變低母線橋單相接地保護(hù)動(dòng)作行為分析及改進(jìn)

晉龍興，劉子俊，肖碩霜

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

目前，10 kV出線以電纜為主的城市配電網(wǎng)多采用小電阻接地方式。在經(jīng)小電阻接地的變電站內(nèi)，若主變變低母線橋發(fā)生金屬性單相接地故障，則接地點(diǎn)和接地變形成零序通路，且零序電流大小取決于接地變的小電阻。由于接地變的小電阻一般為十幾Ω，零序電流很小，主變差動(dòng)及后備保護(hù)可能無法動(dòng)作;若接地變保護(hù)動(dòng)作，將跳開變壓器低壓側(cè)開關(guān)并閉鎖10 kV備自投，進(jìn)而造成負(fù)荷損失。為避免負(fù)荷損失，必須要分析變低母線橋金屬性單相接地后保護(hù)的動(dòng)作行為，再提出改進(jìn)方法。

先分析變低母線橋發(fā)生金屬性單相接地故障后主變兩側(cè)的電流特點(diǎn)；再結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)際參數(shù)分析主變差動(dòng)保護(hù)、后備保護(hù)和接地變保護(hù)的動(dòng)作行為。分析結(jié)果表明：主變差動(dòng)及后備保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，但是接地變保護(hù)一定動(dòng)作。據(jù)此，對主變低后備保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)，增加低后備零序電流保護(hù)。該零序電流保護(hù)先于接地變保護(hù)跳開變壓器低壓側(cè)開關(guān)，且不閉鎖10 kV備自投，可有效避免負(fù)荷損失，保障電網(wǎng)可靠供電。

1 變低母線橋單相接地故障分析

以110 kV變電站1號主變變低母線橋發(fā)生金屬性A相接地故障為例進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1中K點(diǎn)發(fā)生A相接地故障時(shí)，歸算至10 kV側(cè)的正序、負(fù)序及零序等值網(wǎng)絡(luò)，如圖2，3，4所示。

圖1 變低母線橋單相接地示意

圖2 正序等值網(wǎng)絡(luò)

圖3 負(fù)序等值網(wǎng)絡(luò)

圖4 零序等值網(wǎng)絡(luò)

在圖2—4中，Z1，Z2，Z0分別為正序、負(fù)序及零序網(wǎng)絡(luò)的等值阻抗分別為故障點(diǎn)A相的正序、負(fù)序及零序電流；分別為故障點(diǎn)A相的正序、負(fù)序及零序電壓；為正序等值電動(dòng)勢。由于故障類型是單相接地故障，正序、負(fù)序及零序等值網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)構(gòu)成復(fù)合序網(wǎng)，其各序電流和短路電流之間的關(guān)系如式(1)，(2)所示。

目前，110 kV主變均采用YD11接線，若是正序電流，則高壓側(cè)電流滯后低壓側(cè)電流30°；若是負(fù)序電流，則高壓側(cè)電流超前低壓側(cè)電流30°。高壓側(cè)和低壓側(cè)正序、負(fù)序電流的相位關(guān)系如圖5所示。

圖5 高壓側(cè)和低壓側(cè)正負(fù)序電流相位關(guān)系

IC2分別為高壓側(cè)A，B，C相的正序、負(fù)序電流。

由圖2—4可知，流經(jīng)高壓側(cè)開關(guān)的故障電流只有正序電流和負(fù)序電流，故高壓側(cè)電流計(jì)算公式如式(3)所示。高壓側(cè)電流的向量如圖6所示。

圖6 高壓側(cè)電流向量

2 保護(hù)動(dòng)作行為分析

結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)際數(shù)據(jù)，分別詳細(xì)分析主變差動(dòng)保護(hù)、主變后備保護(hù)及接地變保護(hù)的動(dòng)作行為。

在實(shí)際電網(wǎng)中，Z1和Z2基本相等，且相對于Z0非常小，可忽略不計(jì)。例如，在深圳電網(wǎng)中任選1個(gè)110 kV變電站，其10 kV母線向系統(tǒng)方向看進(jìn)去的正序等值阻抗為0.3 Ω。Z0主要由接地變的中性點(diǎn)電阻決定。以深圳電網(wǎng)為例，接地變中性點(diǎn)電阻為16 Ω，即Z0約等于48 Ω。據(jù)此可得變低母線橋單相金屬性接地的零序電流，如式(5)所示。

2.1 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作行為分析

目前，主變高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)的電流互感器均采用星形接線，微機(jī)差動(dòng)保護(hù)通過軟件算法對各側(cè)電流進(jìn)行相位校正。以南瑞繼保RCS-9671差動(dòng)保護(hù)裝置為例，該裝置對高壓側(cè)電流進(jìn)行校正，如式(6)所示。

差動(dòng)電流為高壓側(cè)電流和低壓側(cè)電流的向量和，由式(7)+式(4)，結(jié)果如式(8)所示。

2.2 后備保護(hù)動(dòng)作行為分析

主變后備保護(hù)分為高后備保護(hù)和低后備保護(hù)，其動(dòng)作行為分析如下。

高后備保護(hù)配置有復(fù)壓過流保護(hù)和零序電流保護(hù)。變低母線橋單相接地時(shí)，高壓側(cè)無零序電流，即其零序電流保護(hù)一定不會(huì)動(dòng)作。根據(jù)《南方電網(wǎng)10 kV—110 kV系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算規(guī)程》，110 kV主變高壓側(cè)復(fù)壓過流保護(hù)最末段定值的計(jì)算公式可知，高壓側(cè)復(fù)壓過流保護(hù)最末段定值大于1.2倍額定電流。

