胡金鵬

（中核四0四有限公司，甘肅蘭州 732850）

引言

電力在生產(chǎn)和生活中具有重要的地位，配電網(wǎng)是將電力由變電站轉供給用戶的重要組成部分，配電網(wǎng)自動切除故障的能力直接關系著廣大用戶的用電質量和配電網(wǎng)運行可靠性，為了保障用戶用電的安全，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，需要將故障電源自動切除，將停電限制在最小范圍內。針對目前區(qū)域內配電網(wǎng)故障自動切除方面存在的問題，從合理應用各類型斷路器，計算出各電壓等級系統(tǒng)等效阻抗及短路電流，設置定值及時限級差等方面，提出改進的措施，以提高配電網(wǎng)的故障自動切除能力。

1 配電網(wǎng)的現(xiàn)狀

某區(qū)域配電網(wǎng)由某變電站集中供電，通過變電站內6 kV母線輸出6 kV線路輻射供電，每回供電線路均有多臺變壓器，單回線路采用柱上開關實現(xiàn)分段供電。但因線路設備運行已有40多年，柱上開關配置不完善，柱上開關未配置速斷、過流等保護裝置或年久導致保護失效，在線路發(fā)生故障時，開關不能快速且最小范圍切除故障，而是直接由變電站內線路總電源開關動作來切除故障，切除設備數(shù)量較多，且故障影響的范圍大，造成越級跳閘，事故擴大，與保護“四性”中“快速性、選擇性”要求明顯不符。故障處理時需要人工巡視檢查線路，花費大量時間才能排查出故障點，排查出故障點后還需逐級操作恢復送電，恢復供電時間較長，供電可靠性得不到很好的保障。線路所接帶的變壓器負荷高壓側無斷路器，而是使用跌落保險作為保護，保護的靈敏性、可靠性較差，運行過程中存在保護越級跳閘的現(xiàn)象，故現(xiàn)有的配電網(wǎng)設施及保護配置已不能滿足時代發(fā)展的需要。

2 存在的問題及采取的措施

2.1 存在的問題

在原線路、負荷變壓器本身發(fā)生短路故障時，線路中柱上開關或負荷變壓器高壓側跌落保險無法自動切除故障點，而是由變電站內線路總電源開關保護動作跳閘，來切除整條線路電源，導致停電影響范圍較大。而低壓側斷路器短路特性檢測較為困難，存在較大不確定性，在變壓器低壓側發(fā)生故障時，無法按照相應系統(tǒng)短路電流配置，存在低壓電纜短路，低壓側電源開關、高壓側跌落保險均不能正確動作，造成保護越級跳閘，整條配電線路停電現(xiàn)象。

以某次低壓側故障，發(fā)生三相短路，開關拒動造成越級跳閘故障為例分析。

供電變電所6 kV 母線阻抗標幺值在大運行方式下取1.323，小運行方式取1.803。某配電變壓器容量為630 kVA，短路阻抗5.67%，從供電變電所6 kV 母線至變壓器高壓側連接線為架空線，分成前后兩部分，前部分架空線路導線型號LGJ-70，正序單位阻抗0.45+j0.358 Ω/km，長度1.08 km；后部分架空線路導線型號LGJ-50，正序單位阻抗0.63+j0.368 Ω/km，長度2.15 km。

式中：Ud%——短路阻抗百分比，取銘牌數(shù)據(jù)，5.67%；

SB——基準容量，按100 MVA計算；

SN——變壓器額定容量，630 kVA；

Z——線路正序單位阻抗；

Un——6 kV 系統(tǒng)額定電壓按6.3 kV 計算，變壓器低壓側電壓按0.4 kV計算；

IB——基準電流，6 kV基準電流按9 164.28 A計算，0.4 kV基準電流按144 375.67 A計算；

Z1.max——最大等值阻抗。

由公式（1）計算得出，630 kVA 變壓器阻抗標幺值為9，由公式（2）計算得出，線路總阻抗標幺值為4.64+j2.97，則變壓器低壓側阻抗標幺值大運行方式L：4.64+j13.293，阻抗標幺值模值為14.08；變壓器低壓側阻抗標幺值小運行方式S：4.64+j13.773，阻抗標幺值模值為14.53。

