備自投在10 kV單母四分段環形接線中的應用

閆 石

(深圳市機場(集團)有限公司，廣東 深圳 518103)

0 引 言

對于負荷集中、較大的重要用戶，傳統的2臺主變組成的變電站已不能滿足需求。3臺主變單母四分段接線的變電站因具有負荷均分的特點，在主變負荷率為70%時仍能保證足夠的備用容量，已有相當廣泛的應用[1]。文章以某用戶的3臺主變單母四分段環形接線的變電站為例，結合其小電阻接地方式對其10 kV備自投進行分析。

1 變電站主接線及運行方式

某用戶變電站采用3臺110/10 kV、50 MVA、YNd11主變。10 kV側采用單母四分段環形接線，即Ⅰ主變10 kV側接入Ⅰ母，Ⅱ主變10 kV側以雙分支形式接入ⅡA母、ⅡB母，Ⅲ主變10 kV側接入Ⅲ母，Ⅰ母與ⅡA母通過103分段斷路器連接，ⅡB母與Ⅲ母通過106分段斷路器連接，Ⅰ母與Ⅲ母通過107分段斷路器連接。Ⅰ母、Ⅲ母分別接入饋線20回，ⅡA母、ⅡB母分別接入饋線10回。10 kV系統為小電阻接地方式且無電源接入，Ⅰ母、ⅡB母、Ⅲ母分別接入Z聯結接地變。Ⅰ母、ⅡA母、Ⅲ母分別接入SVG。103、106、107斷路器處分別配置備自投BZT1、BZT2、BZT3，如圖1所示。

圖1 變電站簡化接線

變電站正常運行方式為101、102、104、105、108、109、110斷路器合位，103、106、107斷路器分位，即Ⅰ主變帶Ⅰ母運行，Ⅱ主變帶ⅡA母、ⅡB母運行，Ⅲ主變帶Ⅲ母運行，Ⅰ母、ⅡA母分列運行，ⅡB母、Ⅲ母分列運行。Ⅰ母、ⅡA母、ⅡB母、Ⅲ母分別通過Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ接地變接地。

2 主變負荷率不高于35%時備自投的運行

變電站投運初期，110 kV電源接入不完全， 2臺主變共用1個電源，且主變負荷率不高于35%。任意2臺主變失電，剩余1臺主變能帶全站負荷運行，其最大負荷率約105%，屬于正常過負荷狀態，可以長時間運行。BZT1、BZT2無需投入負荷均分功能。

BZT3投入后，Ⅰ主變、Ⅲ主變在Ⅱ主變退出運行時仍能互為備用。但BZT3投入后，Ⅰ主變失電，BZT1、BZT3的動作范圍重疊；Ⅲ主變失電，BZT2、BZT3的動作范圍重疊。為方便整定配合，BZT1、BZT2的動作時間整定相同，BZT3作為后備，其動作時間大于BZT1、BZT2的動作時間。考慮10 kV斷路器的分、合閘時間，保護出口時間、繼電器驅動時間、位置接點動作時間、母線電壓恢復時間及一定的時間裕度，應至少大于0.5 s(不包含合閘延時)。

結合小電阻接地系統必須且只能有一個中性點接地的運行要求，BZT1、BZT2、BZT3的動作邏輯如下所述。

2.1 BZT1的動作邏輯

充電條件(見圖2)：101合位、102合位、103分位、Ⅰ母三相有壓、ⅡA母三相有壓。條件均滿足后，BZT1經延時完成充電。

圖2 BZT1的充電條件(BZT2、BZT3類同)

起動條件(見圖3)：充電完成、Ⅰ母三相無壓、Ⅰ母進線無流、ⅡA母三相有壓。條件均滿足后，BZT1起動經延時跳101同時聯跳108，確認101分位且Ⅰ母三相無壓，經延時合103。充電完成、ⅡA母三相無壓、ⅡA母進線無流、Ⅰ母三相有壓。條件均滿足后，BZT1起動經延時跳102，確認102分位且ⅡA母三相無壓，經延時合103。

圖3 BZT1的起動條件

2.2 BZT2的動作邏輯

充電條件：104合位、105合位、106分位、ⅡB母三相有壓、Ⅲ母三相有壓。條件均滿足后，BZT2經延時完成充電。

起動條件(見圖4)：充電完成、ⅡB母三相無壓、ⅡB母進線無流、Ⅲ母三相有壓。條件均滿足后，BZT2起動經延時跳104同時聯跳109，確認104分位且ⅡB母三相無壓，經延時合106。充電完成、Ⅲ母三相無壓、Ⅲ母進線無流、ⅡB母三相有壓。條件均滿足后，BZT2起動經延時跳105同時聯跳110，確認105分位且Ⅲ母三相無壓，經延時合106。

