一起20 kV線路故障的分析與對策

仇群輝， 徐建強， 周 垠， 顏 彥

（1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206；2.國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；3.國網浙江桐鄉市供電公司，浙江 桐鄉 314500；4.國網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策

仇群輝1，2， 徐建強3， 周 垠3， 顏 彥4

（1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206；2.國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；3.國網浙江桐鄉市供電公司，浙江 桐鄉 314500；4.國網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，引起同供區不同110 kV變電站母線電壓暫降，導致接入該變電站對電壓質量要求較高的用戶低壓設備跳閘的事件經過；詳細分析其原因，并對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；對策

110 kV變電站20 kV母線或20 kV出線發生故障，引起的上級220 kV變電站110 kV母線電壓暫降較10 kV系統嚴重，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，低壓系統的電壓等級決定了低壓故障引起上級母線電壓的暫降水平。目前產生的電壓暫降幅度值與系統運行方式、110 kV輸電線路參數、110/20 kV變壓器阻抗、20 kV線路參數及短路點有關。提高220 kV變電站110 kV母線以下回路的短路阻抗，可有效緩解上級變電站母線電壓暫降問題，但必須綜合考慮系統電能損耗增大、高阻變壓器成本提高、本級母線電壓暫降加劇等因素。

1 故障經過及分析

1.1 故障經過

某110 kV甲變電站1條20 kV甲線路過流Ⅱ段動作，重合失敗，故障報告顯示為A，B，C三相短路，二次短路電流44.61 A。與此同供區的另一座110 kV乙變電站有多家用戶反應有低壓變頻設備跳閘情況，調度自動化系統顯示乙變電站1號主變壓器突然甩負荷5 MW。

當時乙變電站并無20 kV線路故障，供區內低壓變頻設備無故障跳閘顯然是由于甲變電站20 kV甲線路故障引起系統電壓波動造成的。由于變頻設備對電壓波動的靈敏度比較高，因此對電壓質量的要求也較其他設備高出很多。以10 kV電壓等級供電時，10 kV線路故障會引起同母線非故障線路用戶的低壓變頻設備跳閘。而現在，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備跳閘。可見20 kV電壓等級線路相間故障，對本變電站甚至上一級變電站母線電壓造成的影響均大于10 kV電壓等級。

1.2 故障分析

故障發生時電網運行方式為：110 kV甲變電站2號主變壓器（100 MW）接于110 kVⅡ段母線，通過110 kV甲線路至220 kV變電站110 kV副母Ⅱ段運行；110 kV乙變電站1號主變壓器接于110 kVⅠ段母線，通過110 kV乙線路至220 kV變電站110 kV副母Ⅱ段運行。20 kV甲線路（導線截面240 mm2）接于甲變電站2號主變壓器低壓側，系統阻抗（標幺值）如圖1所示。

圖1 故障前電網運行接線及系統阻抗

20 kV甲線路事故巡線發現故障點在距甲變電站出口約2 km處，根據實際短路電流可推算出故障時220 kV變電站110 kV母線阻抗為0.080 97（標幺值）。在此運行方式下，對比110 kV甲變電站原10 kV供電時 （50 MW主變壓器，導線截面185 mm2）相同地點發生三相短路，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，導致20 kV線路三相短路對本母線及上級變電站110 kV母線電壓的影響遠大于10 kV系統。10 kV電壓等級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，三相短路時對本母線電壓會造成影響，但范圍較小，對上級母線電壓基本沒有影響，而20 kV線路三相短路時對本母線及上級母線的影響程度及范圍則大大增加。

2 對策及措施

由于線路發生故障的原因比較復雜，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，只有盡可能地降低線路發生故障的幾率，并通過在系統一次設備及二次保護上采取措施來減小故障時母線電壓波動的幅度。另一方面，電壓波動之所以危害很大，是因為很多用電設備（如用戶變頻器）對波動太敏感，因此降低用電設備對電壓波動的靈敏度，提高其抗擾動的能力，就可以減少用戶的損失。以下從根源上、系統一/二次設備以及用戶設備3個方面來分析減小電壓波動的對策。