變壓器低壓側配置500 A 塑殼斷路器，其斷路器動作特性在12倍電流時動作時間為0.03～10 s，12倍以上電流時動作時間在0.03 s 以下。由公式（3）得出該變壓器低壓側最小兩相短路電流為8 605 A，靈敏度以低壓斷路器速斷值6 000 A（12 倍額定電流）校驗，靈敏度為1.43，滿足要求。但是在某次故障中變壓器低壓側發(fā)生三相短路，經(jīng)高壓側保護裝置記錄的信息，折算至低壓側三相短路電流達到22 743 A，但變壓器低壓側斷路器、高壓側跌落保險均未能可靠動作，造成越級跳閘，整條線路失電，事故擴大。因低壓側斷路器動作特性所需校驗電流較大、高壓跌落保險不具備檢驗條件，在日常工作中均無法校驗，不能可靠地檢驗出是否滿足使用要求，因此需增設變壓器保護，以提高電網(wǎng)運行的安全性。

2.2 改進措施

在區(qū)域內配電網(wǎng)基礎設施升級改造時，將跌落式保險更換為帶有保護功能的真空斷路器，為確保故障時保護裝置能自動切除故障點，通過對系統(tǒng)各電壓等級系統(tǒng)等效阻抗及短路電流核算，設置合適的繼電保護整定值，加以時間級差配合，以提高保護動作的可靠性。其整定計算過程如下。

供電變電所6 kV 母線阻抗標幺值大運行方式取1.323，阻抗標幺值小運行方式取1.803。

供電變電所6 kV 母線至變壓器連接線由架空線更換為電纜，電纜型號YJV22-8.7/10kV-3×400 mm2，線路全線長度為6 kV，正序單位阻抗0.0465+j0.0845 Ω/km，至最大容量變壓器線路的長度2 km，由公式（2）得出至最大容量變壓器線路電纜阻抗為0.093+j0.169 Ω，線路全線阻抗標幺值為0.2343+j0.4258，標幺值模值為0.486。區(qū)域內最大變壓器容量為1 600 kVA，短路阻抗為5.9%，變壓器高壓側額定電流為146.63 A，由公式（1）類比相應計算出變壓器等效阻抗標幺值為3.6875。

2.2.1 變壓器保護整定

經(jīng)計算，變壓器高壓側最小阻抗標幺值為1.809，最大阻抗標幺值為2.289；變壓器低壓側最小阻抗為5.5，最大阻抗5.98。

變壓器高壓側過流Ⅰ段保護定值整定原則1：按躲過變壓器低壓側出口三相短路時流過保護的最大短路電流整定，低壓廠用變壓器低壓側出口三相最大短路電流Imax。

式中：Z1.min——系統(tǒng)最小阻抗。

折算至高壓側：

整定原則1定值：

式中：Krel——可靠系數(shù)，根據(jù)導則要求，取1.3。

變壓器高壓側過流Ⅰ段保護定值整定原則2：按躲過變壓器最大勵磁涌流整定［1］。

式中：K——勵磁涌流倍數(shù)，根據(jù)導則要求，取7.0～12，本次取10計算。

綜上述原則1、原則2，取過流I 段整定值為2165A。

靈敏度校驗：靈敏度按以變壓器高壓側出口最小兩相短路電流校驗［2］。最小運行方式下，低壓廠用變壓器高壓側出口兩相金屬性短路電流Imin為

當?shù)蛪簭S用變壓器高壓側采用斷路器時，動作時間可取0～0.1 s；當高壓側采用高壓熔斷器、接觸器時，在熔斷器動作時間基礎上增加延時，或取經(jīng)驗值0.3～0.4 s；如有大電流閉鎖功能時，其動作時間不需要考慮電流速斷保護與高壓熔斷器熔斷時間配合，不需要增加短延時級差。故過流I 段保護時限整定為0 s，出口跳變壓器高壓側斷路器。