圖4 BZT2的起動條件

2.3 BZT3的動作邏輯

充電條件：101合位、105合位、107分位、Ⅰ母三相有壓、Ⅲ母三相有壓。條件均滿足后，BZT3經延時完成充電。

起動條件(見圖5)：充電完成、Ⅰ母三相無壓、Ⅰ母進線無流、Ⅲ母三相有壓。條件均滿足后，BZT3起動經延時跳101同時聯跳108，確認101分位且Ⅰ母三相無壓，經延時合107。充電完成、Ⅲ母三相無壓、Ⅲ母進線無流、Ⅰ母三相有壓。條件均滿足后，BZT3起動經延時跳105同時聯跳110，確認105分位且Ⅲ母三相無壓，經延時合107。

圖5 BZT3的起動條件

為提高投入成功率，備自投不判別接地變斷路器的位置。

3 主變負荷率不低于70%時備自投的運行

主變負荷率不低于70%，任意1臺主變失電，剩余2臺主變不能帶全站負荷運行，其最大負荷率高于140%，BZT1、BZT2必須投入負荷均分功能、過負荷聯切功能。負荷均分功能由BZT1、BZT2配合共同實現，任意1臺主變失電后，其余2臺主變均分其負荷。過負荷聯切功能由BZT1、BZT2分別實現，通過聯切部分負荷，使主變可以長時間運行。

3.1 BZT1、BZT2的負荷均分

由于小電阻接地系統必須且只能有一個中性點接地的運行要求，BZT1、BZT2投入負荷均分功能后的起動條件、動作出口對象與第2節有所不同：

1)Ⅰ主變失電。滿足BZT1起動條件后，BZT1起動經延時跳101，確認101分位且Ⅰ母三相無壓，經延時合103，確認103合位后，BZT1向BZT2發信起動負荷均分，BZT2收到BZT1的起動負荷均分信號且充電完成、Ⅲ母三相有壓，BZT2起動跳104同時聯跳109，確認104分位且ⅡB母三相無壓，經延時合106。

2)Ⅱ主變失電。若BZT1的動作時間先于BZT2至少0.5s，滿足BZT1起動條件后，BZT1起動經延時跳102，確認102分位且ⅡA母三相無壓，經延時合103，確認103合位后，BZT1向BZT2發信起動負荷均分。 BZT2收到BZT1的起動負荷均分信號且充電完成、Ⅲ母三相有壓，BZT2起動跳104同時聯跳109，確認104分位且ⅡB母三相無壓，經延時合106。

若BZT1、BZT2的動作時間相同，滿足BZT1起動條件后，BZT1起動經延時跳102，確認102分位且ⅡA母三相無壓，經延時合103，確認103合位后，BZT1向BZT2發信起動負荷均分并放電。滿足BZT2起動條件后，BZT2起動經延時跳105同時聯跳110，確認105分位且Ⅲ母三相無壓，經延時合106，確認106合位后，BZT2向BZT1發信起動負荷均分并放電。此時，Ⅰ主變、Ⅲ主變已均分Ⅱ主變的負荷。BZT1、BZT2收到對方的起動負荷均分信號后不會再起動負荷均分。

3)Ⅲ主變失電。滿足BZT2起動條件后，BZT2起動經延時跳105同時聯跳110，確認105分位且Ⅲ母三相無壓，經延時合106，確認106合位后，BZT2向BZT1發信起動負荷均分。BZT1收到BZT2的起動負荷均分信號且充電完成、Ⅰ母三相有壓，BZT1起動跳102，確認102分位且ⅡA母三相無壓，經延時合103。

負荷均分投入后，BZT1、BZT2的動作時間應不相同，否則Ⅰ主變、Ⅲ主變失電，BZT1、BZT2同時動作后，負荷均分無法起動，Ⅱ主變可能嚴重過負荷。BZT1、BZT2的動作時間應間隔至少0.5 s，向更重要負荷供電的母線的備自投先動作。若BZT1的動作時間先于BZT2，當BZT2收到BZT1的起動負荷均分信號且Ⅲ母三相無壓，BZT2放電。此時，Ⅱ主變帶ⅡA母、ⅡB母、Ⅰ母并列運行，可能過負荷，且有2個接地運行的中性點，可人工退出Ⅰ接地變。

