10KV开关保护时限最佳整定值的研究

福州地区配电网直供区域 10KV 开关 保护时限最佳整定值的研究 福州市地区配电网直供区福州市地区配电网直供区 10KV 开关保护时限最佳整定值的开关保护时限最佳整定值的 研究课题组研究课题组 福州大学电气工程于自动化学院福州大学电气工程于自动化学院 二二 0 0 四年十一月二十日四年十一月二十日 目 录 第一部分 部分城市配电网 10KV 开关保护调研情况 1 第二部分 部分城市 10KV 开关保护调研情况分析 13 第三部分 福州市 10KV 馈线保护的配置 整定及分析 15 第四部分 励磁涌流影响使开关误动作的分析 18 第五部分 福州配电网 10KV 开关保护配置 整定方案和可行性建议 20 第六部分 附 录 25 第一部分 部分城市配电网部分城市配电网 10KV 开关保护调研情况开关保护调研情况 目前福州地区配电网直供区域 10kV 馈线速断保护动作时限多数设为 0 秒 而用户 内部总屏柜速断保护动作时限也是 0 秒 因此 它们在时限上无法做到前后级配合 当用户内部发生故障时导致变电站 10kV 侧馈线速断开关动作越级跳闸 造成部分区域 不必要的停电事故 近年来 发生此类故障占有相当大的比例 比如 2003 年 2 月至 11 月份止 发生 10KV 馈线速断开关动作越级跳闸有 131 次 其中用户原因造成跳闸 事故的有 42 次 占总数的 32 1 为了保证供电质量 提高供电的可靠性 减少不必 要的经济损失 福州市电业局委托福州大学电气工程学院蔡金锭教授等课题成员组到 省外如 北京 广州 上海 南京 武汉 杭州 沈阳 厦门 泉州和晋江等城市的 电业局和国家变压器质量监督检验中心 变压器研究所和变压器制造厂进行实地调研 了解其他城市配电网 10kV 馈线保护目前采取怎样的保护时限和定值以及用何种方法 避免这类故障的发生 同时到变压器制造厂和变压器质量监督检验中心了解变压器承 受热稳定效应和动稳定的冲击能力 现在分别把到北京 广州 上海等城市电业局调 研情况作如下汇报 泉州市电业局泉州市电业局 2004 5 13 一 10KV 配网基本情况 1 10KV 馈线有 270 多条 每条线上平均 T 接 70 80 个用户 主干线采用真空断 路器分段 分段间有些可以有 0 2 秒的级差 有些新上的线路并投入电流重合器 通过 限定重合次数闭锁重合器 一个开关分段区间不允许 T 接超过 20 个用户 2 一些旧线路也开始采用真空断路器分断的办法 争取把故障限制在最小范围 二 保护的配置及整定 1 10KV 出线采用三段式电流保护 采用重合闸后加速如图 1 1 所示 段 电流速断保护 按最大方式下能保护线路的 85 左右来整定 定值大约 在 4 6KA 左右 但实际都比末端短路电流小 没做小方式灵敏度校验 根据所给的例 子测算 时限为 0 秒 段 按小方式下末端短路有足够灵敏度整定 Klm 1 5 动作时限为 0 5 秒 段 躲过最大负荷电流 动作时限为 1 秒 2 计算短路电流时 线路截面在 120mm2以下者计及电阻的影响 以上者则不计 其影响 3 10KV 出线开关误动作几率很少 考核的标准是 3 次 100 公里 年 都能满足 倒是用户端漏电保护动作时间过长 引起 T 接变压器 10KV 侧开关误动作的情况较多 晋江市电业局晋江市电业局 2004 5 13 一 10KV 配网基本情况 1 作为一个新兴城市 晋江配电网具有线路长 负荷较集中且容量大的特点 一 般在线路末端再 T 接用户 2 T 接引出线加设保护 晋江市配网并没有在主干线路上分段 而是在主干线到 主要配变的分支上加设户外真空开关 以保证本分支用户故障时 能够快速就近切除 故障 其线路示意图如图 1 2 所示 其中 DL1 DL2 DL3为户外柱上真空开关 到普 通 T 接用户加设跌落式开关 图 1 2 晋江 10KV 馈线整定保护示意图 0 5 0 2 DL DL1 DL2 DL3 0 0 2 1 0 0 5 0 DL DL1 DL2 DL3 图 1 1 泉州 10KV 馈线整定保护示意图 二 保护配置及整定 1 采用二段式保护 段 以保护范围末端短路电流进行整定 动作时限为 0 2 秒 段 按躲过最大负荷电流整定 动作时限为 0 5 秒 2 计算短路电流时考虑电阻的影响 3 10KV 出线开关误动作情况不多 供电可靠性较高 厦门供电局配电部厦门供电局配电部 2004 6 7 一 10KV 配网基本情况 1 一般都设有一级开关站甚至二级开关站 10KV 主干线一般都直接进一级开关 站 从开关站的出线才出现 T 接线路 如图 1 3 所示 有些开关站实现环网接线 以 保证供电可靠性 2 开关站的进线亦设断路器 真空开关 其动作时限整定为 0 3 秒 开关站馈线 保护时限整定为 0 秒 这部分是网改后的接线特点 且投入的是微机保护 动作时限特别准确 一般级 差 t 为 0 1 0 2 秒的时限都能体现出来 3 在 10KV 主干线上 T 接用户的输电线路仍存在少部分 但在其主干线上装设真 空断路器分段 这种亦减少变电站 10KV 出线开关的误动作次数 图 1 3 厦门 10KV 馈线保护整定示意图 10KV 开 关 站 出 线 一级开关站 10KV 母线 2 0 1 6 1 3 0 6 1 0 0 3 0 二 保护配置及整定 