一起10kV母線電壓波動引發(fā)配網(wǎng)臺區(qū)停電故障原因分析

郭 亮，李升健，安 義，鄧才波，朱志杰

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司，江西 南昌 330077）

0 引言

變電站的10 kV母線往往連接有多條10 kV出線線路，線路發(fā)生故障時(shí)，線路保護(hù)裝置啟動出口動作切除故障，故障從發(fā)生到被切除的過程中，不同程度地影響母線電壓并產(chǎn)生電壓波動。這個電壓波動根據(jù)其波動范圍大小，或多或少對同一母線的其他出線產(chǎn)生影響，有些會導(dǎo)致線路跳閘，有些會導(dǎo)致線路部分區(qū)域停電。

本文針對一起具體配網(wǎng)線路故障引發(fā)的10 kV母線電壓波動，進(jìn)而引發(fā)部分供電用戶停電的故障進(jìn)行詳細(xì)分析，最終找到線路跳閘原因。

1 故障情況描述

據(jù)運(yùn)維人員反應(yīng)，2017年7月8日凌晨3:34分左右，某110 kV變電站兩條同桿架設(shè)的10 kV線路，10 kV新城II線、10 kV新沂線同時(shí)跳閘，重合閘失敗（后在線路上找到故障點(diǎn)，線路確實(shí)發(fā)生了故障）；與此同時(shí)，運(yùn)維人員所在的運(yùn)維部門大樓及附近居民樓由10 kV新城III線供電，當(dāng)時(shí)也發(fā)生了停電，運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)新城III線也同時(shí)跳閘了。后經(jīng)調(diào)查，10 kV新城II線和10 kV新沂線為兩條同桿架設(shè)線路，因同類型故障發(fā)生同時(shí)跳閘，是符合邏輯的。

另據(jù)運(yùn)維人員反應(yīng)，2017年6月30日也發(fā)生了類似的情況。當(dāng)天15:03分左右，10 kV新城II線發(fā)生跳閘，故障原因系該線路的15號桿上的水泥廠支線的電纜發(fā)生相間短路引起。而與此同時(shí)，運(yùn)維人員所在的縣公司大樓及附近居民樓也發(fā)生停電。運(yùn)維人員判斷為10 kV新城III線同時(shí)跳閘。

三條線路均接于某110 kV變電站的10 kV母線上，如圖1所示。

圖1 某110 kV變電站10 kV母線出線示意圖

以上兩次停電事件，由于運(yùn)維人員巡線時(shí)發(fā)現(xiàn)臺區(qū)配變有電，也未發(fā)現(xiàn)新城III線的故障點(diǎn)，故判斷10 kV新城III線跳閘后自動重合閘成功，因此對低壓側(cè)斷路器合閘恢復(fù)了大樓及附近小區(qū)的供電。

2 故障現(xiàn)場調(diào)研及原因分析

2.1 線路故障信息

為了找到10 kV新城III線不明原因跳閘的原因，首先在110 kV某變電站的10 kV高壓開關(guān)柜室，對保護(hù)裝置的記錄的信息進(jìn)行調(diào)取，各保護(hù)裝置均接入了對時(shí)系統(tǒng)且對時(shí)準(zhǔn)確，通過保護(hù)裝置可查詢3條線路在2017年7月8日當(dāng)天的故障信息。

但10 kV新城III線在當(dāng)天沒有任何故障信息，故障查詢的具體情況如表1所示。再調(diào)取三條線路的保護(hù)定值及CT變比和導(dǎo)線型號等相關(guān)信息，如表2所示。

表1 各線路跳閘信息

表2 各線路的保護(hù)定值

從以上信息顯示各保護(hù)動作正確，保護(hù)裝置未發(fā)生誤動或拒動。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)10 kV新城III線的變電站出線開關(guān)7月8日無故障跳閘信息，并未發(fā)生運(yùn)維人員誤以為的不明原因跳閘而后重合閘。因此可以確定變電站開關(guān)當(dāng)天未發(fā)生跳閘。

