提升配電網(wǎng)故障自動(dòng)切除能力的措施

胡金鵬

（中核四0四有限公司，甘肅蘭州 732850）

引言

電力在生產(chǎn)和生活中具有重要的地位，配電網(wǎng)是將電力由變電站轉(zhuǎn)供給用戶的重要組成部分，配電網(wǎng)自動(dòng)切除故障的能力直接關(guān)系著廣大用戶的用電質(zhì)量和配電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，為了保障用戶用電的安全，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，需要將故障電源自動(dòng)切除，將停電限制在最小范圍內(nèi)。針對(duì)目前區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)故障自動(dòng)切除方面存在的問題，從合理應(yīng)用各類型斷路器，計(jì)算出各電壓等級(jí)系統(tǒng)等效阻抗及短路電流，設(shè)置定值及時(shí)限級(jí)差等方面，提出改進(jìn)的措施，以提高配電網(wǎng)的故障自動(dòng)切除能力。

1 配電網(wǎng)的現(xiàn)狀

某區(qū)域配電網(wǎng)由某變電站集中供電，通過變電站內(nèi)6 kV母線輸出6 kV線路輻射供電，每回供電線路均有多臺(tái)變壓器，單回線路采用柱上開關(guān)實(shí)現(xiàn)分段供電。但因線路設(shè)備運(yùn)行已有40多年，柱上開關(guān)配置不完善，柱上開關(guān)未配置速斷、過流等保護(hù)裝置或年久導(dǎo)致保護(hù)失效，在線路發(fā)生故障時(shí)，開關(guān)不能快速且最小范圍切除故障，而是直接由變電站內(nèi)線路總電源開關(guān)動(dòng)作來切除故障，切除設(shè)備數(shù)量較多，且故障影響的范圍大，造成越級(jí)跳閘，事故擴(kuò)大，與保護(hù)“四性”中“快速性、選擇性”要求明顯不符。故障處理時(shí)需要人工巡視檢查線路，花費(fèi)大量時(shí)間才能排查出故障點(diǎn)，排查出故障點(diǎn)后還需逐級(jí)操作恢復(fù)送電，恢復(fù)供電時(shí)間較長，供電可靠性得不到很好的保障。線路所接帶的變壓器負(fù)荷高壓側(cè)無斷路器，而是使用跌落保險(xiǎn)作為保護(hù)，保護(hù)的靈敏性、可靠性較差，運(yùn)行過程中存在保護(hù)越級(jí)跳閘的現(xiàn)象，故現(xiàn)有的配電網(wǎng)設(shè)施及保護(hù)配置已不能滿足時(shí)代發(fā)展的需要。

2 存在的問題及采取的措施

2.1 存在的問題

在原線路、負(fù)荷變壓器本身發(fā)生短路故障時(shí)，線路中柱上開關(guān)或負(fù)荷變壓器高壓側(cè)跌落保險(xiǎn)無法自動(dòng)切除故障點(diǎn)，而是由變電站內(nèi)線路總電源開關(guān)保護(hù)動(dòng)作跳閘，來切除整條線路電源，導(dǎo)致停電影響范圍較大。而低壓側(cè)斷路器短路特性檢測(cè)較為困難，存在較大不確定性，在變壓器低壓側(cè)發(fā)生故障時(shí)，無法按照相應(yīng)系統(tǒng)短路電流配置，存在低壓電纜短路，低壓側(cè)電源開關(guān)、高壓側(cè)跌落保險(xiǎn)均不能正確動(dòng)作，造成保護(hù)越級(jí)跳閘，整條配電線路停電現(xiàn)象。

以某次低壓側(cè)故障，發(fā)生三相短路，開關(guān)拒動(dòng)造成越級(jí)跳閘故障為例分析。

供電變電所6 kV 母線阻抗標(biāo)幺值在大運(yùn)行方式下取1.323，小運(yùn)行方式取1.803。某配電變壓器容量為630 kVA，短路阻抗5.67%，從供電變電所6 kV 母線至變壓器高壓側(cè)連接線為架空線，分成前后兩部分，前部分架空線路導(dǎo)線型號(hào)LGJ-70，正序單位阻抗0.45+j0.358 Ω/km，長度1.08 km；后部分架空線路導(dǎo)線型號(hào)LGJ-50，正序單位阻抗0.63+j0.368 Ω/km，長度2.15 km。

