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        簡易變電站的10kV線路保護越級跳閘故障分析

        2021-04-24 07:59:36
        電氣技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:定值斷路器短路

        蒲 軍

        (中石化西北油田分公司,新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841600)

        0 引言

        簡易變電站具有投資低和建設(shè)周期短的特性,建設(shè)成本只有正規(guī)變電站的2/5。塔北變電站建設(shè)初,綜合考慮該地區(qū)的油藏規(guī)模、投入產(chǎn)出比,建設(shè)為簡易變電站,如圖1 所示。簡易變電站體現(xiàn)在設(shè)備安裝在電線桿上、設(shè)備技術(shù)規(guī)格低和系統(tǒng)無冗余等方面。

        簡易變電站投運前,按照GB 1984—2003《高壓交流斷路器》[1]、GB/T 14258—2006《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》[2]和DL/T 596—2005《電力設(shè)備預防性試驗規(guī)程》[3]的規(guī)范要求對柱上斷路器、電流互感器和涌流控制器進行驗收試驗,試驗雖然能夠查出設(shè)備本體的質(zhì)量問題,但在實際運行中還是發(fā)生多次10kV 線路保護越級跳主變斷路器的故障,主要原因是系統(tǒng)故障條件下保護動作由綜合因素決定,即由故障電流、保護定值、互感器、涌流控制器、斷路器的脫扣器、操動機構(gòu)、滅弧室動靜觸頭等共同協(xié)調(diào)完成[4-6]。本文對該現(xiàn)象進行分析。

        圖1 塔北變電站

        1 塔北變電站簡介

        塔北變電站的上級輸電線路為35kV 索北線,站內(nèi)有1 臺35kV/10kV 的變壓器,1 臺10kV 進線斷路器,4 臺10kV 出線斷路器,10kV 斷路器均采用柱上斷路器。柱上斷路器自帶涌流控制器實現(xiàn)電流保護,用配網(wǎng)自動化終端采集電流、電壓和遙信量,并實現(xiàn)遠傳調(diào)度后臺。站用交流、直流系統(tǒng)和蓄電池組集成于一面屏。

        塔北變電站10kV 線路的干線導線為LGJ—120鋼芯鋁絞線,分支導線為LGJ—50 鋼芯鋁絞線。供電負荷有2 個計轉(zhuǎn)站、4 個集氣站、67 口單井。塔北變電站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

        圖2 塔北變電站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

        2 越級跳閘故障

        塔北變電站多次發(fā)生10kV 配電線路短路故障,線路斷路器未動作,進線1001 斷路器越級動作,從而導致全站4 條線路全部失電,如:

        1)2019 年7 月31 日06:15,TB-6S 線路A、C相發(fā)生短路故障,短路電流550A,越級跳進線1001斷路器。故障原因為農(nóng)用戶使用植保無人機在TB-6S-195#-196#桿附近打藥時掛線,造成A、C 相短路。

        2)2020 年6 月17 日22:24,TB-7S 線路A、C相發(fā)生短路故障,短路電流600A,越級跳進線1001斷路器。故障原因為農(nóng)用戶駕駛挖掘機在TB-7S 支S110 1-014#桿附近挖甘草,將地邊桿基防風拉線挖斷,防風拉線彈起觸碰A、C 相導線,造成A、C相短路。

        塔北變電站保護定值單見表1。以上兩次相間短路,故障錄波器記錄的短路電流分別為550A 和600A,根據(jù)保護定值,線路電流速斷保護啟動,進線1001 斷路器的電流延時保護同時啟動,由于線路電流速斷保護無延時,應該先動作,實際情況為進線1001 斷路器先動作。

        表1 塔北變電站保護定值單

        3 故障原因分析

        3.1 線路故障跳閘原理

        當電力線路短路時,產(chǎn)生短路電流。電流互感器將大電流變?yōu)樾‰娏鞑⑤斎胗苛骺刂破鳌S苛骺刂破髋袛嚯娏魇欠襁_到保護定值,滿足條件閉合跳閘節(jié)點。直流電源給跳閘線圈供電,驅(qū)動開關(guān)跳閘。線路故障跳閘原理如圖3 所示。

        圖3 線路故障跳閘原理

        根據(jù)跳閘原理圖,越級跳閘原因可能為短路電流同保護定值單和開關(guān)開斷容量不匹配、電流互感器飽和、柱上斷路器拒動(拒動原因有斷路器機械機構(gòu)卡澀和操作回路故障)、操作電源故障、涌流控制器失靈或性能不達標。