由于新城III線3號桿上設(shè)有智能開關(guān)，該開關(guān)也有可能發(fā)生跳閘，因此查看3號桿該開關(guān)的跳閘信息。與北京時(shí)間核對，發(fā)現(xiàn)該開關(guān)對時(shí)準(zhǔn)確，且在7月8日也無跳閘信息，最近一次跳閘在2017年6月3日，如圖2。

沿導(dǎo)線供電路徑巡線至停電小區(qū)所在配變，發(fā)現(xiàn)反映停電的小區(qū)與5號桿智能開關(guān)之間的10 kV保護(hù)只有配變前端的熔斷器，而該熔斷器運(yùn)行良好，未發(fā)生熔斷。

圖2 10 kV新城III線5號桿柱上開關(guān)保護(hù)裝置信息

再往后側(cè)，停電小區(qū)均由同一個低壓400V斷路器供電。該斷路器型號為DW 15-630型萬能式斷路器，額定電流為630 A，其銘牌如圖3。

圖3 10 kV新城III線停電小區(qū)的低壓斷路器銘牌

結(jié)合當(dāng)時(shí)運(yùn)維人員恢復(fù)送電時(shí)對該斷路器進(jìn)行了合閘，因此很大可能是該斷路器發(fā)生了跳閘，但低壓斷路器沒有控制器，沒有跳閘記錄。不能肯定是不是發(fā)生了跳閘。

由于低壓斷路器供電后側(cè)的線路和負(fù)荷未發(fā)現(xiàn)任何故障，而且供電安全穩(wěn)定進(jìn)行，不可能是過流引起該斷路器跳閘。

查看該萬能式斷路器的說明書和設(shè)置，發(fā)現(xiàn)該斷路器具有低壓保護(hù)功能，且設(shè)置了無延時(shí)的瞬時(shí)低壓保護(hù)；后經(jīng)了解，該小區(qū)以前有電動機(jī)負(fù)荷運(yùn)行，為了保護(hù)電動機(jī)不受電壓過低引起設(shè)備損壞，因此當(dāng)時(shí)啟用了斷路器的低壓保護(hù)，該小區(qū)的電動機(jī)早已退出運(yùn)行，而低壓保護(hù)未相應(yīng)退出。

因此有可能是低壓保護(hù)在其他線路故障時(shí)發(fā)生了動作引起斷路器跳閘，為了驗(yàn)證此種猜測，需要對故障進(jìn)行計(jì)算分析來加以論證。

2.2 由故障電流求算故障電壓

查看該型號的說明書，該無延時(shí)低壓保護(hù)由瞬時(shí)欠壓脫扣器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)?shù)蛪耗妇€電壓低于70%額定電壓（即配變低壓側(cè)額定電壓400 V）時(shí)，脫扣器會瞬時(shí)脫扣將斷路器斷開[1]。為了確定其他線路故障時(shí)低壓母線電壓是否低于額定電壓的70%，需根據(jù)短路信息進(jìn)行簡要計(jì)算如下。

故障時(shí)，10 kV線路由110 kV某變電站容量較小的2號主變供電，可認(rèn)為運(yùn)行方式為最小方式，查詢該變電站10 kV母線的最小方式下的系統(tǒng)阻抗為1.046 1（標(biāo)幺值）。在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)一定的情況下，短路越嚴(yán)重即短路電流越大，母線電壓會越小[2-3]。為了估計(jì)斷路時(shí)母線電壓的下降情況，需考慮最樂觀情況，因此以10 kV新城II線短路電流較小的C相的29.3 A（3 516 A）計(jì)算，該線路型號為LGJ-120，單位長度阻抗為0.29+j0.35（Ω/km）。

假設(shè)為金屬性短路，短路點(diǎn)距離變電站為l，因此短路點(diǎn)的總阻抗Z總為：

式中：Uφ為非故障相相電壓，V；IC為C相故障電流，A。根據(jù)江西電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，110 kV變電站的系統(tǒng)阻抗角大都位于85°至90°之間系統(tǒng)阻抗角，取系統(tǒng)阻抗角88°，則可求得系統(tǒng)阻抗Z0為：

