電抗器間隔TA 后置式接線方式的故障電流分析

吳悅?cè)A， 周永榮， 陳昊， 常焱杰， 張臻， 何嘉弘

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司， 江蘇 南京211102；2. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司， 江蘇 南京211106；3. 東南大學(xué)， 江蘇 南京210096)

0 引言

隨著我國電力建設(shè)的不斷推進(jìn), 500 kV 電網(wǎng)已成為我國大部分省份的主干電網(wǎng), 500 kV 電網(wǎng)的電氣設(shè)備狀態(tài)對(duì)于維護(hù)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[1-3]。 用于調(diào)節(jié)變電站無功功率的500 kV變電站35 kV 電抗器是重要的電氣設(shè)備, 電抗器間隔中電抗器本體和斷路器的相對(duì)位置有以下三種模式[4], 第一種是近年來常用的配置模式, 即不設(shè)35 kV 總斷路器而每個(gè)間隔的斷路器前置； 第二種模式設(shè)35 kV 總斷路器且電抗器斷路器前置； 第三種是本文著重討論的模式, 即設(shè)35 kV 總斷路器且電抗器斷路器后置, 該方式的優(yōu)點(diǎn)在于后置斷路器可以采用輕型斷路器, 降低了投資。 但是當(dāng)電抗器發(fā)生故障或35 kV 母線故障時(shí), 需要直接跳開主變電壓35 kV 總斷路器。 在該模式下, 電抗器間隔斷路器只在平時(shí)起到操作電抗器的作用[5-6]。

我國早期投運(yùn)的500 kV 變電站, 多采用設(shè)35 kV總斷路器且電抗器斷路器后置的模式。 正常運(yùn)行情況下, 流經(jīng)TA 的電流是電抗器間隔的正常負(fù)荷電流, 若某間隔35 kV 電抗器發(fā)生故障, 流經(jīng)該間隔TA 的電流減小。 因此, 這種TA 配置模式多采用欠電流保護(hù)[7]。 在實(shí)際運(yùn)行中, 35 kV間隔發(fā)生故障時(shí), 相鄰非故障間隔的運(yùn)行電流變化規(guī)律相對(duì)復(fù)雜, 甚至有可能造成非故障間隔電抗器欠電流保護(hù)動(dòng)作[8-9], 給現(xiàn)場(chǎng)事故分析增加了技術(shù)難度。 本文研究了500 kV 變電站低壓側(cè)故障電流特征, 仿真分析了不同情況下的電抗器間隔電流變化規(guī)律, 提出了現(xiàn)有故障判別邏輯的改進(jìn)方案。

1 電抗器間隔TA 后置式接線與保護(hù)配置

電抗器間隔TA 后置式接線的模型如圖1 所示, 低壓側(cè)設(shè)35 kV 總斷路器, 且在各個(gè)35 kV 設(shè)備間隔配置斷路器, 電抗器靠近35 kV 母線, 斷路器遠(yuǎn)離母線, TA 相鄰斷路器布置。

圖1 TA 后置式電抗器間隔的電氣接線

以圖1 的500 kV 變電站低壓系統(tǒng)為例, 35 kV側(cè)四臺(tái)電抗器的容量均為60 000 kvar, 各間隔正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷相電流為980 A ( 負(fù)荷電流的波動(dòng)性[10-12]忽略不計(jì)), 欠電流保護(hù)的動(dòng)作值為400 A(一次值)。 欠電流保護(hù)的動(dòng)作條件是: 當(dāng)某相電流低于定值且滿足低電壓解鎖要求時(shí), 保護(hù)延時(shí)跳閘。

以321 間隔的電抗器發(fā)生三相短路故障為例,首先假設(shè)故障過渡電阻可以忽略不計(jì), 故障電流僅流經(jīng)至故障點(diǎn)而不再流經(jīng)TA, TA 上流經(jīng)的電流由正常負(fù)荷電流下降至接近于0, 因此保護(hù)可以判斷故障發(fā)生在321 間隔。 如過渡電阻大, 故障電流將根據(jù)過渡電阻與故障點(diǎn)到間隔末尾阻抗值的大小進(jìn)行分流。 在這種情況下, TA 受到的電流也會(huì)降低,故障間隔欠電流保護(hù)將正常動(dòng)作。 同時(shí)非故障間隔也可能因35 kV 電壓被故障拉低, 造成本間隔TA受到的電流下降, 存在非故障間隔欠電流保護(hù)動(dòng)作的可能。