        故障發(fā)生后,技術(shù)檢修班通過現(xiàn)場檢查、電氣試驗等方式對以上幾種可能性進行了排查,在排查了前4 項可能性后,將越級故障原因定位在第5 項,涌流控制器失靈或性能不達標。下面詳細介紹故障排查過程。

        3.2 短路電流計算

        通過計算短路電流,對斷路器的開斷能力、電流互感器選型和保護定值配置進行校驗。

        塔北變電站10kV 系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng),當發(fā)生單相接地故障時,斷路器不跳閘,根據(jù)國家標準可以運行2h。當發(fā)生兩相短路、兩相接地短路和三相短路時,斷路器保護動作。

        1)最大短路電流計算

        由于是同一電壓等級,采用有名值計算,需要算母線、線路的阻抗值。母線阻抗值通過查閱《塔河油田母線等值阻抗表》得到,主線路使用LGJ—120 線,阻抗值為0.27+j0.347Ω/km=|0.44|Ω/km;分支線路使用LGJ—50 線,阻抗值為0.63+j0.363Ω/km=|0.73|Ω/km。塔北變電站系統(tǒng)阻抗等效圖如圖4 所示。

        圖4 塔北變電站系統(tǒng)阻抗等效圖

        靠近母線處的線路三相短路電流最大,查閱《塔河油田母線等值阻抗表》,在最大運行方式下,10kV母線阻抗為7.62∠80.1°Ω,三相短路電流為

        2)最小短路電流計算

        線路最遠處發(fā)生兩相短路的電流最小,在最小運行方式下,10kV 母線阻抗為10.1∠81.6°Ω。TB-6S線路48 支98 支40#桿為最遠端,主線路共2.4km,分支線路共6.9km,可計算出短路點阻抗6.1Ω。

        兩相短路電流為

        3.3 短路電流分析

        根據(jù)最大短路電流 833.5A 和最小短路電流339.5A,結(jié)合選用設(shè)備,得出:

        1)柱上斷路器

        柱上斷路器的額定電流為630A,額定開關(guān)電流為20kA,滿足開斷短路電流要求。

        2)涌流控制器

        涌流控制器的過電流定值由電流互感器的電流比決定,如采用200A/5A 的電流互感器,過電流一次值為200A;過電流延時時間有4 位撥碼開關(guān),每位撥碼有0、1 兩個位置,JL—2C 涌流控制器可選用10 種延時時間;速斷倍數(shù)采用2 位撥碼開關(guān),4種倍數(shù),可設(shè)置過電流定值的2、3、4、8 倍;速斷延時有2 位撥碼開關(guān),4 種延時時間。JL—2C 涌流控制器撥碼設(shè)置如圖5 所示。

        圖5 JL —2C 涌流控制器撥碼設(shè)置

        3)保護定值

        根據(jù)“可靠性、選擇性、速動性和靈敏性”進行選擇。已計算出短路電流值,結(jié)合涌流控制器二次定值固化特性,塔北變電站的保護整定首先保證可靠性,出線電流互感器電流比為200A/5A,進線電流互感器電流比為400A/5A。保護選擇性通過涌流控制器的延時功能實現(xiàn)。

        3.4 涌流控制器校驗

        對1001 斷路器和4 條出線的涌流控制器進行校驗,校驗方法:用繼保儀給控制器輸入二次電流,記錄保護動作電流值,同時校驗動作時間特性。6S線路的涌流控制器在輸入110%保護定值電流不動作時,再逐步提升到10 倍保護定值電流仍不動作,檢查出涌流控制器損壞??刂破鞅Wo試驗結(jié)果見表2。

        表2 控制器保護試驗(以A 相為例)結(jié)果

        3.5 柱上斷路器檢查

        對5 臺柱上斷路器進行分合閘操作,均可靠動作,說明斷路器的機械回路完好。校驗5 臺斷路器的動作時間特性,進線1001 斷路器的動作時間特性比4 臺線路斷路器稍小。試驗記錄見表3。

        表3 斷路器動作時間特性記錄表

        3.6 電流互感器檢查

        1)回路接線檢查

        4 臺出線斷路器和進線1001 斷路器的CT 有兩個圈,測量CT 用于電表、遠程終端裝置和故障錄波,保護CT 用于涌流控制器的保護。線圈引用正確。

        2)CT 采樣和抗飽和特性檢查

        用大電流發(fā)生器分別給進線1001 斷路器CT 和4 條線路保護CT 一次側(cè)加電流,校驗保護CT 的精度10P20,即在20 倍額定電流下誤差不超過10%。結(jié)合線路最大短路電流和電流速斷保護定值,受大電流發(fā)生器的量程限制,最大電流試驗值為2 倍額定電流。CT 精度試驗記錄見表4,從試驗記錄表可以看出CT 的精度合格,滿足最大三相短路電流的使用要求。