式中：l為故障點(diǎn)距離變電站的導(dǎo)線長度，km。聯(lián)立式（1）、式（2）解得：

l=1.45（km）

得母線與故障點(diǎn)間的導(dǎo)線阻抗ZL為：

式中：UN為10 kV母線額定電壓即10 500 V；計(jì)算結(jié)果表明，此次故障發(fā)生時(shí)10 kV母線電壓至少降低到額定電壓的38%左右，與10 kV母線相連的新城III線整條線路包括萬能式斷路器同時(shí)能感受到電壓的降低，即電壓同樣降低到額定值的38%＜70%，遠(yuǎn)低于低電壓保護(hù)動作值，因此斷路器會瞬時(shí)動作跳開斷路器，引起小區(qū)用戶停電。

綜上，此次10 kV新城III線在其他兩條線路跳閘時(shí)并未發(fā)生同時(shí)跳閘，事實(shí)上10 kV線路并未停電，而是停電小區(qū)的400 V供電斷路器感受到電壓暫降致使瞬時(shí)低壓保護(hù)動作引發(fā)停電。

2.3 低壓保護(hù)動作過程分析

為了更清楚地說明此次故障的過程，需要對故障時(shí)序進(jìn)行進(jìn)一步分析。此次故障的母線電壓波動是由其他兩條線路故障引發(fā)的，故障發(fā)生后不久即被過流I段切除，電壓又恢復(fù)正常，故障從發(fā)生到切除的時(shí)間包括保護(hù)反應(yīng)時(shí)間和保護(hù)出口后開關(guān)跳開時(shí)間兩部分。如圖4所示，故障在t1時(shí)刻發(fā)生引發(fā)保護(hù)啟動，經(jīng)過t2-t1時(shí)間，保護(hù)動作出口，驅(qū)動開關(guān)傳動機(jī)構(gòu)，至t3時(shí)刻，開關(guān)斷開。其中t2-t1約20 ms，t3-t2約50 ms，因此，t3-t1約70 ms。

圖4 故障動作示意圖

因此故障維持了約70 ms的時(shí)間，在這個時(shí)間內(nèi)，故障引起的母線電壓也持續(xù)了約70 ms的時(shí)間。

該型萬能斷路器，內(nèi)部設(shè)置了電磁脫扣器，欠電壓脫扣器是電磁一體化的機(jī)構(gòu)，主要包括控制電路和電磁系統(tǒng)兩大部分。其中，電磁系統(tǒng)由勵磁線圈、鐵芯（靜鐵芯和動鐵芯）、磁軛支持板和反作用力彈簧等組成。當(dāng)線路電壓為（85%～110%）UN時(shí)，銜鐵被吸合，斷路器處于合閘運(yùn)行狀態(tài)；而當(dāng)線路電壓降低到小于70%UN時(shí)，欠電壓脫扣器的電磁吸力小于其反作用力，銜鐵打開，脫扣桿撞擊斷路器的脫扣板或破壞四連桿機(jī)構(gòu)的平衡，使之?dāng)嚅_。在故障發(fā)生并切除過程中的70 ms的時(shí)間內(nèi)，斷路器低壓保護(hù)動作并斷開，引發(fā)了用戶的停電。

3 改進(jìn)措施建議

3.1 退出低壓保護(hù)

本故障例中的低壓保護(hù)可以退出。

根據(jù)以上分析，此次新城III線同時(shí)跳閘故障，系配變低壓側(cè)的400 V斷路器低壓保護(hù)動作引發(fā)部分用戶停電。由于該低壓保護(hù)所保護(hù)的電動機(jī)已退出運(yùn)行了，因此建議將該低壓保護(hù)設(shè)置為退出。