2 電抗器間隔不同故障位置對(duì)保護(hù)的影響

如電抗器間隔中的某一間隔發(fā)生電抗器故障,故障點(diǎn)為f點(diǎn), 則電抗器間隔的等效模型如圖2 所示。 圖中,Ls是35 kV 側(cè)的等效電感, 約0. 008 H；L是故障至電源側(cè)的電感值, 整個(gè)間隔的電感值為0. 065 H；Rf是故障點(diǎn)過渡電阻, 考慮到現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的多起故障實(shí)際過渡電阻值均較小, 便于分析起見, 這里假定Rf不超過5 Ω；Z是間隔末端斷路器、 TA、 中性點(diǎn)接地刀閘等裝置的綜合等效阻抗,取0. 5 Ω[13-14]。

圖2 電抗器間隔等效模型

2.1 理論推導(dǎo)

電抗器所在的35 kV 系統(tǒng)(不接地系統(tǒng)), 單相接地故障時(shí), 故障電流較小[15-16]。 最常見的相間接地故障轉(zhuǎn)三相故障。 從現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)來看, 由于35 kV 系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作延時(shí)較長(zhǎng), 最終轉(zhuǎn)化成三相故障的概率頗高。 以三相故障作為典型故障進(jìn)行分析, 假設(shè)故障發(fā)生在圖2 中的f點(diǎn)。 如果f點(diǎn)距離35 kV 母線較近, 即故障點(diǎn)靠近電源側(cè)(L值較小), 故障電流流經(jīng)L后基本都從故障點(diǎn)過渡電阻Rf上流過, 因此欠電流保護(hù)動(dòng)作。 但該種情況下,35 kV 母線電壓下降嚴(yán)重, 可能造成其他非故障間隔欠電流保護(hù)動(dòng)作。 如果f點(diǎn)距離母線較遠(yuǎn), 即故障點(diǎn)靠近TA 側(cè)(L值較大), 故障間隔以外的電壓電流情況與正常運(yùn)行情況下差異不大, 但在故障間隔內(nèi)部, 故障點(diǎn)過渡電阻Rf上將會(huì)有一部分分流, 造成欠電流保護(hù)動(dòng)作。

為方便分析, 暫不考慮非故障間隔對(duì)故障間隔的影響, 則故障間隔的總電流I為:

則流經(jīng)故障間隔TA 上的電流I1為:

其中,E為系統(tǒng)電源的相電壓有效值, 此處為38. 5 / 3 kV；L的取值范圍是0 ～0. 065 H。 根據(jù)式(1)及式(2), 可以計(jì)算在不同位置發(fā)生故障的情況下, 流經(jīng)故障間隔TA 處的電流I1隨L值與Rf值的變化情況, 如圖3 所示。 35 kV 母線電壓的線電壓有效值U隨L值與Rf值的變化情況如圖4 所示, 非故障間隔流經(jīng)TA 的電流I2如圖5所示。

圖3 I1隨L 值與Rf值的變化情況

圖4 U 隨L 值與Rf值的變化情況

圖5 I2隨L 值與Rf值的變化情況

根據(jù)圖3, 在故障點(diǎn)靠近母線側(cè)(L值較小)的情況下, 由于故障點(diǎn)靠近TA 側(cè)的電抗值(0. 065-L) 較大, 故障電流幾乎不流經(jīng)故障間隔的TA, 因此I1的值總是很小且與Rf的值關(guān)系不大。 在故障點(diǎn)靠近TA 側(cè)(L值較大) 的情況下, 故障點(diǎn)至TA 的電抗值(0. 065-L) 較小, 當(dāng)其小到能與Rf的電阻值相比較時(shí), 故障電流在流經(jīng)L后將根據(jù)故障點(diǎn)至TA 側(cè)阻抗進(jìn)行分流。 在這種情況下, 當(dāng)Rf的電阻值較大, 可能造成流經(jīng)TA的電流下降不明顯, 不能達(dá)到欠電流保護(hù)的動(dòng)作定值。