1 按变压器抗短路能力计算的结果 厂家给出 规程规定 其后备保护 切除 各侧的保护 动作时限可为 2 秒 因此把变压器负序电压过电流保护的时限这样分配 1 3 秒跳母线分段断路器 1 6 秒跳 10KV 侧出线开关 2 0 秒跳各侧开关 如图 1 3 所 示 由于负压过流的相间短路电压元件的电压来自 10KV 母线 PT 所以其后备保护的 灵敏性不成问题 变压器后备保护时限按这样配置后 给 10KV 馈线的后备保护留出一定的空间 它 的 10KV 馈线采用二段式保护 即限时速断 过电流 其动作时限分别为 0 6 秒和 1 秒 这样 也给开关站出线留下了时限配合的空间 0 3 秒 0 秒 2 10KV 出线开关保护用二段式 考虑其供电半径一般小于 5 公里 按躲过线路 末端短路的最大短路电流整定不可能有保护范围 故实际投入限时速断加过流保护 即 段和 段 段 按线路末端短路最小方式下有足够灵敏度来整定 计算时把各种可能存在 的最不利条件都考虑进去 算出的短路电流为 2 千多安 故统一整定为 1500A 时限 为 0 6 秒 段 过电流保护 按不大于 1 5 倍 CT 一次电流整定 CT 变比一般为 600 5 400 5 故统一整定为 750A 动作时限为 1 秒 3 10KV 保护已大部分具有大电流闭锁重合闸的功能 其电流定值按主变厂家提 供的热稳定电流乘一系数给定 一般为 12000A 4 不存在 10KV 开关越级跳闸问题 三 励磁涌流的问题亦是存在的 一般重合闸后加速从时限上就可躲过 即延长 0 2 秒可躲过 或者一次不成功 再合一次 对于电缆线路 规程规定不能采用 ZCH 北京电力局配电部北京电力局配电部 2004 7 14 一 10KV 配网基本情况 1 馈线线路较长 一般 10KM 左右 输电线路主要以电缆为主 少数馈线是混合 线路 线路故障不多 2 馈线采用三分段方式 整条线路三等分 经户外柱上真空开关相连 其示意图 如图 1 4 若线路中有故障发生 可通过重合闸次数闭锁来隔离故障 具体方法与泉州 电业局相同 3 装设馈线自动化系统 FDR FDR 装设在 10KV 线路上 通过与线路中其 他开关配合 在故障时隔离故障区域 4 部分重要负荷区采用双路供电 电源多为来自同一变电站 二 保护配置及整定 1 馈线出线开关装有速断保护和过流保护 线路中设速断保护 0 秒 和过流保 护 0 5 秒 所有馈线全部实现微机保护 架空线出线有自动重合闸 2 由于线路较长 电流速断保护一般不会出现无保护范围问题 3 基本不出现误动作问题 三 同样存在由励磁涌流而导致重合闸不成功问题 采取的方法见第五部分 广州电业局供电分公司广州电业局供电分公司 2004 8 10 一 10KV 配网基本情况 1 每条馈线由真空开关分为 7 8 段 市内线路长度一般在 3 5Km 左右 市郊在 8 15Km 之内 分段时一般考虑负荷量 线路长度以及设计 施工方便等因素 2 新投入的线路都为电缆线路 并在电缆线路上试投重合闸 3 对用户分级 T 接用户变压器时 10KV 侧一般用真空开关 低压侧采用负荷开 关 只有街边变 315KV 用跌落式开关 二 保护配置及整定 保护配置如图 1 5 图 1 4 北京 10KV 馈线保护示意图 0 5 0 DL DLDL 1 10KV 出线采用两段式保护 即电流速断 0 3 秒 和过电流保护 段 0 9 秒 其中延时速断整定值按躲过线路上 T 接的最大容量变压器低压侧短路的最大短路电流 整定 动作时限为 0 3 秒 过电流保护按躲过最大负荷电流整定 动作时限为 0 9 秒 2 计算短路电流时不计输电线路阻抗的影响 3 由于 10KV 出线的整定时限与 T 接用户变压器高压侧的开关整定时限有级差配 合 故不存在越级跳闸的问题 供电公司所管辖的 100 多个 10KV 变电所 从他们定值的结果看 速断的定值一般 也是在 2000A 左右 最大极限值是 3000A 三 励磁涌流问题 重合闸时出现较大励磁涌流 致使重合闸不成功 各配电部门对该问题的处理方法 大致相同 一般通过延长重合闸后加速时限 躲开励磁涌流峰值 或解掉后加速压板 杭州市电力局杭州市电力局 10 月月 22 日日 上午 下午 继保科及营配处 一 10KV 配网基本情况 1 10KV 配网有 70 为电缆线路 架空线路 包括混合线路的架空部分 也为绝 图 1 5 10KV 馈线保护结构示意图 用户 0 6 0 0 315KVA 10KV 0 9 0 3 1 2 1 5 1 8 电源 开闭所 缘线 所以可以说达到 100 的绝缘 故障率较低 2 配网中多设开闭所 开闭所有 1700 多个 且基本采用环网形式 手拉手 开 环运行 故障时若 10KV 开关跳闸 可以采用转供电 由另一个电源供电 故供电可 靠性较高 3 线路分段也采用负荷开关 一般是 5 分段 每分段 10 个用户左右 三个联络点 作为转供电 T 接变压器一次侧用熔管 二次侧用真空开关 若 T 接变压器容量超过 800KVA 则一次侧用 SF6开关 二 保护配置及整定 1 10KV 出线选用的开关主要是 31 5KA 的 一些不太重要的线路选用 20KA 或 16KA 2 保护的整定只根据调度所提供的线路参数整定 短路电路的计算考虑到电阻的 影响 保护配置为二段式 段 动作电流按正常方式下线路末端变压器高压侧短路有足够灵敏度整定 