而對于普遍存在的含有大量對電壓波動敏感的電動機(jī)或變頻器負(fù)荷的臺區(qū)及其斷路器，通常需要配置低壓保護(hù)，以避免長時(shí)間電壓偏低導(dǎo)致負(fù)荷設(shè)備損壞。從前述分析可知，故障引起的電壓暫降時(shí)間與保護(hù)延時(shí)、保護(hù)動作時(shí)間等有關(guān)，因此若能使萬能斷路器低壓保護(hù)的延時(shí)時(shí)間大于故障處理時(shí)間即故障電壓暫降時(shí)間，則可避免低壓斷路器跳閘的發(fā)生。

但另一方面，低壓保護(hù)延時(shí)時(shí)間又不能任意設(shè)置，因?yàn)樨?fù)荷承受的欠壓過程越長，那么負(fù)荷損壞的可能性越大。因此在避免低壓保護(hù)誤跳閘的前提下，需要在遇到電壓崩潰時(shí)低壓斷路器低壓保護(hù)盡快動作，即要求低壓保護(hù)的延時(shí)時(shí)間最短。

3.2 斷路器低壓保護(hù)延時(shí)與線路保護(hù)延時(shí)時(shí)間的配合

為了使低壓斷路器在配網(wǎng)線路故障時(shí)不誤動，且在真正電壓崩潰時(shí)的低電壓時(shí)能盡快動作。必須確保低壓斷路器能避開10 kV母線任一配網(wǎng)線路的保護(hù)動作時(shí)引發(fā)的母線低電壓。由于配網(wǎng)線路的保護(hù)裝置設(shè)置有兩段或三段保護(hù)，三段跳閘時(shí)間不一樣，對于可能觸發(fā)低電壓保護(hù)動作對應(yīng)的電流定值，則可通過相應(yīng)的延時(shí)避開；對于電流定值較小，且動作時(shí)不會觸發(fā)低電壓保護(hù)動作，則無需采取延時(shí)。現(xiàn)具體說明。

低壓斷路器配置的低電壓保護(hù)的動作電壓為，需要考察10 kV母線所有出線中，各段保護(hù)的電流定值對應(yīng)的母線壓降與低電壓保護(hù)動作電壓的比較情況。本故障所在10 kV母線的所有出線均配置了兩段式保護(hù)：過流I段2 400 A/0 s；過流II段600 A/0.5 s。

首先分析最長時(shí)間的電流定值即過流II段，其電流定值為600 A，時(shí)間定值為0.5 s。過流II段定值對應(yīng)的最大壓降，由于過流II段動作的最大故障電流可接近于過流I段，即2 400 A。為了能有效避免誤動作，需要計(jì)算最極端情況下的結(jié)果，即2 400 A的故障電流能引發(fā)的最低母線電壓。

由于配網(wǎng)線路短路容量相對于主網(wǎng)短路而言非常小，因此可以忽略短路故障時(shí)電源的暫態(tài)波動，可認(rèn)為電網(wǎng)電源為無窮大電源。在同樣的條件下，故障電流一定時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在最小方式下時(shí)，10 kV母線上的壓降達(dá)到最大。在此基礎(chǔ)上，再分析三相短路時(shí)的母線電壓達(dá)到最小的條件，圖5為故障時(shí)電壓向量示意圖。

圖5 電壓向量圖

圖中：U·N為額定電壓向量，U·MX為母線電壓向量，·為電壓降向量，角度j為電壓降向量與額定電壓向UJ量U·N的夾角，角度q為故障電流向量落后于額定電壓向量的角度，角度d為電壓降向量U·J與其電抗分量的夾角，即：

式中：X0為系統(tǒng)阻抗的電抗分量，Ω；R0為系統(tǒng)阻抗的電阻分量，Ω。由圖5可知，故障時(shí)各電壓降UJ對應(yīng)的10 kV母線處的電壓UMX為：