根據(jù)圖4, 在L值與Rf值均較小的情況下, 母線電壓U下降明顯； 在L值或Rf值較大的情況下,母線電壓非故障情況下的數(shù)值相當(dāng)。

根據(jù)圖5,I2的變化情況與母線電壓U的變化趨勢(shì)基本一致,L值與Rf值均較小的情況下,I2下降明顯； 在L值或Rf值較大的情況下,I2與非故障情況下的數(shù)值相當(dāng)。

2.2 故障點(diǎn)靠近母線側(cè)

若故障點(diǎn)靠近母線側(cè), 即L值較小, 取L＝0. 005 H,Rf＝1 Ω, 故障發(fā)生時(shí)刻為1 s, 故障持續(xù)時(shí)間為0. 5 s, 在PSCAD 中進(jìn)行仿真。 流經(jīng)故障間隔流經(jīng)TA 的電流I1如圖6 所示； 35 kV 母線的故障電壓U如圖7 所示； 非故障間隔流經(jīng)TA 的電流I2如圖8 所示。 由于故障為對(duì)稱性故障, 不失一般性, 有關(guān)波形圖均僅繪制單相波形。

圖6 故障點(diǎn)靠近母線側(cè)時(shí)I1的波形

圖7 故障點(diǎn)靠近母線側(cè)時(shí)母線電壓的波形

圖8 故障點(diǎn)靠近母線側(cè)時(shí)I2的波形

由圖6 可見, 流經(jīng)故障間隔流經(jīng)TA 的電流I1在故障發(fā)生后明顯下降。 根據(jù)圖7, 35 kV 母線電壓在故障發(fā)生后有一定程度的跌落。 根據(jù)圖8, 非故障間隔流經(jīng)TA 的電流I2也有顯著下降。

2.3 故障點(diǎn)靠近TA 側(cè)

若故障點(diǎn)靠近TA 側(cè), 即L值較大, 取L＝0. 055 H,Rf＝0. 1 Ω, 在PSCAD 中進(jìn)行仿真。 流經(jīng)故障間隔TA 的電流I1如圖9 所示； 35 kV 母線的故障電壓U如圖10 所示； 非故障間隔流經(jīng)TA的電流I2如圖11 所示。

由圖9 可以看出, 流經(jīng)故障間隔TA 的電流I1在故障發(fā)生后明顯下降； 根據(jù)圖10, 35 kV 母線的電壓在故障發(fā)生后幾乎沒有下降； 根據(jù)圖11, 流經(jīng)非故障間隔TA 的電流I2與故障前相比也幾乎沒有變化。

圖9 故障點(diǎn)靠近TA 側(cè)時(shí)I1的波形

圖10 故障點(diǎn)靠近TA 側(cè)時(shí)U 的波形

圖11 故障點(diǎn)靠近TA 側(cè)時(shí)I2的波形

保持其他條件不變, 將Rf取5Ω, 流經(jīng)故障間隔TA 的電流I1如圖12 所示。 可以看出,I1的值下降不多, 即在故障點(diǎn)靠近TA 側(cè)的情況下, 較大的過渡電阻會(huì)造成TA 分流增加, 可能造成欠電流保護(hù)達(dá)不到動(dòng)作定值。

圖12 故障點(diǎn)靠近TA 側(cè)且Rf較大時(shí)I1的波形

3 故障判別邏輯的改進(jìn)思路

由上可知, 當(dāng)故障點(diǎn)靠近母線側(cè)時(shí), 35 kV 母線的電壓下降, 有可能造成非故障間隔的電抗器欠電流保護(hù)動(dòng)作。 以南京地區(qū)某500 kV 變電站(35 kV側(cè)采用TA 后置式接線) 為例, 三次35 kV電抗器三相短路故障, 有兩次出現(xiàn)了非故障間隔電抗器欠電流保護(hù)動(dòng)作的情況。 以第二次故障為例,該500 kV 變電站2 號(hào)主變壓器2 號(hào)電抗器和3 號(hào)電抗器并聯(lián)在同一條母線上, 當(dāng)3 號(hào)電抗器發(fā)生內(nèi)部故障時(shí), 電流向故障電抗器集中, 流過非故障電抗器的電流相應(yīng)減少, 最終導(dǎo)致2 號(hào)主變壓器2 號(hào)電抗器保護(hù)動(dòng)作。

