Ⅰ段電流速斷保護(hù)裝置定值加大，影響靈敏度；延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間，縮短保護(hù)范圍，增加故障切除時(shí)間，在線路出口故障時(shí)將對(duì)變壓器及10 kV線路設(shè)備產(chǎn)生巨大危害。

對(duì)10 kV配電線路檢修作業(yè)結(jié)束后恢復(fù)送電時(shí)，保護(hù)跳閘及線路發(fā)生故障重合不良時(shí)，采取的措施是拉開10 kV線路分歧開關(guān)，線路送電后，分別送各分歧開關(guān)，通過合理分段和分配負(fù)荷，控制一次合閘送電容量，分級(jí)送電，使Ⅰ段瞬時(shí)電流速斷保護(hù)躲過勵(lì)磁涌流的沖擊。但在實(shí)際操作過程中，拉分歧開關(guān)分別送電，需要大量作業(yè)人員相互配合，浪費(fèi)人力且不安全。

3 改進(jìn)方案

3.1 改進(jìn)方案1

在10 kV線路保護(hù)增加二次諧波制動(dòng)閉鎖保護(hù)功能，可在不改變?cè)卸ㄖ档幕A(chǔ)上，區(qū)別故障電流和勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流含有大量的二次諧波，變壓器的差動(dòng)保護(hù)就是利用這個(gè)特性，設(shè)定二次諧波制動(dòng)來防止勵(lì)磁涌流引起保護(hù)誤動(dòng)作。若在10 kV線路保護(hù)中，增加二次諧波制動(dòng)閉鎖保護(hù)功能，當(dāng)配電線路故障時(shí)，無二次諧波產(chǎn)生，不閉鎖保護(hù)，但當(dāng)配電線路中產(chǎn)生勵(lì)磁涌流時(shí)，迅速閉鎖線路保護(hù)功能，可避免由于變壓器勵(lì)磁涌流引起的保護(hù)誤動(dòng)作。

3.2 改進(jìn)方案2

隨著電網(wǎng)建設(shè)的不斷擴(kuò)大，10 kV配電系統(tǒng)所帶負(fù)載不斷增加，故障時(shí)短路電流也隨之變大，當(dāng)線路出口處發(fā)生短路時(shí)，短路電流很大，使變壓器二次側(cè)受到大電流沖擊，因此，需要設(shè)置特殊段定值來閉鎖重合閘。當(dāng)線路出口故障時(shí)，短路電流可達(dá)到TA一次額定電流的幾十倍，此時(shí)要閉鎖重合閘，防止重合閘動(dòng)作再次合于故障，使變壓器受大電流沖擊而燒損。

3.3 改進(jìn)方案3

在變電站線路出口附近發(fā)生故障，斷路器失靈時(shí)，要由變壓器后備保護(hù)來切出故障，變壓器后備保護(hù)整定時(shí)間為2.2 s。由于線路出口附近發(fā)生故障短路電流很大，故障切出時(shí)間長(zhǎng)(2.2 s)，將導(dǎo)致變壓器及一次設(shè)備燒毀等事故，因此，需在10 kV線路保護(hù)加裝出口故障斷路器失靈判別功能，并與變壓器后備保護(hù)相結(jié)合構(gòu)成線路出口故障失靈保護(hù)。線路出口故障斷路器失靈的特點(diǎn)是出口跳閘后，短路電流大，且不消失，根據(jù)該特點(diǎn)，在線路保護(hù)中加裝用于判斷出口故障的特殊段定值和保護(hù)動(dòng)作出口構(gòu)成與的關(guān)系，當(dāng)二者同時(shí)自動(dòng)縮短變壓器后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間時(shí),直接跳主變壓器，可有效防止線路出口故障時(shí)，斷路器失靈切出故障時(shí)間長(zhǎng)所產(chǎn)生的危害。

4 結(jié)束語

10 kV供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其能否安全穩(wěn)定運(yùn)行，關(guān)系到電能的正常輸送及整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。如何解決10 kV線路中出現(xiàn)的各種故障，減少事故的發(fā)生，確保電網(wǎng)安全運(yùn)行，已成為繼電保護(hù)專業(yè)人員工作的重中之重。

勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生對(duì)配電變壓器安全運(yùn)行的危害不大，但對(duì)10 kV配電線路電流保護(hù)影響卻很大，若不采取相應(yīng)的措施將頻繁引起電流保護(hù)誤動(dòng)。根據(jù)10 kV配電系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際運(yùn)行需要，結(jié)合勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生原理和特點(diǎn)，提出防止勵(lì)磁涌流引起線路保護(hù)誤動(dòng)的改進(jìn)方案，為10 kV配電系統(tǒng)正常運(yùn)行提供保障。

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Cause Analysis on Protection Malfunction of 10 kV Distribution Line

FU Zhenqiang, ZHOU Zhenyu, WANG Shu, SUN Ming

(State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114001，China)

In the process of restoring the power supply to 10 kV distribution circuit, the fault accident caused by inrush current of distribution transformer is often occurred. This paper combines the inrush current generation principle and characteristics, in-depth analysis of the problems existed in the 10 kV line.Three improvement programs to prevent malfunction of circuit protection caused by magnetizing inrush current are put forward which provide the guarantee for normal operation of 10 kV power supply system.

10 kV distribution line；magnetizing inrush current；protection malfunction；fixed value

TM773

A

1004-7913(2017)01-0039-04

2016-09-20)

付振強(qiáng)(1962)，高級(jí)技師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)研究工作。