余 紅

(廣東電網(wǎng)茂名化州供電局,廣東 茂名 525100)

1 前 言

一些供電局逐步實(shí)施 10kV升壓至 20kV的改造工程,并且中性點(diǎn)都采用小電阻接地方式,其主要的原因在于:

1)確保能跳開故障線路。

2)能夠有效降低電氣設(shè)備的耐絕緣水平,從而節(jié)約電纜出線成本。

3)為使得10kV中性點(diǎn)的非有效接地系統(tǒng)能夠直接升壓到 20kV,應(yīng)該盡可能的利用升壓前的對(duì)應(yīng)的相關(guān)一次設(shè)備。以下針對(duì)國內(nèi) 20kV線路中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng),給出了具體的保護(hù)配置情況,通過仿真試驗(yàn),對(duì)單相高阻接地時(shí)保護(hù)可能發(fā)生拒動(dòng)作現(xiàn)象進(jìn)行了闡述,提出了解決單相高阻接地保護(hù)拒動(dòng)作問題的措施。

2 20kV線路保護(hù)配置現(xiàn)狀

1)過電流保護(hù):主要包括限時(shí)電流速斷、定時(shí)限過電流保護(hù)和電流瞬時(shí)速斷。相電流超過定值且延時(shí)大于整定值,裝置就出口跳閘。

2)零序過流保護(hù):包括零序過流 I段和零序過流 II段,當(dāng)接入裝置的計(jì)算零序電流超過定值且延時(shí)大于整定值,裝置即出口跳閘。

3)零序功率方向保護(hù):零序電流大于較小的整定值,且零序功率方向元件動(dòng)作,則經(jīng)過一定的延時(shí)后保護(hù)跳閘。

以上的保護(hù)功能都能根據(jù)需要投入或退出,對(duì)于兩段式零序過流保護(hù)與零序功率方向保護(hù),可以選兩者中的一個(gè)。下面以某省 20kV出線為例,對(duì)保護(hù)的主要配置和整定值進(jìn)行詳細(xì)說明,具體的配置情況如表 1所示。

表1 某省20kV出線保護(hù)的主要配置與整定值表

3 單相高阻接地問題

3.1 整定值選取原則

1)電纜出線發(fā)生的故障一般為低阻接地,故障電流比較大,因此定值的靈敏度基本沒有任何問題,定值的選取主要是考慮區(qū)外單相接地時(shí)避開被保護(hù)線路中的電容電流。

2)架空線路或者電纜與架空混合的線路,因?yàn)楦鞣N外部原因可能會(huì)碰斷架空線使其掉到地面,因此出現(xiàn)單相高阻接地故障幾率大,定值的選取主要考慮能夠盡量確保高阻接地時(shí)的靈敏度。

當(dāng)發(fā)生單相高阻接地時(shí),一般是通過由零序過流保護(hù)或零序功率方向保護(hù)以實(shí)現(xiàn)保護(hù)跳閘。假若選用零序過流保護(hù),零序 II段過流定值可按確保躲過本線路電容電流來進(jìn)行整定;假若選用的是零序功率方向保護(hù),零序電流定值可按躲正常負(fù)荷的最大不平衡電流來進(jìn)行整定。表 2所示為零序過流保護(hù)與零序方向保護(hù)的相關(guān)性能比較。

表2 零序過流保護(hù)與零序功率方向保護(hù)的比較

3.2 整定值差異

1)無論是電纜出線還是混合出線,系統(tǒng)接地時(shí)電容電流都是較大的。一般來說,單一斷路器所帶電纜長度都應(yīng)該限制在 15km以下,如果選用電纜的導(dǎo)體截面積是 3×630平方毫米,且單位長度電容值是 0.416uf/km,則計(jì)算所得的電容電流在 22.6A以下。

