10kV配電變壓器差動保護配置及低壓側短路故障仿真研究

文立菊,秦春斌

(1.福建電力職業技術學院,福建 泉州 362000;2.河南大學 人工智能學院,河南 鄭州 450046)

配電變壓器是我國電力配電網中重要電力設備,其直接面向用電終端用戶,其運行安全穩定性關系著整個電力配電網的可靠性[1]。當前,10kV配電變壓器的配置數量較多,且分布于城鄉各個角落。該配電變壓器屬于一類靜止電氣設備,其主要工作內容就是完成電能的傳輸。短路故障作為10kV配電變壓器的常見故障之一,是影響運行穩定性的主要原因[2]。在保護接地和工作接地共用接地的情況下,若配變臺區出現接地故障,則故障過電壓將由共用接地電極向低壓電網傳輸[3]。這可能會造成嚴重的生命、財產損失。因此必須重點落實對10kV配電變壓器的穩定性維護,對其使用中的常見故障類型及診斷處理技術展開探究極為必要。然而通過對國內外電力線路的研究發現,在10kV配電線路上,通常采用二段式線路保護,一般不設置單獨的差動保護裝置[4-5]。為此,研究對各類短路故障與診斷進行了深入分析,并用PSCAD軟件建立的10kV配電變壓器低壓母線故障仿真模型。此次研究目的是能夠對10kV配變的故障進行及時、準確的分析和定位。并對其進行有效的排除,從而提高10kV配變的安全性能。

1 10kV配電變壓器差動保護配置及低壓側短路故障研究

1.1 10kV配電變壓器的故障與診斷技術

在電力配電網中,配電變壓器是直接應用于電力終端,實現高效供電的重要設備。其在電力能源的輸送、分配和應用中起著至關重要的作用。10kV配電變壓器是當前階段數量最多、應用最廣的電氣設備。由于10kV配電系統本身的運行具有差異性,對其所設置的保護措施尚不完善。因此,對10kV配電系統的保護處理措施尚不完善。常見為10kV配電變壓器的故障主要包括四種,即引線部位故障、線圈故障、鐵芯故障、分接開關故障[6]。針對以上四種10kV配電變壓器的故障,同樣具有四種相應的故障診斷方法,如圖1所示。

圖1 10kV配電變壓器的故障診斷方法

由圖1可知,在10kV配變發生引線不穩定故障的情況下,可以利用三相電流的方法,直接測定10kV配變的直流電阻。測量10kV配電變壓器直流電阻值時,若發現三相直流電阻的不平衡率大于4%,或是其中某一相的電阻值接近無窮大,即表明該變壓器發生了引線部位故障。最后,將測試結果進行比較分析。若測量數據顯示10kV配電變壓器的直流電阻增加,并表現出不穩定。而絕緣電阻試驗數據為0或接近0時,就可以判定10kV配變發生了線圈故障[7]。在10kV配變發生鐵芯故障時,多表現為鐵芯多點接地。當這種類型的故障出現后,會引起10kV配變變態的鐵心局部高溫。這會使得配電網中的鐵芯受到一定程度的損傷,甚至會燒掉鐵芯,給整個配電網帶來了巨大的損失。當鐵芯正常接地時,配線亦易發生環流,也會引起10kV配變發生放電性故障。在對10kV配變鐵芯進行故障診斷時,需對其絕緣電阻進行測量。當測量數據為0或接近于0時,即表明鐵芯出現接地故障。為準確診斷10kV配電變壓器的分接開關故障,需要測量其直流電阻。在測試過程中,如果發現分接點的直流電阻存在不均衡的情況,則可以判定為單個觸點的燒壞故障。若檢測出分接的直流電阻為無窮大,即代表該分接器的觸點已完全燒毀。

對10kV饋線來說,當發生三相或二相短路時,由于變壓器短路電流遠遠超過了10kV的額定電流。因此,需要對其實施限流。在電力系統中,對其短路電流有多種限制方法?？稍陴伋鼍€上,安裝限流電抗器。在變壓器低壓側母線上,安裝限流電抗器,或者串聯一個快速開關等。雖然存在限制電流短路的方式有很多,但在大量的饋電線路上,同時安裝限流電抗器或使用高阻變壓器均不經濟。在無串聯電抗器的情況下,在低電壓端會產生較大的短路電流,從而引起低電壓線圈的燒壞。反之,如果加裝了串聯電抗器,在低壓下,又會出現短路電流過大的問題。通過對變壓器低壓端串聯電抗器進行限流,不但可以在低壓下對變壓器的短路電流進行有效的控制,而且可以確保在10kV饋線上發生二相或三相故障時,仍能保持變壓器的正常運行。并聯限流電抗器與開關后,再將其與高壓側母線相串聯,使變壓器在正常工作狀態下,其電流基本上都通過開關,從而解決了在高壓側線路上安裝限流電抗器所帶來的許多問題。在變電所的低壓側母線上,采用了一種直接串聯的方式。在變壓器低壓側進給線路出現三相或兩相短路時,快速開關可在不受短路電流影響的情況下迅速地進行操作,從而確保變壓器本身不會損壞。然而,相對于后者,系統的供電可靠性有所下降。但采用這種方法不需要蓋上電抗腔體,可以將快速開關以組件的方式安裝在主變腔體內。這樣不僅可以節約投資,而且可以防止變壓器的燒壞。10kV配電室運行方式如圖2所示。