动 作时限为 0 秒 段 过电流保护 按最小方式下线路末端二相短路时有足够灵敏度来整定 动 作时限为 1 5 秒 段考虑的另一个异常方式就是当转供电时的定值整定 3 开闭所不设保护 直进直出 用的是负荷开关 4 架空线 混合线采用重合闸前加速 电缆线不采用重合闸 三 合闸的涌流问题 10KV 主干线没出现过因涌流影响合不上的问题 因为用户有装失压保护 主要在 一些专供变压器上装设 这样 在 10KV 开关重合时 因一些大负荷已被甩掉 影响 就小 而一些公用变压器不采用这种释放装置 即失压保护 因为它多为民用电 影 响不大 支线上倒发生过合不上的现象 实际上 保护的整定手段较简化 一般是变电站内那一条线路最长 就以它为依据 整定 其他线路不再整定 取同样的值 若 CT 为 400A 则二次侧取为 8A 若 CT 为 800A 则二次侧取为 4A 10KV 配电网的主导思想是外强内弱 简化低压继电保护 在城网改造上投入相当 大的资金 上海市东供电公司配电分公司上海市东供电公司配电分公司 10 月月 25 日日 一 10KV 配网基本情况 1 架空线用负荷开关分段 电缆线输送容量比较大 中间一般不挂其他用户 2 采用环网开关 用光缆实现自动转合 开闭所进线不设保护 二 保护配置及整定 1 架空线路 采用反时限保护 重合闸前加速 速断的整定计算见参考文献 8 动作时限为 0s 动作后闭锁重合闸 这从 50 年代沿用至今 过电流保护他们俗称主 保护 整定计算见参考文献 8 采用反时限曲线 动作时限与下一级保护配合 t 用 0 7s 2 电缆线采用定时限保护 速断带 0 3 秒延时 过流保护采用保证末端短路灵敏 度为 2 来整定 整定时限为 1 秒 三 不存在越级跳闸问题 也不存在因涌流影响合不上开关的问题 实际上并没有每条线路都具体整定 也没有按所提供的资料上的方法整定 而是 统一按下面方法整定 供电半径 5 公里 速断 按变压器低压侧三相短路 过流 考虑 2 倍灵敏度 上海电力公司闵行供电分公司上海电力公司闵行供电分公司 10 月月 26 日日 注 继保专职不在 由总工接待 对保护整定问题不熟 一 保护配置及整定 1 10KV 采用反时限保护 无论是架空线还是电缆线路都采用这种方式 架空线 也采用重合闸前加速 供电半径只考虑 2 公里左右 新上的线路采用微机保护 2 10KV 出线开关选用 25KA 有两级保护 指的是开关站出线保护 10KV 速断 0s 二 基本不存在 10KV 开关因涌流合不上的问题 市区考虑变压器容量 1600KVA 郊区考虑变压器容量 1200KVA 南京供电局 继保科及供电科 南京供电局 继保科及供电科 10 月月 28 日日 一 10KV 配网基本情况 1 架空线路 包括混合线路的架空部分 用全绝缘线 重要用户多用电缆 电缆 所占的数量较多 线路分段问题 一般是每 4 6 户一段 架空线用真空开关分段 电 缆用 SF6开关分段 各段之间没有时间级差 2 10KV 配电网实现手拉手形式 全市基本形成环网 可实现带负荷转供电 供 电可靠性高 开闭所进线也不设保护 仅用负荷开关 二 保护配置及整定 1 保护基本上微机化 10KV 出线保护有二段的 也有三段的 采用定时限 整定时计算短路电流用阻抗值 速断 按躲过最大容量变压器低压侧短路来整定 系数取 1 3 动作时限取 0 5 秒 若 采用三段式 则取 0 秒 过流 考虑末端有足够灵敏度 动作时限 1 0 秒或 1 5 秒 大体是架空线 0 5 秒和 1 0 秒或 1 5 秒 电缆线为 0 秒和 1 0 秒 2 架空线投入重合闸 采用重合闸后加速 留有 0 2 秒延时 3 用户端若用熔丝保护 发生过越级跳闸 但这是用户的问题 另外 由于可以 带负荷转供电 所以问题不是特别严重 三 涌流问题 没发生过 10KV 开关因涌流影响合不上的问题 解决涌流问题有三种措施 一是 缩小供电半径 二是控制供电容量 一般是 1400 1500A 三是用户亦有失压保护 另外 重合闸后加速延时 0 2 秒 有时亦解掉后加速 电流速断延时 0 5 秒影响 变压器的问题没考虑 武汉供电公司武汉供电公司 生技部及调通中心生技部及调通中心 11 月月 1 日日 一 10KV 配网基本情况 1 旧线路多为架空线 新上线路一般用纯电缆 线路一般用柱上开关分段 3 4 段 开闭所多 供电半径为 2 3km 2 配电网同样具有手拉手的环网结构 故障时可以转供电 大容量变压器都带有 加保护的高压和低压配电房 开闭所出线用反时限 即高压侧 跌落式 低压 熔丝 3 T 接的用户高压侧用跌落式开关或加电流速断保护 主网内 110 10KV 变电所 有 50 几个 二 保护配置及整定 1 保护装置仍有 60 左右是电磁型的 10KV 开关为 31 5KA 2 保护配置分三大类 1 重要线路 用纵差 约占 5 由用户投资 2 速断带 0 25 秒延时的 仅一条线路 由变压器厂家承诺 供电公司不负 责任 3 其他配置为速断 0 秒 过流 1 0 秒 速断 按线路末端短路整定 约 7 8KA 但实际考虑时都取不大于 5KA 二次 侧不大于 40A 计算短路电流时不考虑电阻影响 只是大体取值 动作时限为 0 秒 过流 定值按 CT 变比取值 2 1 25 57 5 0 85 d IA 