配網 20kV線路保護單相高阻接地問題探討

余 紅

(廣東電網茂名化州供電局,廣東 茂名 525100)

1 前 言

一些供電局逐步實施 10kV升壓至 20kV的改造工程,并且中性點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備的耐絕緣水平,從而節約電纜出線成本。

3)為使得10kV中性點的非有效接地系統能夠直接升壓到 20kV,應該盡可能的利用升壓前的對應的相關一次設備。以下針對國內 20kV線路中性點經小電阻接地系統,給出了具體的保護配置情況,通過仿真試驗,對單相高阻接地時保護可能發生拒動作現象進行了闡述,提出了解決單相高阻接地保護拒動作問題的措施。

2 20kV線路保護配置現狀

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

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

3)零序功率方向保護:零序電流大于較小的整定值,且零序功率方向元件動作,則經過一定的延時后保護跳閘。

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

表1 某省20kV出線保護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外單相接地時避開被保護線路中的電容電流。

2)架空線路或者電纜與架空混合的線路,因為各種外部原因可能會碰斷架空線使其掉到地面,因此出現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的靈敏度。

當發生單相高阻接地時,一般是通過由零序過流保護或零序功率方向保護以實現保護跳閘。假若選用零序過流保護,零序 II段過流定值可按確保躲過本線路電容電流來進行整定;假若選用的是零序功率方向保護,零序電流定值可按躲正常負荷的最大不平衡電流來進行整定。表 2所示為零序過流保護與零序方向保護的相關性能比較。

表2 零序過流保護與零序功率方向保護的比較

3.2 整定值差異

1)無論是電纜出線還是混合出線,系統接地時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該限制在 15km以下,如果選用電纜的導體截面積是 3×630平方毫米,且單位長度電容值是 0.416uf/km,則計算所得的電容電流在 22.6A以下。

2)在對最大的不平衡電流整定值進行估算時,按文獻 [7-11]相應規程,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。依據以上的估算結果,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較大,那么零序過流保護 II段與零序功率方向保護的零流定值將會大體相同。反之則零序過流保護 II段整定值將大于零序功率方向保護的零流定值。

3.3 極性校驗原則

零序功率方向保護接入保護零序電壓和電流極性的正確性需要進行嚴格的校驗,以下是常用的校驗方法:

1)保護裝置單體極性校驗:分別對 A、B、C相加載 57.7V的電壓,觀測保護裝置所顯示的相電壓與零序電壓值;分別對 A、B、C相加載1.0A的電流,觀測面板所顯示的相電流與零序電流值;根據最大靈敏角分別對 A、B、C相加載以上的電壓和電流值,觀測零序方向保護裝置是否能夠動作并獲取動作邊界。

2)帶回路檢查:假若負荷電流是大于零功方向元件中零序電流的判定值的話,可通過進行帶負荷試驗以校驗零序電壓與零序電流間的極性是不是正確。若某條出線的負荷電流出現小于零序電流判定值的情況,則要等到出線負荷增大以后才可補做相應的試驗。

3.4 存在的問題

由于整定值大體相同,并且對零序電流電壓的極性進行校驗會比較麻煩,因此一些省份在推廣的 20kV系統時,保護裝置不是采用零序功率方向保護,而是選用用零序過流保護。

為考驗架空線路從 10kV升壓到 20kV后的相關適應性,需進行升壓運行的人工單相接地試驗以考核系統可能出現的過電壓情況和繼電保護動作的準確性。試驗具體項目包括經沙土、樹木、水泥板和柏油路面單相接地的情況。其中本試驗中的接地相都為 A相由試驗結果可知:在高阻接地時的接地點電流會比較小,導致零序過流保護不動作。

4 仿真分析

4.1 仿真計算

下面以某省 20kV系統為例進行仿真計算,其中變壓器選用220kV/21kV抽頭,接線方式為Yn-Yn,20kV側中性點是經過 19.92Ψ小電阻后接地,變壓器高壓和低壓側間的電抗是 31Ψ,而從 20kV側看過去的變壓器電抗經過計算約 0.28Ψ。

在進行仿真計算之前,首先需要的是計算20kV側的短路電流,相對于中性點電阻來說,電纜與變壓器的阻抗是可以完全忽略的。因而 20kV出線電纜在出現單相金屬性接地故障時,其短路電流可計算如下:

式中 Ue表示的是相間電壓 21kV,R表示的是中性點電阻。

4.2 結果分析

以 20kV系統的出線保護配置與整定值為例進行分析。對于單相高阻接地,假若選用的是零序過流 II段,當采用 150.0A的定值時候,保護耐高阻的能力只有 57.1Ψ;假若是選用零序功率方向保護,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,則存在兩個問題:一是零序電流整定值將會偏小,可能會出現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偏小,因此將難以有效地來計算零序的功率方向。

綜合以上分析可知,20kV系統中性點經19.92Ψ小電阻接地時,出線保護耐過渡電阻能力需小于 365.0Ψ。

5 改進方法

5.1 新增單相高阻接地保護裝置

保留現有保護測控裝置,新增一套單相高阻接地保護裝置。在單相經較大過渡電阻接地時,現有的保護裝置靈敏度難以滿足要求,主要原因是現有保護均基于穩態量原理,沒有利用單相接地故障發生時豐富的暫態信息。新增加的單相高阻接地保護裝置,選用高采樣率和高分辨率的 A/D轉換器,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,利用零序暫態突變量信息來選出故障出線,并直接進行跳閘。該保護裝置比過電流保護和零序過流保護的最長動作延時多一個時間級差。

該方法借鑒了國內現有基于暫態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別是:選線裝置只是給出信號而不直接跳閘;選線裝置對選線結果上傳的快速性沒有嚴格要求,上傳時間一般為幾分鐘,從而決定了現有選線裝置硬件設計難以滿足高阻接地保護裝置的快速性需求。

5.2 開發集成型保護

集成型保護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,以及相關的斷路器信息。除了可以實現常規保護測控裝置的功能外,對單相高阻接地判別時,除了暫態零序電流,還能利用出線故障相的暫態電流,保護可用的信息更豐富。其缺點是需要對現有保護測控進行重新開發,研發工作量較大。

5.3 采用自適應零序電流整定值

規程 [7]中規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整,是綜合考慮所有情況后最保守的整定結果。如果能根據負荷情況實時估算并由裝置自適應調整整定值,可有效提高保護耐單相高阻接地能力。

6 結 論

以上根據國內20kV系統中性點經小電阻接地保護現狀,通過結合人工接地試驗的結果,詳細地闡述了線路保護中單相高阻接地時發生拒動作的問題。本文詳細分析了零序過流保護與零序功率方向保護的優缺點,并且基于仿真計算和試驗結果分析,提出了提高線路保護耐高阻接地能力的具體措施。

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