2)在對(duì)最大的不平衡電流整定值進(jìn)行估算時(shí),按文獻(xiàn) [7-11]相應(yīng)規(guī)程,如果選用變比為 600/5A的 CT,而且一次額定電流為 600A,則不平衡電流整定值為 30--60A。依據(jù)以上的估算結(jié)果,若出線電纜的總長度沒有超過限定范圍,并且線路單相 CT的一次額定電流相對(duì)較大,那么零序過流保護(hù) II段與零序功率方向保護(hù)的零流定值將會(huì)大體相同。反之則零序過流保護(hù) II段整定值將大于零序功率方向保護(hù)的零流定值。

3.3 極性校驗(yàn)原則

零序功率方向保護(hù)接入保護(hù)零序電壓和電流極性的正確性需要進(jìn)行嚴(yán)格的校驗(yàn),以下是常用的校驗(yàn)方法:

1)保護(hù)裝置單體極性校驗(yàn):分別對(duì) A、B、C相加載 57.7V的電壓,觀測(cè)保護(hù)裝置所顯示的相電壓與零序電壓值;分別對(duì) A、B、C相加載1.0A的電流,觀測(cè)面板所顯示的相電流與零序電流值;根據(jù)最大靈敏角分別對(duì) A、B、C相加載以上的電壓和電流值,觀測(cè)零序方向保護(hù)裝置是否能夠動(dòng)作并獲取動(dòng)作邊界。

2)帶回路檢查:假若負(fù)荷電流是大于零功方向元件中零序電流的判定值的話,可通過進(jìn)行帶負(fù)荷試驗(yàn)以校驗(yàn)零序電壓與零序電流間的極性是不是正確。若某條出線的負(fù)荷電流出現(xiàn)小于零序電流判定值的情況,則要等到出線負(fù)荷增大以后才可補(bǔ)做相應(yīng)的試驗(yàn)。

3.4 存在的問題

由于整定值大體相同,并且對(duì)零序電流電壓的極性進(jìn)行校驗(yàn)會(huì)比較麻煩,因此一些省份在推廣的 20kV系統(tǒng)時(shí),保護(hù)裝置不是采用零序功率方向保護(hù),而是選用用零序過流保護(hù)。

為考驗(yàn)架空線路從 10kV升壓到 20kV后的相關(guān)適應(yīng)性,需進(jìn)行升壓運(yùn)行的人工單相接地試驗(yàn)以考核系統(tǒng)可能出現(xiàn)的過電壓情況和繼電保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)具體項(xiàng)目包括經(jīng)沙土、樹木、水泥板和柏油路面單相接地的情況。其中本試驗(yàn)中的接地相都為 A相由試驗(yàn)結(jié)果可知:在高阻接地時(shí)的接地點(diǎn)電流會(huì)比較小,導(dǎo)致零序過流保護(hù)不動(dòng)作。

4 仿真分析

4.1 仿真計(jì)算

下面以某省 20kV系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真計(jì)算,其中變壓器選用220kV/21kV抽頭,接線方式為Yn-Yn,20kV側(cè)中性點(diǎn)是經(jīng)過 19.92Ψ小電阻后接地,變壓器高壓和低壓側(cè)間的電抗是 31Ψ,而從 20kV側(cè)看過去的變壓器電抗經(jīng)過計(jì)算約 0.28Ψ。

在進(jìn)行仿真計(jì)算之前,首先需要的是計(jì)算20kV側(cè)的短路電流,相對(duì)于中性點(diǎn)電阻來說,電纜與變壓器的阻抗是可以完全忽略的。因而 20kV出線電纜在出現(xiàn)單相金屬性接地故障時(shí),其短路電流可計(jì)算如下:

式中 Ue表示的是相間電壓 21kV,R表示的是中性點(diǎn)電阻。

4.2 結(jié)果分析

以 20kV系統(tǒng)的出線保護(hù)配置與整定值為例進(jìn)行分析。對(duì)于單相高阻接地,假若選用的是零序過流 II段,當(dāng)采用 150.0A的定值時(shí)候,保護(hù)耐高阻的能力只有 57.1Ψ;假若是選用零序功率方向保護(hù),采用表二中所示的整定值,若將不平衡電流整定值選定為 30A,則保護(hù)耐高阻的能力可以提高至 365.0Ψ,并且故障相母線的電壓將下降 5.2%,因此能夠有效的判斷零序功率方向。