        表4 CT 精度試驗記錄表(以A 相為例)(單位: A)

        3.7 綜合試驗

        上述試驗都是單個電氣設(shè)備的本體試驗,試驗電流都是單相穩(wěn)定電流。實際相間短路故障后,短路電流是兩相或者三相短路電流,短路電流包含周期分量和非周期分量,同時產(chǎn)生多次諧波,以上因素都會對涌流控制器的保護產(chǎn)生干擾。因此,必須進行綜合試驗。

        試驗方法:在斷路器A、B、C 三相一次側(cè)加用三相大電流發(fā)生器模擬產(chǎn)生的三相短路電流,記錄動作電流,同時記錄動作時間,記錄見表5。

        從試驗數(shù)據(jù)得出,當發(fā)生兩相或三相短路時,涌流控制器的二次電流達到5A 就跳,并且動作時間基本和斷路器動作時間特性一致,保護延時為零。涌流控制器銘牌雖然標明具有過電流延時功能、合閘延時功能、速斷延時設(shè)置和速斷倍數(shù)設(shè)置功能,但全部失效。

        表5 綜合試驗兩相短路電流動作值(單位: A/ms)

        以2020 年6 月17 日22:24,TB-7S 線路A、C相短路故障為例,故障錄波器記錄短路電流600A,經(jīng)電流互感器轉(zhuǎn)化為二次電流輸入涌流控制器,7S線路涌流控制器的二次電流為15A,進線1001 涌流控制器的二次電流為7.5A,根據(jù)綜合試驗結(jié)論,兩臺斷路器的涌流保護器二次輸入電流超過5A,同時無延時動作,由于進線1001 斷路器的動作時間特性小,首先動作切除故障。

        根據(jù)3.2 節(jié)短路電流計算,塔北變電站的10kV線路最小兩相短路電流339.5A,線路最大三相短路電流為 833.5A。只要線路的相間短路電流超過400A,就會引起進線1001 斷路器先動作。

        3.8 涌流控制器工作原理分析

        微型CT1 和CT2 將電流互感器的大電流變?yōu)樾‰娏?,?jīng)過可調(diào)電阻變?yōu)殡妷盒盘?。CT3 用作單片機的電源。單片機需要電流、電壓的基波和二次諧波信號,濾去3 次以上諧波。單片機對電流進行AD采樣,軟件通過間斷角原理進行勵磁涌流識別,達到定值條件閉合跳閘節(jié)點。涌流控制器原理如圖6所示。

        圖6 涌流控制器原理

        間斷角原理需要較高的采樣率,對硬件要求較高[7]。經(jīng)過研究,需要14 位以上的模數(shù)(A-D)轉(zhuǎn)換器并且每個工頻周期采樣48 點,才能準確測量間斷角和波寬[8]。而塔北變電站柱上斷路器自帶的JL—2C 型涌流控制器的單片機的10 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器采樣達不到要求。

        4 措施

        1)用高技術(shù)規(guī)格的智能控制箱或保護裝置替代涌流控制器。智能控制箱或保護裝置的技術(shù)規(guī)格有:①具有電流三段保護、零序保護和重合閘功能;②保護電流值和延時時間可任意整定,實現(xiàn)選擇性;③實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、保護信息和事件記錄可以上傳至監(jiān)控后臺,實現(xiàn)遠傳電調(diào)后臺。

        2)新建高壓室,將電氣設(shè)備轉(zhuǎn)戶內(nèi)運行,改善電氣設(shè)備運行環(huán)境。

        3)柱上斷路器改造為可靠性更高的戶內(nèi)真空斷路器。

        5 結(jié)論

        綜上所述,線路越級跳閘的原因有:①采用技術(shù)規(guī)格低的涌流控制器,當短路電流達到400A 時,不能實現(xiàn)選擇性保護;②TA-6S 線路涌流控制器的損壞造成保護拒動。

        塔北變電站的電氣設(shè)備戶外運行,該地區(qū)位于新疆塔克拉瑪干沙漠北部邊緣,夏季最高溫度60℃,冬季最低溫度-20℃,風沙大,設(shè)備故障率高。

        本文中的簡易變電站雖然能減少投資,但采用了技術(shù)規(guī)格低的電氣設(shè)備,電氣設(shè)備在環(huán)境惡劣的戶外運行,犧牲了保護動作的可靠性和選擇性。因此,在供電可靠性要求高的地方不建議采用簡易變電站。

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