动作时限一般与变压器后备保 护配合 大体如下图所示 3 重合闸启动时间为 3 秒 不投入后加速 4 变电站若有 2 台 5 万以上的变压器 则母分加过流保护 动作时限为 0 5 秒 如图 7 5 没出现过越级跳闸 三 涌流问题 没出现因涌流影响使 10KV 开关合不上的问题 只有路灯出现过 次数也极少 旧线路用户侧有失压保护 主变 过流 母分 主变 0 5 1 5 0 1 0 0 5 1 5 电 源 图 1 6 武汉市 10KV 馈线保护配置示意 10KV 开闭所 国家变压器质量监督检验中心 沈阳变压器研究所和国家变压器质量监督检验中心 沈阳变压器研究所和 TBEA 特变电工沈阳变压器集团有特变电工沈阳变压器集团有 限公司调研报告限公司调研报告 2004 年年 11 月月 12 13 日日 地点 国家变压器质量监督检验中心 沈阳变压器研究所和 TBEA 特变电工沈阳变压 器集团有限公司 调研内容 调研电力变压器电性能和质量 接待人 国家变压器质量监督检验中心 沈阳变压器研究所所长 教授级高工陈奎和 TBEA 特变电工沈阳变压器集团有限公司 技术中心副主任兼设计开发部部长孙树波 一 电力变压器热稳定实验 变压器热稳定实验按短路电流进行热稳定校验 tItI tj 22 I为短路电流稳态值 tj是实验时间 也就是假想 等效 发热时间为 2 秒 It为 t 秒时的稳定电流值 变压 器铜导线的温升小于 2500C 二 电力变压器动稳定实验 1 变压器动稳定实验在同时满足下列条件进行 1 保证电力变压器一次绕组电压等于额定值 即 U1 Ue 2 在电压过零点 电流达到最大值的状态下 3 电力变压器低压侧出口处三相短路 2 电力变压器动稳定实验时间 1 2500KVA 变压器动稳定实验时间为 t 0 5 秒 2 2500KVA 100MVA 变压器动稳定实验时间为 t 0 25 秒 3 100MVA 以上变压器动稳定实验时间为 t 0 25 秒 3 动稳定实验时 在半个周波 0 01 秒 内电流的峰值高达 IOC 2 55 Id 式中 Id为 变压器低压侧出口处的三相短路电流周期分量有效值 即 Id 1 Xd 电力变压器一次绕 组电压为额定值 即 U1 Ue Xd是变压器的短路阻抗值 国家变压器质量监督检验中心 沈阳变压器研究所所长陈奎教授级高工的分析和 看法是 主变压器低压侧出线 10 开关保护的时限可以提高到 0 5 秒 因为变压器的热稳定 效应肯定没问题 此外 变压器的动稳定效应在 0 5 秒内可以承受负载端发生短路时所 产生的电动力 第二部分第二部分 部分城市部分城市 10KV 开关保护调研情况分析开关保护调研情况分析 合理的电网结构是电力系统安全稳定运行的基础 继电保护能否发挥积极作用 与电网结构及电力设备的布置是否合理有密切关系 必须把他们作为一个有机整体统 筹考虑 全面安排 如应综合考虑以下问题 宜采用环网布置 开环运行 宜采用双 回线布置 单回线 变压器组运行的终端供电方式 向多处供电的单电源终端线路 宜采用 T 接的方式接入供电变压器 这三种方式均以自动重合闸和备用电源自动投入 来增加供电可靠性 这些在我们配网中应该说是基本能实现 随着国民经济的发展 用电量的不断扩 大 10KV 配网的规模也日益扩大 对供电可靠性也提出更高的要求 从我们调研的情 况看 各大城市 杭州 南京 上海 广州 大多投入较大资金进行配网改造 大致 情况如下 一是电缆线路多 二是架空线用全绝缘线 三是几乎形成了手拉手供电方 式 可以由光缆实现带负荷转供电 这样一来减少故障率 二来也提高了供电可靠性 对于一些中小城市 如厦门 泉州等 也采用不同的方式 如主干线用真空短路器分 断 或者 T 接的用户变压器用真空开关 或者开闭所进线设保护等方法尽量缩小停电 范围 从配网的整体情况看 差别并不是特别大 而城市配网的特点却是相同的 即 配电网络的距离短 多为 2 3 公里 较长者 5 公里 负载密集 故而每条主干线上都 或多或少地 T 接着用户变压器 且其运行情况受系统 负荷大小 天气 周边环境及 施工质量等因素的影响 其故障原因比较复杂 这也给保护的整定带来了较大的难点 反之 保护的配合也就存在一定的灵活性 因为一个整定方案由于整定配合的方法不 同 会有不同的保护效果 这就有一个整定配合的技巧问题 任何一种保护装置的性 能都是有限的或者说任何一种保护装置对电力系统的适应能力都是有限的 如何获得 一个最佳的整定方案 这既有自身的整定技巧问题 又有继电保护的配置与选型问题 还有电力系统的结构和运行问题 因此 整定计算要综合 辨证 统一地运用 1 我们这次对大 中 小共 9 个城市的 10KV 配网进行了调研 配网的基本情况 前面已经提过 保护的配置方案也基本相同 都为二段式电流保护 泉州采用三段式 但动作值的整定方法及动作时限却不尽相同 采用的重合闸方式也不相同 但大体上 可分为这样两大类 一是电流速断保护动作时限为 0 秒 如武汉 泉州 北京 上海 杭州 其动作 值约在 5KA 左右 尽管这也可能延伸到 T 接的变压器高压侧 但与福州 0 秒动作的定 值比起来 范围显然小很多 且上海 杭州采用的又是重合闸前加速 也就不存在 T 接变压器高压侧短路 10KV 出线开关误动作的问题 杭州局定值较小 二是速断适当延时 0 2 0 6 秒 如广州 厦门 南京 其动作值一般在 1 