式中：Ud%——短路阻抗百分比，取銘牌數(shù)據(jù)，5.67%；

SB——基準(zhǔn)容量，按100 MVA計(jì)算；

SN——變壓器額定容量，630 kVA；

Z——線路正序單位阻抗；

Un——6 kV 系統(tǒng)額定電壓按6.3 kV 計(jì)算，變壓器低壓側(cè)電壓按0.4 kV計(jì)算；

IB——基準(zhǔn)電流，6 kV基準(zhǔn)電流按9 164.28 A計(jì)算，0.4 kV基準(zhǔn)電流按144 375.67 A計(jì)算；

Z1.max——最大等值阻抗。

由公式（1）計(jì)算得出，630 kVA 變壓器阻抗標(biāo)幺值為9，由公式（2）計(jì)算得出，線路總阻抗標(biāo)幺值為4.64+j2.97，則變壓器低壓側(cè)阻抗標(biāo)幺值大運(yùn)行方式L：4.64+j13.293，阻抗標(biāo)幺值模值為14.08；變壓器低壓側(cè)阻抗標(biāo)幺值小運(yùn)行方式S：4.64+j13.773，阻抗標(biāo)幺值模值為14.53。

變壓器低壓側(cè)配置500 A 塑殼斷路器，其斷路器動(dòng)作特性在12倍電流時(shí)動(dòng)作時(shí)間為0.03～10 s，12倍以上電流時(shí)動(dòng)作時(shí)間在0.03 s 以下。由公式（3）得出該變壓器低壓側(cè)最小兩相短路電流為8 605 A，靈敏度以低壓斷路器速斷值6 000 A（12 倍額定電流）校驗(yàn)，靈敏度為1.43，滿足要求。但是在某次故障中變壓器低壓側(cè)發(fā)生三相短路，經(jīng)高壓側(cè)保護(hù)裝置記錄的信息，折算至低壓側(cè)三相短路電流達(dá)到22 743 A，但變壓器低壓側(cè)斷路器、高壓側(cè)跌落保險(xiǎn)均未能可靠動(dòng)作，造成越級(jí)跳閘，整條線路失電，事故擴(kuò)大。因低壓側(cè)斷路器動(dòng)作特性所需校驗(yàn)電流較大、高壓跌落保險(xiǎn)不具備檢驗(yàn)條件，在日常工作中均無法校驗(yàn)，不能可靠地檢驗(yàn)出是否滿足使用要求，因此需增設(shè)變壓器保護(hù)，以提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

2.2 改進(jìn)措施

在區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造時(shí)，將跌落式保險(xiǎn)更換為帶有保護(hù)功能的真空斷路器，為確保故障時(shí)保護(hù)裝置能自動(dòng)切除故障點(diǎn)，通過對(duì)系統(tǒng)各電壓等級(jí)系統(tǒng)等效阻抗及短路電流核算，設(shè)置合適的繼電保護(hù)整定值，加以時(shí)間級(jí)差配合，以提高保護(hù)動(dòng)作的可靠性。其整定計(jì)算過程如下。

供電變電所6 kV 母線阻抗標(biāo)幺值大運(yùn)行方式取1.323，阻抗標(biāo)幺值小運(yùn)行方式取1.803。

供電變電所6 kV 母線至變壓器連接線由架空線更換為電纜，電纜型號(hào)YJV22-8.7/10kV-3×400 mm2，線路全線長度為6 kV，正序單位阻抗0.0465+j0.0845 Ω/km，至最大容量變壓器線路的長度2 km，由公式（2）得出至最大容量變壓器線路電纜阻抗為0.093+j0.169 Ω，線路全線阻抗標(biāo)幺值為0.2343+j0.4258，標(biāo)幺值模值為0.486。區(qū)域內(nèi)最大變壓器容量為1 600 kVA，短路阻抗為5.9%，變壓器高壓側(cè)額定電流為146.63 A，由公式（1）類比相應(yīng)計(jì)算出變壓器等效阻抗標(biāo)幺值為3.6875。