圖2 10kV配電室運行方式

由圖2可知,10kV三相進線為三相母線熱備用供電,供電到04號中電壓母線箱。10kv進線Ⅰ、Ⅱ是110kv變電所兩條10kv饋線,由兩條110kv變電所直連到開閉所的兩條母線上。采用單母段操作,母聯開關為常合開關。10kv中壓柜余下的空隙為后備空隙,斷路器均已斷開。

1.2 10kV配電變壓器差動保護配置

1.2.1 變壓器差動保護配置

在配變容量較大,以及一些供電負載重要等級較高的地方,原有的線路保護已經不能滿足其可靠性的要求。因此,需要對該地區增加變壓器主保護,以滿足供電要求。一般而言,由于小容量配電變壓器不會產生大的短路電流,而常規配電變壓器內部也不需要通過故障切除來進行線路保護。當前10kV配變保護方式的配置一般有兩種,一種利用斷路器,另一種利用負荷開關加熔斷器組合。這兩種配置方式在技術和經濟上各有優缺點。差動保護是輸入電流互感器(Current Transformer,CT)兩端的電流矢量差,并將其作為故障特征量[8]。當保護區間的設備發生故障時,則流出與流進的電流不等,導致差動電流大于0。在差動電流超過差動保護設定值時,PC機發出警報。此時啟動被保設備兩側開關,使被保設備自動跳出,將發生故障的設備切斷[9]。通常采用變壓器的條件是容量達到單獨運行10MVA,或者并行運行6.3MVA,電壓在10kV以上[10-11]。近年來,由于Dyn11接線變壓器的零序阻抗變化較小、承受不平衡負載的能力大等優點,其在電力系統中得到了廣泛應用。聯結組標號為Dyn11型號的配電變壓器的差動保護裝置接線情況[12],如圖3所示。

圖3 Dyn11型配電變壓器的差動保護裝置接線

由圖3可知,該配電變壓器的差動保護裝置的低壓側中性點直接接地。中性點引出零線,使兩端的電流不均勻地流入和流出。當三相負載不對稱或差動保護的外部低電壓端出口接地故障時,均可能造成差動保護裝置出現跳閘的問題。當變壓器低壓側單相接地時,會出現零序電流,高壓側則無。Dyn11型配電變壓器的零序電流分布情況,如圖4所示[13]。

圖4 Dyn11型配電變壓器的零序電流分布

由圖4可知,在配變低壓側a相發生接地短路故障時,其通過地線與變壓器低壓側的中性點會構成閉合回路。電力變壓器中性點的接地方式一般有三種,即不接地、經消弧線圈接地、直接接地。因母變變壓器的低壓側中性點為直接接地,因此在其與短路點間,存在較小的零序阻抗。如果加上a相的電壓,將產生很大的零序電流,其幅值相當于低電壓端三相零序電流的總和。同時,在變壓器的高電壓端繞組中還將產生零序電勢。由于變壓器高壓側采用了三角型的接線形式,使得零序電流只能在組內部循環,無法從中流出。而Yd11型變壓器在低電壓端出現單相接地的情況下,零序電流不形成路徑。因此不會對差動保護產生影響,也不需要進行消零處理。

1.2.2 10kV配電變壓器低壓母線故障仿真模型

研究將10kV電纜、變壓器阻抗等相關的參數進行結合,并采用PSCAD軟件,建立了10kV配電變壓器低壓母線故障仿真模型,如圖5所示。

圖5 10kV配電變壓器低壓母線故障仿真模型

由圖5可知,f表示故障發生地點,Es為變電站10kV母線。T為配電室主變,變比為10/0.4。Zs代表配電室10KV進線至變壓器高電壓側繞組電纜的線路阻抗。Z表示負載電阻,取該值為0.084Ω。聯結組別為Dyn11,低壓側中性點接地。比率制動式縱聯差動保護的動作特性分為兩部分,一是動作區,二是制動區。最小動作電流的計算表達如式(1)所示。