5 2 0KA 左右 广州 厦门 武汉在开闭所进线都设保护 0 秒 杭州 南京开闭所用负荷开 关 直进直出 但其转供电的性能好 过电流保护动作值都相近 一般在 7 5 8A 左右 动作时限一般在 0 9 1 秒之间 这样 T 接的用户变压器有一个时间级差 即便用户变压器采用的是跌落式开关 10KV 开关也可以从时限上躲过的 完全可以减少误动作的可能 2 这些城市配网的另一个共同特点是保护装置基本微机化 只有武汉尚有 60 是 电磁型的 故保护装置的性能好 配网改造的进程也比较快 供电可靠性比较高 3 为防止近端短路变压器受大短路电流的冲击 上海 厦门 泉州都投入大电流 闭锁重合闸 上海从五十年代延用至今 这既保证了 T 接用户变压器高压侧短路时由 于 10KV 出线开关的延时而不至于误动作 又能保证出口发生永久性故障时变压器少 受故障电流的冲击 其电流定值约整定在 12KA 左右 4 根据国家变压器质量监督检验中心 沈阳变压器研究所和 TBEA 特变电工变压 器产业 集团的调研报告 对 10KV 馈线主保护 变压器可以承受的热稳定效应为 2 秒 动稳定在 0 25 秒内可以承受冲击电流 doc II 55 2 Id为变压器低压侧出口处三相短路 电流 所以提高 10KV 出线开关保护的时限到 0 3 秒 变压器可以承受低压侧出口短 路的冲击电流所产生的电动力 第三部分第三部分 福州市福州市 10KV 馈线保护的配置 整定及分析馈线保护的配置 整定及分析 根据配电中心提供的资料 即 10KV 馈线保护的整定计算依据 我们从理论上进 行分析 一 福州局 10KV 馈线保护的配置和整定方法 从三段式电流保护的基本概念 或定义 出发 时限配置上是速断 过流 速断 动作值的整定是按躲过系统最大运行方式下 T 接在线路上容量最大的一台变压器低压 侧短路时流过保护的最大电流来整定 不考虑电阻影响 动作时限为 0 秒 定值一般 在 1500 2000A 左右 过流保护是按躲过最大负荷电流来整定 动作时限一般为 0 5 秒 二 10KV 开关保护跳闸情况分析 1 速断动作值这样整定其保护范围必然延伸到变压器内部 如图 3 1 而动作时 限又是 0 所以 如果在 T 接的变压器高压侧或内部短路 保护动作使 DL1 跳闸 应该算正确动作 T 接的变压器若用跌落式开关 熔丝的安秒特性是反时限的 如图 3 2 熔断时间不够准确 且 DL1 速断的动作时限也没有与之配合 所以 DL1 的跳闸 是在所必然 2 若是在用户侧短路 包括变压器低压侧母线 0 4KV 侧 从理论上讲流过保 护的电流达不到速断的动作值 见算例 若 DL1 跳闸 理应是其过流保护动作 3 T 接在同一线路上 容量较小的变压器若其低压侧短路 因为其短路阻抗比较 大 短路电流也不可能达到让 DL1 速断动作的数值 如果 DL1 跳闸 亦应是过流保护 I A t s 0 图 3 2 熔丝的安秒特图 3 1 输电线路各点短路电流分布图 10KV 主干线 T 接变 DL1 动作 而这时责任应属用户的保护定值及时限的整定问题 三 查阅有关规程 按规程进行理论上整定 段电流速断保护 1 为满足选择性 按最大运行方式下躲过末端短路时流过保护的最大电流来整 定 在计算短路电流时 我们按规程规定 即 中华人民共和国电力行业标准 3 110KV 电网继电保护装置运行整定规程 DL T 584 95 第 4 条 继电保护整定的规定 的第 4 1 2 的 a 66KV 及以下的架空线路和电缆 当电阻与电抗之比 R X 0 3 时 宜采 用阻抗值 Z X2 R2 1 2 并假定旋转电机的负序阻抗等于正序电抗 x2 x1 现在以新 港变 613 线路为例整定 见附录一 其结果在预料之中 因为城网线路短 所以在 最小运行方式下没有保护区 2 根据同一规程 4 2 6 阶段式电流保护 的 4 2 6 1 电流速断保护 的 b 对于 接入供电变压器的终端线路 含 T 接供电变压器和供电线路 如变压器装有差动保护 线路电流速断保护定值允许按躲过变压器其他侧母线三相最大短路电流整定 如变压 器以电流速断为主保护 则线路速断保护应与变压器速断保护配合整定 即应把变压 器的电流速断保护定值再乘以配合系数 IIdz kk nIIdzb 所以 必须了解在 10KV 主干线 T 接的变压器的保护问题 如果能按这样整定 则在用户变压器内部故障 10KV 馈线保 护就不可能动作 由于缺乏这方面资料 所以我们仍参阅同一规程的第 2 条继电保护 运行整定的基本原则的 2 3 2 遇如下情况 允许适当牺牲部分选择性 a 接入供电变 压器的终端线路无论是一台或多台变压器并列运行 包括多处 T 接的供电变压器或供 电线路 都允许线路侧的速动段保护按躲开变压器其他侧母线故障整定 需要时 线 路速动段保护可经一小段延时 这就是福州局整定依据 只是我们计算短路电流时把 电阻考虑进去 所计算出的动作值相差不多 但我们计算出各 T 接处变压器另一侧短 路时 流过保护的短路电流都比整定值小 说明它不应误动作 当然 在高压侧短路 则另当别论 从规程规定分析福州局的情况 因为 10KV 速断没有延时 误动作的可能性在所难 免 四 与外地调研情况比较 1 前面也提到过福州局速断整定问题 它同广州 南京 厦门的整定方法一样 定值一般也在 1800 2000 安左右 但时限却为 