由于負荷均分動作后，Ⅰ主變、Ⅲ主變中的1臺退出運行，二者已無法互為備用，BZT1、BZT2投入負荷均分功能，BZT3應退出。

3.2 BZT1、BZT2、BZT3的過負荷聯切

為減少備自投動作后對主變的過負荷沖擊，保證主變能正常運行，備自投動作合閘前后均聯切部分負荷。過負荷聯切功能投入后，BZT1動作跳101/102(BZT2動作跳104/105，BZT3動作跳101/105)同時聯切部分負荷，BZT1動作合103(BZT2動作合106，BZT3動作合107)后進入過負荷聯切邏輯，過負荷聯切可設置若干輪動作，但BZT1、BZT2的第1輪動作延時應躲過BZT1、BZT2完成負荷均分的時間。運行經驗表明，過負荷多發生在備自投動作后的5～10 min，故過負荷聯切邏輯展寬時間不應小于10 min，否則過負荷聯切效果不理想[2]。備自投動作后過負荷聯切邏輯如圖6所示。

圖6 備自投動作后過負荷聯切邏輯

4 主變負荷率高于35%但低于70%時備自投的運行

1)2臺主變同時失電或在1臺主變退出運行，其余2臺主變帶全站負荷的運行方式下，1臺主變失電，負荷均分無法起動，會損失部分負荷。由于負荷均分動作后，變電站無備用電源，2臺主變相繼失電，也會損失部分負荷。但1臺主變失電，備自投動作無需聯切負荷。

2)BZT1、BZT2退出負荷均分功能，BZT1、BZT2、BZT3投入過負荷聯切功能。在上述幾種故障工況下，各母線均能繼續運行，不會損失整段母線的負荷。但在主變負荷率高于50%時，1臺主變失電，備自投動作需聯切負荷且需考慮過負荷聯切完成前，主變能否承受過負荷的沖擊。

5 備自投與保護的配合

5.1 備自投與接地變電流保護的配合

1)接地變零序電流保護作為母線單相接地故障的主保護，通常采用程序式跳閘以縮小母線故障影響范圍，動作后閉鎖備自投[3]。但對于單母四分段環形接線方式會誤閉鎖備自投，若Ⅰ接地變零序電流保護1時限跳103并閉鎖BZT1、跳107并閉鎖BZT3，2時限跳101，3時限全切，在Ⅰ母、ⅡA母并列運行，Ⅰ母、Ⅲ母分列運行的運行方式下，ⅡA母單相接地故障，Ⅰ接地變零序電流保護動作誤閉鎖BZT3。103、106、107處配置零序電流保護，Ⅰ接地變零序電流保護與103、107處零序電流保護相配合以縮小母線故障影響范圍，Ⅰ接地變零序電流保護1時限跳101并閉鎖BZT1、BZT3，2時限全切。考慮Ⅰ主變帶全站負荷的運行方式，107處零序電流保護與106處零序電流保護配合，Ⅰ接地變零序電流保護與107處零序電流保護配合，103處零序電流保護與106處零序電流保護的動作時間相同即可。為減少切除母線故障的時間，可縮短保護的時間級差，考慮彈簧儲能操作機構斷路器的分閘時間一般小于60～80 ms，采用全波傅氏算法故障檢測的保護出口時間在30 ms左右，繼電器驅動時間一般為5 ms左右以及一定的時間裕度，時間級差可按0.2 s整定[4]。同理，Ⅲ接地變零序電流保護1時限跳105并閉鎖BZT2、BZT3，2時限全切，動作時間與Ⅰ接地變零序電流保護的動作時間相同即可。Ⅱ主變10 kV側單相接地故障如圖7所示。

圖7 Ⅱ主變10kV側單相接地故障

圖8 K1故障(ⅡA母單相接地故障)零序網絡

圖9 K2故障(ⅡB母單相接地故障)零序網絡

圖10 K3故障(Ⅱ主變分支單相接地故障)零序網絡

由于Ⅱ主變10 kV側以雙分支形式接入ⅡA母、ⅡB母，Ⅱ接地變零序電流保護可根據母線單相接地故障時零序電流的分布判別故障位置。無論何處故障，CTⅡA、CTⅡB、CTR均流過零序電流，只是零序電流大小不同，CTR只流過接地變中性點電流。K1故障(ⅡA母單相接地故障)，流過CTⅡA、CTⅡB的電流ICTⅡA、ICTⅡB均為ⅡB母單相對地電容電流與接地變單相電流的矢量和。K2故障(ⅡB母單相接地故障)，ICTⅡA、ICTⅡB均為ⅡA母單相對地電容電流。K3故障(Ⅱ主變分支單相接地故障)，ICTⅡA為ⅡA母單相對地電容電流，ICTⅡB為ⅡB母單相對地電容電流與接地變單相電流的矢量和。

