潘英吉, 周和平

(1.國網(wǎng)吉林供電公司, 吉林 吉林 132001;2.吉林市電力設(shè)備安裝公司, 吉林 吉林 132002)

0 引 言

為提高供電可靠率,以架空線路為主的10 kV系統(tǒng)中性點一般采用不接地方式運行,即系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時,并不構(gòu)成短路,對地絕緣監(jiān)測保護僅用于報警提示。線路發(fā)生短路或過負荷時,線路有三段階梯電流主保護,依次為第Ⅰ段電流速斷保護,動作時間0 s;第Ⅱ段電流限時保護,延時動作時間0.5 s;第Ⅲ段過電流保護,延時動作時間1.0～1.5 s。在對線路空載變壓器合閘充電時,沿線各臺變壓器產(chǎn)生的勵磁涌流相互迭加,當達到電流保護整定值時,保護動作開關(guān)跳閘,造成合閘失敗。本文結(jié)合具體實例對比進行分析。

1 實例分析

1.1 合閘過程

城南一線10 kV公配線路T接52臺配電變壓器,總?cè)萘繛?3.8 MVA。供電方式如圖1所示,Sy為線路出口開關(guān),Sf1～Sf5為線路分支開關(guān)。

圖1 供電方式

在一次線路檢修工作結(jié)束后,合上線路出口開關(guān)Sy時,線路第Ⅲ段過電流保護動作開關(guān)跳閘。工作組巡視檢查線路,并未發(fā)現(xiàn)故障點。為查找問題原因,將線路分支開關(guān)(Sf1～Sf5)全部斷開,從電源側(cè)逐段線路進行送電,直至完成全部送電,并未發(fā)生運行異?，F(xiàn)象。這種類似情況,其他10 kV線路也曾發(fā)生過幾次,此外全線路合閘送電(分支開關(guān)在合閘位置)均一次成功。

1.2 勵磁涌流

依據(jù)電磁感應定律,正弦交流電壓u(t)施加在空載變壓器上時線圈兩端產(chǎn)生的感應電動勢為e(t)=-N(dΦ/dt),(其中N為一次側(cè)繞組匝數(shù),Φ為勵磁磁通),并與電源電壓相平衡,即u(t)=-e(t),其相位落后于電源電壓π弧度。設(shè)合閘時,電源電壓的表達式為[1]

u(t)=Umsin(ωt+θ)=i1(t)R1+N(dΦ/dt)

(1)

式中:Um——電壓峰值;

ω——角速度;

θ——合閘時的電壓初相角;

i1(t)——空載電流;

R1——一次側(cè)繞組電阻。

因一次側(cè)繞組電阻很小,暫忽略不計,式(1)簡化為

dΦ=(Um/N)sin(ωt+θ)dt

(2)

對式(2)積分,求解出磁通表達式為[2]

-Φmcos(ωt+θ)+Φmcosθ

(3)

電源在空載變壓器合閘充電時,電壓初相角θ值決定暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量的變化狀況?，F(xiàn)將兩種極端情況下的θ分別帶入式(3)中,分析勵磁磁通Φ(t)的變化過程。

(1) 當θ=π/2弧度時合閘,勵磁磁通為

Φ(t)=Φmsinωt

(4)

式(4)表明,θ=π/2弧度時合閘,勵磁磁通直接進入穩(wěn)態(tài)分量下運行,沒有暫態(tài)分量,此時變壓器的勵磁電流為空載電流,一般不超過額定電流的2%～10%。

(2) 當θ=0弧度時合閘,勵磁磁通為

Φ(t)=-Φmcosωt+Φm

(5)