同理，110 kV主變?nèi)萘咳?0 MW，高壓側(cè)額定電壓取110 kV，再結(jié)合式(5)和式(3)可知，高壓側(cè)復(fù)壓過流最末段保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，即高壓側(cè)復(fù)壓過流各段保護(hù)均不會(huì)動(dòng)作。

低后備保護(hù)只配置過流保護(hù)。根據(jù)《南方電網(wǎng)10 kV～110 kV系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算規(guī)程》，110 kV主變低壓側(cè)過流保護(hù)最末段定值大于1.2倍額定電流。同理可知，低后備各段電流保護(hù)也均不會(huì)動(dòng)作。

2.3 接地變保護(hù)動(dòng)作行為分析

接地變保護(hù)配置過流保護(hù)和零序電流保護(hù)。過流保護(hù)作為接地變內(nèi)部相間故障的主保護(hù)和后備保護(hù)，在變低母線橋發(fā)生單相接地故障時(shí)不會(huì)動(dòng)作。

根據(jù)《南方電網(wǎng)10 kV—110 kV系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算規(guī)程》，接地變零序電流最末段定值按照單相高阻接地故障有靈敏度且能可靠躲過線路的電容電流整定。在變低母線橋處發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，接地變零序電流保護(hù)能夠可靠動(dòng)作。

以深圳電網(wǎng)為例，接地變保護(hù)零序電流III定值是75 A(一次值)，接地變采集的零序電流為即360 A，故接地變零序電流III段保護(hù)將可靠動(dòng)作。

3 改進(jìn)方法

根據(jù)以上分析，在現(xiàn)有保護(hù)配置情況下，當(dāng)變低母線橋發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地變保護(hù)動(dòng)作將導(dǎo)致負(fù)荷損失。一般情況下，接地變均裝設(shè)在10 kV母線上。為避免負(fù)荷損失，可在主變低后備保護(hù)中增加零序電流保護(hù)，通過零序保護(hù)動(dòng)作切除故障且動(dòng)作后不閉鎖10 kV備自投。現(xiàn)從零序電流采集、動(dòng)作時(shí)間、出口3方面詳細(xì)分析低后備零序電流保護(hù)的配置。

(1) 零序電流采集。主變低壓側(cè)開關(guān)的額定電流顯著高于母線橋單相接地故障的零序電流。若直接利用變低三相電流的自產(chǎn)零序電流3I0構(gòu)成保護(hù)，在變低負(fù)荷不平衡時(shí)，極易誤動(dòng)。考慮到變低負(fù)荷電流不會(huì)突然變化，故采用自產(chǎn)零序電流突變量Δ3I0作為零序保護(hù)邏輯判別量。

由圖4可知，當(dāng)變低母線橋單相接地時(shí)，流過變壓器低壓側(cè)開關(guān)的零序電流和接地變的零序電流Ijdb0基本相同。

為進(jìn)一步保障可靠性，將接地變高壓側(cè)開關(guān)的零序電流Ijdb0采集到低后備保護(hù)裝置中，作為低后備的外接零序電流。Δ3I0必須同時(shí)滿足以下2個(gè)條件時(shí)，才允許動(dòng)作，如式(9)所示。

式(9)中，Iset0為低后備零序電流保護(hù)的整定值，可與接地變零序最末段定值取一樣；ε為一個(gè)非常小的值。

(2) 動(dòng)作時(shí)間。低后備零序電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間tset必須短于接地變首段零序電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間tjdb1，如式(10)所示。

式(10)中，Δt可取0.5—1 s。

(3) 保護(hù)出口。通過整定低后備保護(hù)裝置的出口矩陣，確保低后備零序電流保護(hù)動(dòng)作后只跳變壓器低壓側(cè)開關(guān)且不閉鎖10 kV備自投。

根據(jù)以上分析可知，該改進(jìn)方法只需修改低后備保護(hù)的部分程序，再增加幾根電纜，實(shí)現(xiàn)簡單且成本較低。

因此，通過在低后備保護(hù)中增加零序電流保護(hù)的方法經(jīng)濟(jì)易行，不僅能可靠切除變低母線橋單相接地故障，而且可有效避免10 kV負(fù)荷損失，對保障電網(wǎng)可靠供電具有重要意義。

參考文獻(xiàn):

1 馬 力，王建勛.小電阻接入城市配網(wǎng)方式影響分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32(4)：138-141.

2 干耀生，唐慶華，方 瓊，等.城市中壓配網(wǎng)中性點(diǎn)小電阻接地方式分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2013，25(3)：138-141.

3 劉明巖.配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選擇[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(16)：86-89.

4 李志平.10 kV小電阻接地系統(tǒng)的參數(shù)特點(diǎn)及其短路計(jì)算[J].廣東電力，1999，12(6)：10-13.

5 國家電力調(diào)度通信中心.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材[M].北京：中國電力出版社，2009.