若Ⅱ接地變零序電流保護接入CTⅡA、CTⅡB、CTR的二次回路，ICTⅡA、ICTⅡB按可靠躲過本母線單相對地電容電流整定，可使Ⅱ接地變零序電流保護具有選擇性。K1故障，ICTⅡA、ICTⅡB、IR均大于整定值，Ⅱ接地變零序電流保護1時限跳102并閉鎖BZT1，2時限全切。K2故障，ICTⅡA、ICTⅡB未大于整定值，IR大于整定值，Ⅱ接地變零序電流保護1時限跳104并閉鎖BZT2，2時限全切。K3故障，ICTⅡA未大于整定值，ICTⅡB、IR大于整定值，由于K3故障位于主變差動保護區內，Ⅱ接地變零序電流保護1時限全切不閉鎖BZT1、BZT2。同理，Ⅱ接地變零序電流保護與103處零序電流保護、106處零序電流保護配合。Ⅱ接地變零序電流保護邏輯如圖11所示。

圖11 Ⅱ接地變零序電流保護邏輯

Ⅱ接地變零序電流保護動作切除ⅡB母，ⅡA母失去接地運行的中性點。若Ⅱ接地變零序電流保護1時限跳104同時聯跳102，使BZT1動作，Ⅰ主變帶Ⅰ母、ⅡA母并列運行，由Ⅰ接地變向ⅡA母提供接地運行的中性點，故Ⅱ接地變零序電流保護1時限跳104閉鎖BZT2，收到BZT1充電完成的信號聯跳102。若Ⅱ主變帶ⅡA母、ⅡB母、Ⅰ母并列運行時K2故障，Ⅱ接地變零序電流保護動作切除ⅡB母，Ⅰ母、ⅡA母失去接地運行的中性點，只能人工投入Ⅰ接地變。此時，Ⅱ主變與Ⅰ接地變不對應運行，為使Ⅰ接地變零序電流保護能切除故障，其動作出口從101切換至102。Ⅰ主變失電，負荷均分動作后，也采用Ⅰ接地變零序電流保護動作出口從101切換至102的方式。

3)接地變相間電流保護作為接地變相間故障的主保護及后備保護，動作后不閉鎖備自投，但接地變被切除后，相應母線失去接地運行的中性點。規程要求：“接地變失去時，主變的同級斷路器必須同時斷開”，這就必須通過起動備自投以保證可靠供電[5]。故Ⅰ接地變相間電流保護跳108，收到BZT1或BZT3充電完成的信號聯跳101；Ⅱ接地變相間電流保護跳109，收到BZT1(BZT2)充電完成的信號聯跳102(104)；Ⅲ接地變相間電流保護跳110，收到BZT2或BZT3充電完成的信號聯跳105。

5.2 備自投與主變低后備保護的配合

BZT1的放電條件如圖12所示。主變低后備保護作為母線相間故障的主保護或后備保護，其動作后應閉鎖備自投。103、106、107處配置相間電流保護，103處相間電流保護與106處相間電流保護的動作時間相同，107處相間電流保護與106、103處相間電流保護配合，Ⅰ、Ⅲ主變低后備保護與107處相間電流保護配合，Ⅱ主變ⅡA、ⅡB分支低后備保護分別與106、103處相間電流保護配合，時間級差按0.2 s整定。Ⅰ主變低后備保護1時限跳101并閉鎖BZT1、BZT2，2時限全切。Ⅲ主變低后備保護1時限跳105并閉鎖BZT2、BZT3，2時限全切。ⅡA分支低后備保護1時限跳102并閉鎖BZT1，ⅡB分支低后備保護1時限跳104并閉鎖BZT2，收到BZT1充電完成的信號聯跳102。

圖12 BZT1的放電條件(BZT2、BZT3類同)

6 結 語

1)主變負荷率不高于35%時，BZT1、BZT2、BZT3投入，但BZT1、BZT2不投入負荷均分功能、過負荷聯切功能。

2)主變負荷率不低于70%時，BZT1、BZT2及其負荷均分功能、過負荷聯切功能投入，BZT3退出。

3)主變負荷率高于35%但低于70%時，BZT1、BZT2、BZT3及其過負荷聯切功能投入，但BZT1、BZT2不投入負荷均分功能。

4)接地變零序電流保護、主變低后備保護通過與分段斷路器保護的配合及對零序電流分布的判別實現選擇性閉鎖備自投。為保證供電可靠性，接地變相間電流保護起動備自投。