0 秒 如果 T 接的用户变压器用的又是 跌落式开关 在其高压侧短路 则 10KV 出线误动作在所难免 即便是开闭所 其进 线若有保护也无法在时限上实现配合 如果在其低压侧短路 由于熔丝安秒特性误差 大 而其过电流保护仅采用 0 5 秒 那越级跳闸的可能性也就大 过电流保护的动作时 限是我们所调研的城市中最短的 2 从动作值的大体上看约 1800 2000A 这只是一个大约范围 从选取的可靠系 数来看 福州局偏小 仅取 1 2 而南京局取 1 3 第四部分第四部分 励磁涌流影响使开关误动作的分析励磁涌流影响使开关误动作的分析 励磁涌流发生在空载合闸或外部故障切除后电压恢复时 这主要是由于铁芯中的 磁链不能突变引起的 变压器正常运行时 励磁电流一般不超过额定电流的 2 10 2 其产生的磁通滞后电压 90 当外部短路时 由于电压降低 励磁电流变小 对 保护不造成影响 但当变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时 则将出现很大的励磁电流 称 之为涌流 以单相变压器为例说明之 若合闸时0u 滞后u o 90 则就有 m 如 下图 a 所示 由于铁芯中磁链不能突变 必然出现非周期分量磁通以保持0 的状 态 经半周期后铁芯磁通将达到 2 m 若铁芯中剩磁 s 的方向与 m 同向 则便有 2 ms 如下图 b 所示 使铁芯严重饱和 励磁电流将急剧增大 称之为励磁涌流 其数值可达其额定电流的 6 8 倍 同时含有大量的非周期分量和高次谐波分量 a 稳态情况下 磁通与电压的关系 b 0u 瞬间空载合闸时 磁通与电压的关系 c 变压器铁芯的磁化曲线 d 励磁涌流的波形 励磁涌流的大小和衰减时间 与外加电压的相位 铁芯中剩磁的大小和方向 电 源容量的大小 回路阻抗以及变压器容量的大小和铁芯性质等都有关系 例如在电压 过最大值时合闸 就没有涌流 只有正常的励磁电流 但对于三相变压器而言 无论 在任何瞬间合闸 至少有两相要出现不同程度的励磁涌流 对于中小型变压器而言 励磁涌流峰值可达额定电流的 8 倍并迅速衰减 一般经 0 5 1s 后其值就小于 0 25 0 5 倍的额定电流 对于大型变压器 则衰减相当慢 例 如 50MVA 以上的变压器 励磁涌流衰减到其最大峰值的 50 时的时间达几秒至几十 秒 T 接在 10KV 馈线上的变压器属中小型 从励磁涌流峰值的数值上可以看出 它可 能大于保护的定值 若按线路输送的总容量计算 所以 空载合闸时就有可能合不上 因为只要达到了保护的动作值 保护动作又会一次把开关跳开 故常要重合几次 而对于故障切除后进行一次重合闸 道理也是一样的 特别是投入重合闸后加速 保护的更容易遇到这种合不上的情况 即把涌流判断成故障电流 重合闸后加速过电流保护原理接线图如下图所示 当线路故障速断动作使断路器跳闸后 自动重合闸起动 在预设的时间内发出重 合闸脉冲 这脉冲仅 0 1 秒 以保证只重合一次 但与此同时 也向后记忆元件发出脉 冲 这脉冲使 JSJ 保持 1 秒 即 JSJ 接点闭合 1 秒时间 所以若当重合时有涌流的影响 使过流继电器动作 由于 SJ1是瞬间闭合的 JSJ 亦在闭合状态 便再次使 ZJ 通电 接 通 TQ 线圈使开关再次跳闸 LJSJ ZJ JSJ LP 2 SJ 1 SJ 重合闸后加速原理图 第五部分第五部分 福州配电网福州配电网 10KV 开关保护配置开关保护配置 整定方案和可行性建议整定方案和可行性建议 从以上的分析比较可以看出 福州局 10KV 馈线保护目前的配置还不尽合理 加 上配网改造的步伐可能也没有以上城市那么快 故障率相对较高 误动作几率也相对 高 根据以上分析比较 我们提出以下两个方案 1 保留原来的整定方法 将速断延时限延长到 0 2 0 3 秒动作是可行的 同时过 电流保护时限延长到 1 0 秒 速断动作时限是否延长 关键是考虑变压器抗短路能力 随着供电量的增加 系 统短路容量也增大 对变压器安全确实构成很大的威胁 但在系统规划时 都有采取 措施进行适当限制短路电流 如变电站的中 低压侧采用合环建设 开环运行的模式 若短路容量仍较大者 也可以在变压器低压侧装设低压电抗器以抑制短路电流 如南 门变 我们查看市局所辖变电站 10KV 侧的短路容量 只有新港变 28 97KA 远洋 变 28 05KA 和金山变 25 64KA 超过 25KA 其它的都在允许范围内 短路电流 超过者尚可通过配置母线保护来解决 另外 变压器承受短路的动稳定能力 主要取决于变压器设计与制造水平 企盼 采用保护方法来避免变压器因出口短路而导致损坏事故是相当困难的 因为 电力系 统中故障切除的总时间 保护装置的动作时间 断路器跳闸时间 包括灭弧 2 快速 保护要 0 02 秒固有动作时间 快速断路器开断时间要 0 05 0 06 秒 也就是说尽管保护 装置动作时间是 0 秒 而实际切除故障最快也要 0 07 0 08 秒 如果是中 慢速断路器 则开断时间大于 0 1 秒 3 则切除故障的总时间要 0 12 秒 用最不利的条件来分析短路 过程的情况 当 t 0 时发生三相短路 由于电流不能突变 可得出短路电流非周期分 量的初始值 现以三相短路为例 如图 5 1 取一相讨论短路时电源侧的电压 Rkl Lkl R L iK K 3 图 5 1 