比較圖6 與圖8, 可以看出雖然非故障間隔的電流有所下降, 但是其下降幅度相比于故障間隔小一些。 由于故障間隔的故障特性更加明顯, 所以電流下降幅度會(huì)更為顯著。 利用這一特點(diǎn), 可以采用比較各個(gè)間隔在故障期間流經(jīng)TA 電流大小的方法確定故障間隔。 具體方法為: 當(dāng)母線電壓下降且某間隔的電流降低, 則開始比較各個(gè)間隔的電流大?。?若某一個(gè)間隔的電流明顯小于其余間隔, 且其余間隔的電流值大小基本相同, 則可以說明電流較小的間隔是故障間隔。 為定量分析, 圖13 展示了在不同故障位置與不同過渡電阻情況下故障間隔電流與非故障間隔電流的大小關(guān)系。

圖13 不同故障情況下I1與I2的大小關(guān)系

根據(jù)圖13 可將故障情況分類如下:

1) 故障點(diǎn)至母線側(cè)電抗極小的情況。 這種情況類似于35 kV 母線發(fā)生故障, 因此無論過渡電阻多大, 各個(gè)間隔的電流大小基本一致。 由于可以類比母線故障, 該情況下區(qū)分故障間隔的意義不大。

2) 故障點(diǎn)至母線側(cè)電抗適中。 該情況下, 過渡電阻較小時(shí), I1與I2的比值較小, 不超過0. 5；過渡電阻較大時(shí), I1與I2的比值增大至0. 7 左右。

3) 故障點(diǎn)至母線側(cè)電抗較大且Rf較小。 與情況2) 類似, 當(dāng)過渡電阻不超過4Ω 時(shí), I1與I2的比值不超過0. 8。

4) 故障點(diǎn)至母線側(cè)電抗較大且Rf較大。 該情況下的故障特征不夠明顯, 因此故障間隔與非故障間隔差異不大, I1與I2的比值達(dá)到了0. 8 以上。

考慮到情況1) 與情況4) 時(shí), 區(qū)分故障間隔和非故障間隔的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)檢尤其是故障排除時(shí)的啟發(fā)意義較小, 因此可以將保護(hù)方案改進(jìn)為: 當(dāng)母線電壓下降且某間隔的電流降低, 則開始比較各個(gè)間隔的電流大小； 若某一個(gè)間隔的電流小于其余間隔電流的0. 8 倍, 且其余間隔的電流值大小基本相同,則可將電流較小的間隔判斷為故障間隔。 由故障間隔欠電流保護(hù)動(dòng)作跳閘, 其他間隔以更長(zhǎng)的時(shí)延跳閘。

為實(shí)現(xiàn)所提方案, 需要跨間隔比較電流, 這在目前的常規(guī)500 kV 變電站中是較難實(shí)現(xiàn)的, 但是智能變電站建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)為這種方案的實(shí)現(xiàn)提供了便利[17-20]。 智能變電站中, 存在利用各個(gè)間隔的合并單元所提供數(shù)據(jù), 改進(jìn)低壓側(cè)電抗器間隔故障判別邏輯的可能。

4 結(jié)論

本文以三相故障為例, 研究了變電站35 kV 側(cè)電抗器間隔TA 后置式接線的情況下電抗器間隔故障電流變化特征。

1) 某間隔發(fā)生故障將導(dǎo)致該間隔流經(jīng)TA 的電流減小。 若電抗器間隔的故障點(diǎn)靠近母線側(cè), 且過渡電阻較小, 則非故障間隔流經(jīng)TA 的電流也因35 kV 母線電壓的跌落而降低。

2) 電抗器間隔的故障點(diǎn)靠近母線側(cè), 且過渡電阻較大時(shí), 35 kV 側(cè)母線電壓不會(huì)嚴(yán)重下降, 非故障間隔電流不會(huì)發(fā)生顯著下降。

3) 某電抗器間隔發(fā)生故障時(shí), 盡管非故障電抗器間隔會(huì)發(fā)生電流顯著降低, 但其電流降低的幅度一般比故障間隔小, 通過比較各個(gè)間隔電流大小可以有效篩選出故障間隔。

4) 在跨間隔電流信息可以交互的前提下, 存在通過改進(jìn)電抗器保護(hù)邏輯區(qū)分故障間隔與非故障間隔的可行性。