假若一次零序電流的整定值是 15A,則存在兩個(gè)問題:一是零序電流整定值將會(huì)偏小,可能會(huì)出現(xiàn)比正常最大不平衡電流還小的情況;二是故障相的母線電壓只是下降了 2.6%,用來判斷方向的零序電壓幅值將會(huì)偏小,因此將難以有效地來計(jì)算零序的功率方向。

綜合以上分析可知,20kV系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)19.92Ψ小電阻接地時(shí),出線保護(hù)耐過渡電阻能力需小于 365.0Ψ。

5 改進(jìn)方法

5.1 新增單相高阻接地保護(hù)裝置

保留現(xiàn)有保護(hù)測(cè)控裝置,新增一套單相高阻接地保護(hù)裝置。在單相經(jīng)較大過渡電阻接地時(shí),現(xiàn)有的保護(hù)裝置靈敏度難以滿足要求,主要原因是現(xiàn)有保護(hù)均基于穩(wěn)態(tài)量原理,沒有利用單相接地故障發(fā)生時(shí)豐富的暫態(tài)信息。新增加的單相高阻接地保護(hù)裝置,選用高采樣率和高分辨率的 A/D轉(zhuǎn)換器,采集母線三相電壓、開口三角電壓和各出線零序電流的采樣值,利用零序暫態(tài)突變量信息來選出故障出線,并直接進(jìn)行跳閘。該保護(hù)裝置比過電流保護(hù)和零序過流保護(hù)的最長動(dòng)作延時(shí)多一個(gè)時(shí)間級(jí)差。

該方法借鑒了國內(nèi)現(xiàn)有基于暫態(tài)零序量的小電流接地選線裝置,也可以利用部分選線算法,但是其和小電流接地選線裝置的主要區(qū)別是:選線裝置只是給出信號(hào)而不直接跳閘;選線裝置對(duì)選線結(jié)果上傳的快速性沒有嚴(yán)格要求,上傳時(shí)間一般為幾分鐘,從而決定了現(xiàn)有選線裝置硬件設(shè)計(jì)難以滿足高阻接地保護(hù)裝置的快速性需求。

5.2 開發(fā)集成型保護(hù)

集成型保護(hù)裝置采集母線三相電壓、開口三角電壓、所有出線三相電流和零序電流信號(hào),以及相關(guān)的斷路器信息。除了可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)保護(hù)測(cè)控裝置的功能外,對(duì)單相高阻接地判別時(shí),除了暫態(tài)零序電流,還能利用出線故障相的暫態(tài)電流,保護(hù)可用的信息更豐富。其缺點(diǎn)是需要對(duì)現(xiàn)有保護(hù)測(cè)控進(jìn)行重新開發(fā),研發(fā)工作量較大。

5.3 采用自適應(yīng)零序電流整定值

規(guī)程 [7]中規(guī)定的最大不平衡電流整定值,按照電流互感器一次額定電流來調(diào)整,是綜合考慮所有情況后最保守的整定結(jié)果。如果能根據(jù)負(fù)荷情況實(shí)時(shí)估算并由裝置自適應(yīng)調(diào)整整定值,可有效提高保護(hù)耐單相高阻接地能力。

6 結(jié) 論

以上根據(jù)國內(nèi)20kV系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地保護(hù)現(xiàn)狀,通過結(jié)合人工接地試驗(yàn)的結(jié)果,詳細(xì)地闡述了線路保護(hù)中單相高阻接地時(shí)發(fā)生拒動(dòng)作的問題。本文詳細(xì)分析了零序過流保護(hù)與零序功率方向保護(hù)的優(yōu)缺點(diǎn),并且基于仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果分析,提出了提高線路保護(hù)耐高阻接地能力的具體措施。

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