三相短路时其中一相的等值电路 由式 t k klkkl d di LiRU 解得 fi T kl kl m k cewt Z U I 1 sin fi T klzm cewtI 1 sin 式中 m U 相电压幅值 相电压邻相角 kl 短路电流与电压之间的相角 fi T kl kl R L 短路后回路的时间常数 一般为 0 045 0 05 秒 c 积分时间常数 zm I 三相短路电流周期分量幅值 若短路前 sin wtIi m 当 t 0 时 发生短路则有 cIwtI klzmm sin sin fioklzmm iIwtIc sin sin 称式中 fio i为短路时全电流中非周期分量的初始值 则短路全电流为 fi T fioklzmk eiwtIi 1 sin fiz ii 即短路的全电流为 周期分量 z i 和非周期分量 fi i 之和 fi i 按 fi T 的时间常数衰减 经过 3 5 fi T 的时间电流即将衰减至零 暂态过程基本结束 即电路进入稳定状态 在电源电压及短路地点不变的情况下 要使全电流达到最大值 必须具备以下条 件 5 1 短路前为空载 即0 m I 则 sin klzmfio Ii 2 短路时 kl X kl R 即 o 90 kl 3 短路发生在 t 0 时 电压瞬时值过零点 即0 则 zmfio Ii 这时 fi T fiozmk eiwtIi 1 cos 经过 0 01 秒后 短路电流的幅值达到最大值 如 图 2 所示 此电流即为冲击电流 而电动力的最大瞬时值与短路冲击电流出现有关 6 也就是说 电动力的最大瞬时值出现在短路后 0 01 秒时 冲击电流出现 所以 最大电动力可以用冲击电流表示 zsh Ii55 2 故最大电动力为 2 55 2 Z AIF A 为单 位电流流过的电动力 图 5 2 短路电流为最大值的波形图 由此可见 在继电保护动作时把断路器跳开后 变压器绕组早已承受了最大电动 力的作用了 另外 我们查阅了本省近二年来变压器故障率偏高的原因分析 尽管引发其损坏 是由出口短路引起的 但实际上多是因变压器自身抗短路能力不够 或者运行年限较 长 或者变压器本身就是劣质产品所致 所以 保护变压器关键在于提高变压器的设 计和制造水平 减少出口短路故障率 而不在于保护 0 秒动作或是 0 3 秒动作 从沈阳 变压器研究所调研的资料表明 100MVA 以上变压器在冲击电流作用下 实验时间达 0 25 秒左右 更何况推导 zsh Ii55 2 是在最不利的条件下短路 而实际运行中短路时 以上几个条件不可能同时满足 也就是说所承受的电动力不一定那么大 当然 延长保护动作时间 变压器承受短路电流的时间加长了 使绝缘承受高温 时间长 这是否加速绝缘老化 影响变压器的使用寿命 这是难以确定的问题 但根据变压器短路运行规定 短路后的最大平均温度 Q1应小于绕组最大平均温度 Q2 对于油浸式 A 级绝缘变压器 铜的最大平均温度为 250 铝的最大平均温度为 200 一般情况下 变压器热稳定实验时 短路电流为额定电流的 20 倍左右 实验 持续时间为 2 秒 延时 0 2 0 3 秒对热稳定来讲应该是允许的 沈阳变压器研究所的陈 所长也肯定了这一点 现在尚没有一个简单的准则来判断变压器的真正寿命 通常用预期寿命来判断 一般认为 当变压器绝缘的机械强度降低至 15 20 时 变压器的预期寿命即算终止 对于标准变压器 在额定负荷和正常环境温度下 热点温度的正常基准值为 98 此 时变压器能获得正常寿命 20 30 年 3 即变压器的老化率假定为 1 根据等值老化原则 即只要使变压器在温度较高的时间内所多损耗的寿命与变压器在温度较低的时间内少 损耗的寿命相互补偿 这样 其预期寿命可以和恒温 98 运行时的寿命等值 如果说 热稳定是在它的允许范围内 那么延长保护动作时间 让变压器在预期的寿命里充分 发挥它承受短路电流的能力 由于保护动作时限为 0 秒引起误动作而失去大量电能的 经济效益比较 也许更应采取前者 当然 这只能是一个定性的 不成熟的预计 另 外 从沈阳变压器厂的调研情况来看 延时 0 2 0 3 秒动作这种方案也是可行的 对于过电流保护 也同样可以延长到 1 0 秒 也就是说 对于福州电业局来说 原 来的动作值整定方案不变 只把动作时限改为 速断 0 2 0 3 秒 过电流 1 0 秒 这样 与 T 接变压器有个时间级差 保护不容易越级跳闸 而对于开闭所 其进线也可以有 0 秒和 0 5 秒的动作时限配合 定能大大减少 10KV 出线开关误动作的问题 这也可从 配电公司给的资料中得到证实 另外 由于保护动作时限提高 也就可以躲过励磁涌流的峰值 减少由于励磁涌 流的影响而使开关合不上的现象 这也将减少巡视人员的工作量 2 采用三段保护 段 无时限电流速断保护 定值提高 如泉州 武汉 至 5KA 左右 段 定 时限电流速断保护 使用原来 0 秒动作的整定值 动作时限为 0 5 秒 段 过流保护 时限为 1 0 秒 这将使保护接线比较复杂 但可减少 T 接变压器内部短路引起 10KV 出 线开关误动作的现象 因为 T 接变压器内部短路 其短路电流较易达到 0 5 秒这一段 的定值 且多用跌落式开关 由于 10KV 出线开关有 0 5 秒的延时 可从时限上躲过熔 丝的熔断时间 按规程 4 2 6 1 c 的规定 