從式(5)可以看出,勵磁磁通是由兩個分量所組成,第1個分量是時間的函數(shù),第2個分量是常量。關(guān)鍵問題是對變壓器空載合閘后,在t=π/ω(半個周波時間0.01 s)帶入到第1個分量中,勵磁磁通為Φ(t)=2Φm。變壓器設(shè)計的磁通密度正常在B-H曲線的拐點上,趨向于磁飽和狀態(tài),2倍的峰值磁通足以使變壓器鐵心處在深度飽和狀態(tài),激磁阻抗下降,勵磁電流急劇上升,空載電流變成勵磁涌流,一般為變壓器額定電流的5～8倍,經(jīng)沿線各臺變壓器勵磁涌流進行相互迭加,最后導致線路出口Ⅱ段或Ⅲ段電流保護動作開關(guān)跳閘[3]。

電源在空載變壓器任何時間合閘,產(chǎn)生的勵磁涌流均處在這兩種極端狀況范圍之內(nèi)。對于三相變壓器,各相電壓互為120°相位夾角,因此無論在何時合閘,總會有一相處在空載電流達到最大或接近最大勵磁涌流,由于變壓器繞組存在內(nèi)阻,勵磁涌流會由暫態(tài)分量逐漸衰減到正常運行時的穩(wěn)態(tài)分量。衰減時間常數(shù)為T=L/R,其中L為繞組電感,R為繞組內(nèi)阻。一般小容量變壓器合閘后約0.1 s就趨于穩(wěn)定狀態(tài),大容量變壓器將持續(xù)15 s左右[4],全線路迭加后的勵磁涌流衰減時間需更長一些,從故障錄波器的圖片上看,通常在1.5～2.0 s時間后勵磁涌流的幅值可衰減到50%及以下。

2 技術(shù)措施

目前,已有一些防止勵磁涌流的保護措施,如延長線路出口Ⅱ段和Ⅲ段電流保護的動作時間(以躲避勵磁涌流的峰值)、加裝電流保護器等。為減少沿線各臺變壓器勵磁涌流惡性迭加,采取逐段分支線路送電方式,來限制勵磁涌流的峰值。圖1中,城南一線共有5個線路分支開關(guān),選擇2個控制容量較大的分支開關(guān)Sf2和Sf5及電源開關(guān)Sy,實現(xiàn)三級送電方式?？紤]大容量變壓器暫態(tài)分量衰減的時間約為15 s,設(shè)定每級開關(guān)送電時間順延30 s,即第一級合閘時間為0 s,第二級合閘時間為30 s,第三級合閘時間為60 s。分級送電控制接線方式如圖2所示[5]。

圖2 分級送電控制接線方式

送電前分支開關(guān)Sf1、Sf3、Sf4處在合閘位置上。

電源控制開關(guān)Sy開始合閘時間為0 s,第一級送電容量為5.83 MVA,同時分支開關(guān)Sf2、Sf5通過本體變壓器T已檢測到電源電壓,見圖2。這時分支開關(guān)Sf2和Sf5的電壓繼電器VJ均開始動作,第二級分支開關(guān)Sf2延時30 s合閘,送電容量為4.21 MVA,在此基礎(chǔ)上,第三級分支開關(guān)Sf5順延30 s合閘,全線路送電結(jié)束,一切運行正常。

送電時按照三級送電方式進行,停電時電源控制開關(guān)Sy斷開,全線路停電,分支開關(guān)Sf1、Sf3、Sf4仍保持在合閘狀態(tài),分支開關(guān)Sf2、Sf5動作過程見圖2。因線路停電,電壓繼電器VJ失壓,常開接點瞬時打開,合閘線圈HQ失去自保持,Sf2和Sf5開關(guān)失壓脫扣跳閘。

3 結(jié) 語

通過三級自動送電方式,有效地限制勵磁涌流的惡性迭加。自線路改造完成后運行2年多時間里,線路經(jīng)過多次停送電,一直運行正常。對于單臺大容量變壓器送電,為抑制勵磁涌流峰值,降低涌流暫態(tài)分量衰減的時間常數(shù),使之盡快進入穩(wěn)定狀態(tài),在變電站出口開關(guān)上串接一個電阻,合閘送電完成后自動短接切除,運行效果較好。抑制變壓器勵磁涌流有多種方法,應根據(jù)實際運行情況,采取有效措施,提高電力系統(tǒng)安全運行的可靠性。