2.2.1 變壓器保護(hù)整定

經(jīng)計(jì)算，變壓器高壓側(cè)最小阻抗標(biāo)幺值為1.809，最大阻抗標(biāo)幺值為2.289；變壓器低壓側(cè)最小阻抗為5.5，最大阻抗5.98。

變壓器高壓側(cè)過流Ⅰ段保護(hù)定值整定原則1：按躲過變壓器低壓側(cè)出口三相短路時(shí)流過保護(hù)的最大短路電流整定，低壓廠用變壓器低壓側(cè)出口三相最大短路電流Imax。

式中：Z1.min——系統(tǒng)最小阻抗。

折算至高壓側(cè)：

整定原則1定值：

式中：Krel——可靠系數(shù)，根據(jù)導(dǎo)則要求，取1.3。

變壓器高壓側(cè)過流Ⅰ段保護(hù)定值整定原則2：按躲過變壓器最大勵(lì)磁涌流整定［1］。

式中：K——?jiǎng)?lì)磁涌流倍數(shù)，根據(jù)導(dǎo)則要求，取7.0～12，本次取10計(jì)算。

綜上述原則1、原則2，取過流I 段整定值為2165A。

靈敏度校驗(yàn)：靈敏度按以變壓器高壓側(cè)出口最小兩相短路電流校驗(yàn)［2］。最小運(yùn)行方式下，低壓廠用變壓器高壓側(cè)出口兩相金屬性短路電流Imin為

當(dāng)?shù)蛪簭S用變壓器高壓側(cè)采用斷路器時(shí)，動(dòng)作時(shí)間可取0～0.1 s；當(dāng)高壓側(cè)采用高壓熔斷器、接觸器時(shí)，在熔斷器動(dòng)作時(shí)間基礎(chǔ)上增加延時(shí)，或取經(jīng)驗(yàn)值0.3～0.4 s；如有大電流閉鎖功能時(shí)，其動(dòng)作時(shí)間不需要考慮電流速斷保護(hù)與高壓熔斷器熔斷時(shí)間配合，不需要增加短延時(shí)級(jí)差。故過流I 段保護(hù)時(shí)限整定為0 s，出口跳變壓器高壓側(cè)斷路器。

過流I 段保護(hù)定值范圍未伸出變壓器低壓側(cè)，僅保護(hù)變壓器內(nèi)部，內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，能夠0 s 切除故障；變壓器低壓側(cè)發(fā)生故障時(shí)，又能做到不誤動(dòng)作。

變壓器高壓側(cè)過流Ⅱ段保護(hù)定值整定原則：按躲過低壓廠用變壓器所帶負(fù)荷需要自啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)電流之和整定。

式中：Krel——可靠系數(shù)，1.2；

Kzq——需要自起動(dòng)的全部電動(dòng)機(jī)在自起動(dòng)時(shí)所引起的過電流倍數(shù)。

計(jì)算方法：

式中：Ie——變壓器額定電流，146.63A；

Uk%——以變壓器額定容量為基準(zhǔn)的阻抗電壓百分值，5.9%；

Kst.∑——電動(dòng)機(jī)自起動(dòng)電流倍數(shù)，取5；

ST.N——變壓器低壓繞組的額定容量，1 600 kVA；

SM.∑——需要自起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)額定視在功率的總和，暫按總?cè)萘康?0%計(jì)算；

UM.N——電動(dòng)機(jī)額定電壓，0.38 kV；

UT.N——電動(dòng)機(jī)所連接母線的額定電壓，0.4 kV。

靈敏度校驗(yàn)：按最小運(yùn)行方式下，低壓廠用變壓器低壓側(cè)母線兩相金屬性短路折算到高壓側(cè)的一次電流校驗(yàn)。

過流II段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間按與下一級(jí)設(shè)備過流保護(hù)的最大動(dòng)作時(shí)間配合整定，考慮配網(wǎng)屬于末級(jí)負(fù)荷，時(shí)間整定為0.2 s，出口跳變壓器高壓側(cè)斷路器。