线路速断保护应校核被保护线路出口短路的 灵敏度系数 在常见运行方式下 三相短路的灵敏度系数不小于 1 即可投入 该方案 是符合规程要求的 若为减少近端短路造成变压器承受大短路电流的影响 可投入速 断闭锁重合闸 以上方案及可行性建议均是对 T 接用户较多的线路适应 但对串型供电线路则没 有必要采取速断延时动作的方案 3 基于中小型变压器励磁涌流衰减快的特点 故多数采用重合闸后加速延长 0 2 秒的办法来解决由于涌流导致开关合不上的情况 当然这要是在微机保护的前提下 否则就只能采用解掉后加速压板的办法 即不投入后加速 从省调研情况来看 他们 多数采用后加速延长 0 2 秒的办法来解决上述问题 对于空载合闸的涌流问题 如果按方案 1 来配置保护 则很明显可从时限上躲过 涌流峰值 如果采用方案 2 来配置保护 则 0 秒段的动作值高于涌流 从而在动作值 上躲过涌流的影响 而 0 5 秒这段则从时限上躲过 另一个可采取的方案是在一些专供 变压器的低压侧加装失压保护 这样在重合闸时就可以减少一些感应电动机的影响 这也是调研中几大城市所采用的解决办法 总之 任何保护都不可能是十分完善的 不可能有百分之百的动作正确率 要能 适应国民经济发展的需要 提高人民的生活质量 提高供电可靠性的关键还在于加大 加快 10KV 配网的改造 我们所调研的城市 特别是杭州 南京 广州等 他们在这 方面投入相当大的资金 如供电线路电缆化 全绝缘化及手拉手型式 这将会明显地 减少故障率 采用保护微机化也可以减少误动作率 福州地区配电网直供区域福州地区配电网直供区域 10KV 开关保护时限最开关保护时限最 佳整定值的研究总结报告佳整定值的研究总结报告 一 项目立题意义 由于 目前福州地区配电网直供区域 10kV 馈线开关速断保护动作时限多数设为 0 秒 而用户内部总屏柜速断保护动作时限也是 0 秒 因此 它们在时限上无法做到前 后级配合 当用户内部发生故障时导致变电站10kV侧馈线开关速断保护动作越级跳闸 造成部分区域发生不必要的停电事故 近年来 发生此类故障占有相当大的比例 比 如 2003 年 2 月至 11 月份止 发生 10KV 馈线开关速断保护越级跳闸有 131 次 其中 由于用户原因造成跳闸事故的有 42 次 占总数的 32 1 从而造成大量的电量损失 增加了开关的动作次数 影响正常用户的用电 造成不必要的经济损失 损害了企业 的社会形象 为了保证福州地区配电网直供区域的供电质量 提高供电可靠性 减少不必要的 经济损失 福州市电业局委托我们课题组成员对变电站 10KV 侧和用户侧保护时限 整 定值以及开关误动作对主变的影响进行研究 并探讨防止励磁涌流引起开关误动作的 保护方法和措施 二 项目研究过程 从 4 月份开始 我们课题组成员首先到福州配电中心 福州南门变等地进行实地 调研 了解福州 10KV 配电网的结构形式以及收集有关馈线保护整定等参数 在理论 上对新港变 613 10KV 馈线保护整定进行分析和研究 然后课题组成员分别赴北京 广 州 上海 南京 武汉 杭州 沈阳 厦门 泉州和晋江等城市的电业局 配电中心 进行实地调研 了解这些城市 10kV 配电网馈线保护目前采取的保护时限和定值以及采 用何种方法避免和防止励磁涌流引起开关误动作的发生 为了进一步了解主变压器所 能承受的热稳定效应和抗短路电流的冲击能力 课题组还到国家变压器质量监督检验 中心 沈阳变压器研究所 沈阳变压器制造厂和福州变压器厂进行实地调研 除此之 外 课题组还通过电话和电子邮件通讯的形式与有关变电站的技术人员联系 探讨馈 线保护和防止励磁涌流引起开关误动作的方法和措施 以上各城市的 10kV 配电网馈线 开关保护的具体整定值和保护方案详见研究报告的第一部分 三 解决问题的可行性方案和建议 从以上的分析比较可以看出 福州局 10KV 馈线保护目前的配置还不尽合理 加 上配网改造的步伐可能也没有以上城市那么快 故障率相对较高 误动作几率也相对 高 根据以上分析比较 我们提出以下两个方案和防止励磁涌流引起开关误动作的保 护措施 1 保留原来的整定方法 将速断延时限延长到 0 2 0 3 秒动作是可行的 同时过 电流保护时限延长到 1 0 秒 速断保护动作时限延长了 对变压器安全确实构成威胁 但在系统规划时 都有 采取适当限制短路电流的措施 如在变电站中低压侧采用合环建设 开环运行的模式 若短路容量仍较大者 也可以在变压器低压侧装设低压电抗器来抑制短路电流 另外 变压器承受短路的动稳定能力 主要取决于变压器设计与制造水平 因为 当电力系统发生故障到切除 总时间 保护装置的动作时间 断路器跳闸时间 快 速保护要 0 02 秒固有动作时间 快速断路器开断时间要 0 05 0 06 秒 也就是说 尽管 保护装置动作时间是 0 秒 而实际上切除故障最快也要经过 0 07 0 08 秒 如果是中 慢速断路器则开断时间需大于 0 1 秒 则切除故障的总时间要 0 12 秒 从国家变压器 质量监督检验中心 沈阳变压器研究所调研情况分析 100MVA 以上变压器在最不利 的条件下进行动稳定实验 即同时满足下列三哥条件 1 保证电力变压器一次绕组电 压等于额定值 即 U1 Ue 2 在电压过零点 电流达到最大值的状态下 3 电力变压 器低压侧出口处三相短路 实验时间达 0 25 秒左右 在半个周波 0 01 秒 内承受电 流峰