Iop.min=Krel(Ker+ΔU+Δm)Ie

(1)

式(1)中,Krel代表可靠系數,其取值范圍在1.3～1.5之間。Ie表示變壓器基準側的二次額定電流。Ker表示CT的變比誤差,取值為0.02。ΔU表示變壓器調壓所造成的誤差,Δm代表CT變比未達到匹配時所造成的誤差。二次諧波制動系數的計算表達如式(2)所示[14]。

(2)

式(2)中,Krel(2)的取值范圍在0.15～0.20之間。Idφ表示三相差動電流的基波電流,Id2φ表示二次諧波電流。兩相短路的一次制動電流在最小運行方式下的計算表達如式(3)所示。

(3)

式(3)中,Ik1在最低操作條件與較低電壓下,兩相間的短路電流。在兩相短路中,一次工作電流的計算公式如式(4)所示。

Iop=(Ires-5Le)K2+5IeK1

(4)

式(4)中,表示在最小運行環境下,變壓器低壓側兩相短路電流。靈敏度的計算表達如式(5)所示。

(5)

2 10kV配電變壓器短路故障仿真分析

在0.4kV側,在低電壓輸入端安裝微型邏輯6.0E構架開關Qk1、Qk2。在低電壓端的輸出端,由微型邏輯5.0E構架開關Qj1、Qj2送入客戶建筑的地下配電間。并經由40套NSXTMD250H塑料-外殼開關,輸送到各種負載到使用者端。10kV配電室保護配置情況如表1所示。

表1 10kV配電室保護配置情況

某次10kV母線在常規工況下出現了故障,其原因是10kV母線的備用電源設定值過高,造成了10kV的備用電源出現了嚴重的變化,致使10kV的備用電源出現了低壓備自投誤動作。經檢查發現,燃燒起火的為低壓母線懸掛支架。將仿真開始后30ms設為故障發生時間,將故障形式設為B、C兩相接地短路。并設定接地電阻為0.0001Ω,0.01Ω,0.5Ω。針對低電阻率接地故障,通過不同電阻率的接地故障仿真方法進行模擬實驗。在低壓側的模擬電流變化趨勢,如圖6所示。

圖6 為低壓側的電流仿真變化

由圖6(a)與(b)可知,對B、C兩相間的低壓側進行了分析,得出了B相間的電壓最大值。當10kV電閘05柜、08柜的速斷段定值為1.08kV時,10kV電閘的速斷保護就會起作用。由圖6(c)與(d)可以看出,在經過0.01Ω的低電阻地的情況下,B相中的最大電流為910A。10kV開關柜05、08柜的過電流區間設定值大于198A時,10kV過電流保護將起作用。由圖6(e)與(f)可以看出,10KV的開關箱保護在經過0.50Ω低電阻的情況下不起作用。除此之外,原來的10kV與0.4kV低電壓保護受兩級保護定值的制約,很難滿足中低電壓保護的選擇。為此,研究在原保護的基礎上,增加變壓器差動保護。并對保護整定值進行修正,這使得其能夠滿足可靠性方面的中、低電壓保護結構的需要。通過對引進的變壓器差動保護的調整,得到的調整結果如表2所示。

表2 修正后配電室保護定值整定結果

由表2可知,在此次配電機房發生的低阻抗事故中,一次側電流值為120A,大于差動速斷電流定值。這表明在小電阻的情況下,微分保護設備的敏感性不受小電阻的影響。在設置差動保護時,專門設置零序警報。對于小電阻接地故障,保護裝置僅需投向報警出口,即可解決高可靠性與高靈敏度的沖突。

3 結論

本文研究某10kV配電室保護裝置參數配置情況,建立了10kV配電變壓器低壓母線故障仿真模型。并針對故障,提出差動保護的可行性分析。仿真結果表明,在0.01Ω的小電阻下,B相中的最大電流為910A。10kV開關柜05、08柜的過電流區間設定值大于198A時,10kV過電流保護將起作用。通過0.50Ω低電阻的地線,10kV開關箱的保護不起作用.當故障出現時,由于三相中低壓側的三相電流太低,致使其不能滿足保護的要求。該故障是導致10kV電閘繼電器不能正常工作的根本原因。此次故障為低阻接地類型,即B、C兩相分別經電弧電阻對零線放電。差動速斷電流的定值較一次側電流值比更小,后者的電流值為120A。表明配變差動保護可有效解決中低壓保護整定配合定值與時延級差難以配合的問題,提升10kV大容量配電變壓器供電可靠性。