過流I 段保護定值范圍未伸出變壓器低壓側，僅保護變壓器內部，內部發(fā)生故障時，能夠0 s 切除故障；變壓器低壓側發(fā)生故障時，又能做到不誤動作。

變壓器高壓側過流Ⅱ段保護定值整定原則：按躲過低壓廠用變壓器所帶負荷需要自啟動的電動機最大啟動電流之和整定。

式中：Krel——可靠系數(shù)，1.2；

Kzq——需要自起動的全部電動機在自起動時所引起的過電流倍數(shù)。

計算方法：

式中：Ie——變壓器額定電流，146.63A；

Uk%——以變壓器額定容量為基準的阻抗電壓百分值，5.9%；

Kst.∑——電動機自起動電流倍數(shù)，取5；

ST.N——變壓器低壓繞組的額定容量，1 600 kVA；

SM.∑——需要自起動的電動機額定視在功率的總和，暫按總容量的50%計算；

UM.N——電動機額定電壓，0.38 kV；

UT.N——電動機所連接母線的額定電壓，0.4 kV。

靈敏度校驗：按最小運行方式下，低壓廠用變壓器低壓側母線兩相金屬性短路折算到高壓側的一次電流校驗。

過流II段保護動作時間按與下一級設備過流保護的最大動作時間配合整定，考慮配網(wǎng)屬于末級負荷，時間整定為0.2 s，出口跳變壓器高壓側斷路器。

過流II 段保護定值范圍已伸出變壓器低壓側，可作為變壓器低壓側及以下設備的后備保護。因變壓器低壓側設備故障時，變壓器高壓側過流I 段不會動作，考慮配網(wǎng)運行條件及時間配合關系，故0.2 s也能夠快速切除故障。

變壓器高壓側過流Ⅲ段按變壓器高壓側額定電流1.1 倍為整定原則，當做過負荷保護時，過流III段保護定值為161.3 A，時間為9 s，出口告警。

鑒于變壓器已設置三段式過流保護，低壓側電源開關不再設置單獨保護。變壓器及變壓器低壓側設備完全由高壓側過流I 段、過流II 段保護實現(xiàn)故障切除功能，由高壓側過流III段實現(xiàn)運行過載發(fā)信功能。

2.2.2 線路保護整定

經(jīng)計算，線路末端最大短路電流阻抗標幺值為1.90，線路末端最小短路電流阻抗標幺值為2.38，線路首端最大短路阻抗按變電站6 kV 母線最小運行方式時阻抗計算，為1.803。

供電變電所6 kV出線開關過流I段整定原則1：按躲過線路末端最大三相短路電流［3］為原則進行整定，線路末端最大三相最大短路電流Imax

式中：Z1.min——系統(tǒng)最小阻抗。

整定原則1定值：

式中：Krel——可靠系數(shù)，根據(jù)導則要求，取1.3。

變壓器高壓側過流Ⅰ段保護定值整定原則2：按與下級設備最大過流I段配合整定。

式中：K——勵磁涌流倍數(shù)，根據(jù)導則要求，取7.0～12，本次取10計算。

綜上述原則1、原則2，取過流I 段整定值為6 269 A。

靈敏度校驗：靈敏度按以線路首端最小兩相短路電流校驗。最小運行方式下，線路首端即供電變電所6 kV母線兩相金屬性短路電流Imin為

因靈敏度不滿足要求，故按線路過流Ⅰ段整定以與環(huán)網(wǎng)柜所帶變壓器最大過流I 段電流保持一致為原則，取值2 190.03 A。靈敏度計算為4401.83/2190.03=2，大于1.5，滿足要求。

過流I 段時間按與下級設備過流I 段時間配合整定，取0.2 s，出口跳進線斷路器。

供電變電所6 kV 出線開關過流II 段整定原則：按躲過線路最大負荷電流值（實測值）整定。可靠系統(tǒng)取1.2，過流II段時間按與下級設備過流II段時間配合整定，保持與下一級0.2 s 的時間級差，取0.4 s，出口跳進線斷路器。確保保護的選擇性及靈敏性。

3 結論

通過更新配電網(wǎng)基礎設施，將變壓器跌落保險更換為帶保護的斷路器，輔助以適合的繼電保護整定值，經(jīng)過兩年的運行調試，目前區(qū)域配電網(wǎng)內出現(xiàn)的數(shù)次短路故障，保護均正確動作，未出現(xiàn)保護誤動、越級現(xiàn)象，基本實現(xiàn)了配電網(wǎng)故障切除的自動化。