過流II 段保護(hù)定值范圍已伸出變壓器低壓側(cè)，可作為變壓器低壓側(cè)及以下設(shè)備的后備保護(hù)。因變壓器低壓側(cè)設(shè)備故障時(shí)，變壓器高壓側(cè)過流I 段不會(huì)動(dòng)作，考慮配網(wǎng)運(yùn)行條件及時(shí)間配合關(guān)系，故0.2 s也能夠快速切除故障。

變壓器高壓側(cè)過流Ⅲ段按變壓器高壓側(cè)額定電流1.1 倍為整定原則，當(dāng)做過負(fù)荷保護(hù)時(shí)，過流III段保護(hù)定值為161.3 A，時(shí)間為9 s，出口告警。

鑒于變壓器已設(shè)置三段式過流保護(hù)，低壓側(cè)電源開關(guān)不再設(shè)置單獨(dú)保護(hù)。變壓器及變壓器低壓側(cè)設(shè)備完全由高壓側(cè)過流I 段、過流II 段保護(hù)實(shí)現(xiàn)故障切除功能，由高壓側(cè)過流III段實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過載發(fā)信功能。

2.2.2 線路保護(hù)整定

經(jīng)計(jì)算，線路末端最大短路電流阻抗標(biāo)幺值為1.90，線路末端最小短路電流阻抗標(biāo)幺值為2.38，線路首端最大短路阻抗按變電站6 kV 母線最小運(yùn)行方式時(shí)阻抗計(jì)算，為1.803。

供電變電所6 kV出線開關(guān)過流I段整定原則1：按躲過線路末端最大三相短路電流［3］為原則進(jìn)行整定，線路末端最大三相最大短路電流Imax

式中：Z1.min——系統(tǒng)最小阻抗。

整定原則1定值：

式中：Krel——可靠系數(shù)，根據(jù)導(dǎo)則要求，取1.3。

變壓器高壓側(cè)過流Ⅰ段保護(hù)定值整定原則2：按與下級(jí)設(shè)備最大過流I段配合整定。

式中：K——?jiǎng)?lì)磁涌流倍數(shù)，根據(jù)導(dǎo)則要求，取7.0～12，本次取10計(jì)算。

綜上述原則1、原則2，取過流I 段整定值為6 269 A。

靈敏度校驗(yàn)：靈敏度按以線路首端最小兩相短路電流校驗(yàn)。最小運(yùn)行方式下，線路首端即供電變電所6 kV母線兩相金屬性短路電流Imin為

因靈敏度不滿足要求，故按線路過流Ⅰ段整定以與環(huán)網(wǎng)柜所帶變壓器最大過流I 段電流保持一致為原則，取值2 190.03 A。靈敏度計(jì)算為4401.83/2190.03=2，大于1.5，滿足要求。

過流I 段時(shí)間按與下級(jí)設(shè)備過流I 段時(shí)間配合整定，取0.2 s，出口跳進(jìn)線斷路器。

供電變電所6 kV 出線開關(guān)過流II 段整定原則：按躲過線路最大負(fù)荷電流值（實(shí)測(cè)值）整定?？煽肯到y(tǒng)取1.2，過流II段時(shí)間按與下級(jí)設(shè)備過流II段時(shí)間配合整定，保持與下一級(jí)0.2 s 的時(shí)間級(jí)差，取0.4 s，出口跳進(jìn)線斷路器。確保保護(hù)的選擇性及靈敏性。

3 結(jié)論

通過更新配電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，將變壓器跌落保險(xiǎn)更換為帶保護(hù)的斷路器，輔助以適合的繼電保護(hù)整定值，經(jīng)過兩年的運(yùn)行調(diào)試，目前區(qū)域配電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)次短路故障，保護(hù)均正確動(dòng)作，未出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)、越級(jí)現(xiàn)象，基本實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)故障切除的自動(dòng)化。