10 kV開關站保護動作分析與研究

任銳煥，袁 輝，鄧 飛，石建超

(國網上海市電力公司嘉定供電公司，上海 201800)

配電網是連接變電與用戶的中間環節，開關站是配電網的重要供能設施[1]，負責將10 kV及以上電壓等級的電能通過配電站或者環網柜等供給用戶。開關站內主要設備為封閉式開關柜，其內設備主要有斷路器、隔離開關、繼電保護裝置、電流互感器、接地開關等。電流互感器的飽和特性曲線對保護裝置能否精準動作起著至關重要的作用，而保護裝置的正常運行與正確動作與否則與用戶的安全可靠用電緊密相關。

1 線路整定參數

陳寶開關站上級電源是一座110 kV變電站，主要有110 kV和10 kV 2個電壓等級，該站饋線科3陳寶乙向下級陳寶開關站供電，經10 kV架空線路接入陳寶開關站，科3陳寶乙線路保護配置參數見表1，陳寶開關站10 kV出線陳2頂甄食品線路保護配置參數見表2。

表1 科3陳寶乙線路整定值

表2 陳2頂甄食品線路整定值

2 電流互感器特性分析

線路保護電流互感器簡稱流變，是將一次大電流轉換為二次小電流供保護裝置采集、計算的重要手段，在投入運行前應進行絕緣耐壓試驗和伏安特性試驗等。

電流互感器應按線路二次負載大小及系統可能出現的最大短路電流進行10%誤差校驗，在短路電流最大時電流互感器的變比誤差應在10%內，且二次回路的最大允許阻抗ZYmax應大于該回路的實際二次負載阻抗ZL[2]。電流互感器等值電路和參數如圖1所示，R2為繞組內阻；Z2為繞組漏抗。電流互感器的內部電動勢見式(1)，允許的總負載見式(2)，允許的二次負載見式(3)。

圖1 電流互感器等值電路和參數

E0=U0-I0Z2

(1)

Z2+ZY=E0/9I0

(2)

Z2=(E0/9I0)-ZY

(3)

3 保護動作分析與研究

3.1 故障經過

2021年3月15日，華東地區某110 kV變電站出線科3陳寶乙前加速動作跳閘，重合閘重合成功，而后過流反時限動作跳閘，幾乎同時下級站陳寶開關站出線陳2頂甄食品反時限動作跳閘，2.5 s后分段開關合閘，自切成功。

3.2 保護動作分析

故障發生后，工區繼電保護工作人員通過調閱陳寶開關站陳2頂甄食品線路開關柜現場安裝的ABB廠家生產的SPAA341C2保護裝置動作記錄發現，陳2頂甄食品線路故障電流約為4200 A，而科3陳寶乙前加速動作電流約為3000 A，重合閘成功后過流保護再次動作，此時故障電流在5000 A左右。

現場工作人員使用儀器對該SPAA341C2保護裝置進行校驗，結果表明，保護裝置動作性能良好，排除裝置故障導致保護誤動的可能。工作人員根據式(4)過流反時限動作特性(常規反時限)[3]計算出短路電流在5000 A時，陳2頂甄食品過流反時限動作時間為0.2478 s，科3陳寶乙的反時限動作時間為0.6671 s。而陳寶開關站陳2頂甄食品現場故障電流為4200 A，經計算過流動作時間應為0.2649 s。上下級保護裝置滿足0.3 s的要求，故整定計算無誤。

陳寶開關站發生線路短路故障后，由于短路電流過大，上級站科3陳寶乙后備保護優先動作，前加速跳閘，重合閘重合于永久性故障，過流反時限再次動作跳開開關，同時陳2頂甄食品過流反時限動作跳開故障線路開關，故障點被隔離。陳寶開關站一路進線失電，2.5 s后分段開關合閘，自切成功。但是，陳2頂甄食品不應在上級站過流反時限動作同時發生跳閘，不滿足速斷性的要求，初步判斷是短路電流過大，陳2頂甄食品倉位電流互感器鐵芯飽和，不滿足流變10%的誤差要求，導致保護裝置采樣電流值畸變偏小造成開關延時跳閘。

3.3 試驗數據研究

陳寶開關站陳2頂甄食品線路開關柜安裝的電流互感器型號為LZZBJ9-12b2，變比為200/5，容量為15 VA，繼電保護工作人員使用AD213Z全自動伏安試驗儀對備用倉位的同型號同變比同容量的電流互感器進行試驗，試驗數據見表3，使用保珈瑪SVERKER750單相繼電保護測試儀對保護A、B、C三相回路分別通入5 A的試驗電流，用萬用表測量儀器端口輸出電壓，相關數據見表4。

表3 陳5備用流變伏安特性試驗數據

表4 電流互感器二次負載阻抗

由表4中的數據經過計算處理后可得電流互感器的二次負載為0.073 Ω。用萬用表測量流變二次側A、B、C三相內阻皆為0.2 Ω(不含萬用表內阻)，根據式(5)可得，電流互感器繞組漏抗Z2為0.6 Ω(根據流變型號，本次計算系數取3)。

Z2=(1～3)R2

(5)

將表3、表4中的數據進行分析處理后，得到電流互感器在不同短路電流倍數下的二次允許負載，詳見表5。再根據表5中的數據擬合得到10%誤差時，ZYmax與不同短路電流倍數m的函數曲線，即ZYmax=f(m)，見圖2。不同短路電流倍數時，根據圖2可以查出不同的最大允許負載阻抗。

表5 電流互感器10%誤差曲線的測量與計算

圖2 電流互感器10%誤差曲線

當短路負荷電流為5000 A時，其二次負載為0.073 Ω，大于電流互感器的最大允許負載阻抗為0.029 Ω，故電流互感器呈現為飽和狀態，導致保護裝置延時動作。

4 結論

陳寶開關站發生永久性故障，上級站前加速保護動作跳閘后，重合閘裝置動作，使線路重合于故障，短路電流變大，導致陳寶開關站陳2頂甄食品倉位流變飽和，保護裝置無法快速準確切除故障回路，而與上級站過流反時限同時動作。陳寶開關站失去一路進線后，另一路進線通過分段開關給整站供電。

電流互感器鐵芯飽和，將會引起互感器二次側電流發生畸變[4]，從而使二次側電流無法準確反映一次側電流的信息，導致繼電保護裝置無法快速準確動作，切除故障回路，可能導致陳2頂甄食品線路開關無法跳閘，陳寶開關站自切合于故障母線造成半個站失電，擴大事故范圍。

電網運行應堅決杜絕此類安全隱患，采取相應措施防止電流互感器飽和[5]，主要方法有以下幾種：限制一次側短路電流的大小；增大電流互感器的變比；減小互感器二次側負載；采用鐵芯開氣隙的電流互感器。

各供電公司可根據實際需求，采取相應措施，防止電流互感器飽和導致的故障范圍擴大。