電壓降UJ是與電流定值相等的故障電流在系統(tǒng)阻抗上引起的電壓降，三相短路時(shí)：

式中：Z0為系統(tǒng)阻抗有名值的幅值，Ω；IK為故障電流值，A。

顯然，在故障電流IK的大小等于電流定值Id的情況下，電壓降UJ大小是一定的，而電壓降向量與額定電壓向量的夾角j是可能變化的，由式（3）可知，當(dāng)角j為最小時(shí)，母線處電壓UMX為最小。同時(shí)由圖5可知，角度j、角度q及角度d之和為90。，即：

式中：X0為10 kV母線處系統(tǒng)阻抗的電抗分量，Ω；R0為母線處系統(tǒng)阻抗的電阻分量，Ω；Xl為故障點(diǎn)與變電站間導(dǎo)線阻抗的電抗分量，Ω；Rl為故障點(diǎn)與變電站間導(dǎo)線阻抗的電阻分量，Ω；RG為故障點(diǎn)的過渡電阻，Ω。

式（5）表明，角j的大小與系統(tǒng)阻抗、線路阻抗及過渡電阻RG密切相關(guān)，對于某一線路在某處發(fā)生的故障而言，系統(tǒng)阻抗和線路阻抗是固定的，唯一可能變化的是過渡電阻，由式（5）可知，當(dāng)RG=0時(shí)，角達(dá)到最小值：

由于系統(tǒng)阻抗X0>>R0，而導(dǎo)線阻抗的電抗電阻比由線路類型決定，當(dāng)線路類型為電抗與電阻比最大時(shí)，式（6）最小。由于10 kV母線的出線中，10 kV新沂線的線徑為LGJ-240，單位長度電抗xl與電阻rl之比最大[4]。

由以上分析可知，要確定低電壓保護(hù)延時(shí)時(shí)間，需將新沂線發(fā)生金屬性三相短路時(shí)的母線電壓與低壓斷路器低電壓保護(hù)的動作定值做比較。

設(shè)電流等于速斷定值的三相金屬性短路點(diǎn)距離變電站導(dǎo)線長度為l，則該短路點(diǎn)的總阻抗為：

式中：Uφ為非故障相相電壓，V；Id為線路速斷保護(hù)定值，A。新沂線所在母線系統(tǒng)阻抗如前所述為：

Z0=0.0403+j1.1526（Ω）

因此

聯(lián)立式（7）、式（8）解得：

l=5.386（km）

得母線與三相金屬性故障點(diǎn)間的導(dǎo)線阻抗為：

過流II段動作時(shí)可能引發(fā)的母線處的最低電壓為母線額定電壓的0.78倍，大于低壓斷路器的低電壓保護(hù)定值，因此不會引發(fā)低電壓保護(hù)誤動作。因此低電壓保護(hù)延時(shí)時(shí)間可以不避開過流II段的時(shí)間定值，而只需避開過流I段時(shí)間定值，而過流I段時(shí)間為0 s，保護(hù)動作加上開關(guān)跳開需要約70 ms的時(shí)間，低電壓保護(hù)只需延時(shí)0.1 s即可避開。

因此本次故障所涉電網(wǎng)片區(qū)的所有低壓斷路器的低電壓保護(hù)延時(shí)0.1 s即可避開配網(wǎng)線路故障后保護(hù)動作引發(fā)的跳閘。

4 結(jié)語

本文對一起低壓小區(qū)停電故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，找到其原因系配網(wǎng)線路故障時(shí)的母線電壓波動導(dǎo)致低壓斷路器跳閘引起。提出了退出低電壓保護(hù)和低電壓保護(hù)延時(shí)兩種改進(jìn)方案。并對低電壓保護(hù)延時(shí)時(shí)間的有效性進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，找到了確定最佳延時(shí)時(shí)間的方法。本故障暴露的問題在配網(wǎng)中具有一定的普遍性，本文提出的查找故障方法及改進(jìn)低壓斷路器設(shè)置的方法，對于減少或避免類似停電、提升配網(wǎng)專業(yè)運(yùn)維水平具有重要參考意義。

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