2.1 從根源上可采取的措施

從根源上來說，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。通過對實際引起線路故障跳閘原因的統計分析可以得出，雷擊和鳥害是其主要根源。

2.1.1 導線絕緣化

與裸導線相比，架空絕緣導線由于多了一層絕緣層，絕緣性能比裸導線優越。絕緣導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。架空絕緣導線可降低線路引雷，即使有雷電，影響也會小得多[1]。因此，新建20 kV線路均要求采用絕緣導線。10 kV線路升壓改造時，考慮盡可能利用原導線的原則，僅對主干線要求必須按照絕緣線改造。但是絕緣導線與架空裸導線相比也有弊端：遭雷擊時，架空絕緣導線較架空裸導線更易發生斷線，因此更換成絕緣線時也要做好防雷措施，如安裝架空地線、防雷絕緣子、過電壓保護器、防雷金具等[2]。

2.1.2 線路設備的絕緣化處理

從對20 kV線路故障跳閘的分析可知，大部分故障是由于線路設備絕緣化不到位引起的。線路設備絕緣不到位時，極易引起鳥害發生。因此對于裸線，要求在絕緣子處安裝絕緣護套，引線采用絕緣線，對線路設備接頭處作絕緣包覆，部分無法絕緣包覆的設備必須調整安裝方式并安裝驅鳥器，以減輕鳥害影響。

2.2 系統側可采取的措施

2.2.1 調整系統運行方式

電壓暫降程度與系統運行方式直接相關，配置3臺主變壓器的220 kV變電站，需在正常運行方式上進行調整：將接有電壓暫降敏感用戶的110 kV變電站接在2臺主變壓器并列運行的110 kV母線上，而將接有對母線壓降不敏感用戶的110 kV變電站接在單臺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，導致20 kV線路短路對上級變電站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，實際應用必須綜合考慮上述因素。通過理論計算，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，上級110 kV母線電壓暫降控制在15%額定線電壓以內的要求。

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，限制系統的短路電流，降低短路電流對系統的沖擊，同時提高系統的殘壓[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串聯限流電抗器，此接線方式占地面積小，工程量相對較小，比較容易實現，但對本母線殘壓影響更為嚴重；另一種是在20 kV饋線的出線側裝設出線限流電抗器，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、系統運行方式、繼電保護整定等各方面因素。

2.2.4 加速單相接地保護跳閘

通過對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的，演變時間在0．1～0．4 s，現在零序Ⅰ段的動作時間為0．5 s，來不及動作即轉變為三相短路。如果把零序Ⅰ段動作時限控制在0．2～0．3 s，則可減少這種轉換性故障的發生，但必須注意與下級保護級差的配合[4]。

2.3 用戶側可采取的措施

2.3.1 提高用電設備抗電壓波動能力

電壓波動對不同用戶造成的危害程度與其用電設備對電壓波動的敏感度有關。因此，用戶可在設備訂貨合同上向制造商明確相關的技術要求，使設備具備一定的抗電壓波動能力；或通過調整內部某些環節參數來解決。

2.3.2 加裝補償裝置

一般用戶可采用穩壓變壓器、電磁合成器等較便宜的設備，減少電壓波動造成的停產事故。由于用戶在承受多次電壓波動的同時，還要承受為數相對較少的斷電事故，因此對供電電壓波動敏感的用戶可采用UPS（不間斷電源系統）等靈敏、快速的電壓波動補償裝置。

2.3.3 防低壓斷路器脫扣裝置誤動

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

3 結語

嘉興供電公司在20 kV改造過程中，根據實際情況采取了提高線路絕緣化率、適當提高主變壓器短路阻抗、對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線路相間故障對系統電壓的影響，使20 kV配電網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踐[M]．北京：中國電力出版社，2009．

[2]DL/T 620－1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S]．北京：中國標準出版社，1997．

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

[4]DL/T 584－2007 3kV～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程[S]．北京：中國標準出版社,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，高級工程師，從事繼電保護管理工作。