10kV及以下配網跨電壓等級越級跳閘原因分析

陳泰霖

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001）

0 引言

過往越級跳閘課題的研究主要集中于同一電壓等級不同線路分段分斷點的越級跳閘問題，如10kV 一級斷路器未動作導致二級斷路器跳閘、0.4kV 配電系統分支線路開關未動作導致進線總開關跳閘等，但是隨著10kV 配網自動化終端設備的廣泛使用，為了確保可靠性，對10kV 配網繼電保護器的選擇性、靈敏性和速動性的要求越來越高，若不對相應的0.4kV 低壓配網的繼電保護器進行配合整定[1]，極容易造成跨電壓等級的越級跳閘事件，直接影響供電穩定性。結合10kV 配網線路發生的跨電壓等級越級跳閘事件，分析事件發生的可能原因，并提出改進措施和方案，從而提高配網運行系統穩定性。

1 事件經過

2021 年3 月17 日，B 小區0.4kV 配電系統P04 配電柜4#開關所帶低壓出線電纜發生相間短路故障（如圖1），但是P04 配電柜4#開關的塑殼斷路器未動作，低壓配電柜進線總開關的智能斷路器也未動作，B 小區10kV 中壓負荷開關柜變壓器單元熔斷器未熔斷（如圖2），B 小區10kV 中壓負荷開關柜的上一級A 大廈的10kV 中壓斷路器G04 開關分界斷路器動作，從而造成此次越級跳閘事件。

圖1 說明：B 小區0.4kV 配電系統共有1 臺變壓器（B 小區配電變壓器），四組GCK 型低壓柜，分別為P01 計量進線柜、P02 無功補償柜、P03 饋線柜和P04 饋線柜，共有1 個進線總開關和8 個饋線分開關（分別為P03 饋線柜的1#-4#開關、P04 饋線柜的1#-4#開關），共有7 組低壓出線，分別為P03 饋線柜的2#、3#、4#開關后的低壓出線（1#開關為備用開關無出線）和P04 饋線柜的1#-4#開關后的低壓出線。

圖1 0.4kV 配網線路圖

圖2 說明：B 小區綜合房的上一級開關為A 大廈公用綜合房1#公用柜的G04 開關，A 大廈公用綜合房內有兩組10kV 斷路器柜，分別為1#公用柜和2#公用柜，其中1#公用柜有5 單元柜（G01 為電壓互感器單元，G02、G05 為線路負荷開關單元，G03、G04 為斷路器單元），2#公用柜有5單元柜（G01 為電壓互感器單元，G02、G03 為線路負荷開關單元，G04、G05 為斷路器單元），B 小區有一組2 單元斷路器柜，1 號開關為線路負荷開關單元，2 號開關為斷路器單元。

圖2 10kV 配網線路圖

2 事故設備信息

發生低壓側故障導致中壓側斷路器動作的越級跳閘事件后，采集相關節點開關的數據，具體數據如表1。

表1 各節點開關詳細參數

3 事故原因分析

3.1 B 小區0.4kV 配電系統P04配電柜4#開關未動作原因分析

0.4kV 低壓出線電纜發生相間短路故障時，中壓側斷路器過流Ⅰ段跳閘時記錄的故障電流為1.44A。根據互感器變比和高低壓側變比換算至低壓側電流如下。1.44×（600/5）×（10/0.4）=4320A

B 小區0.4kV 配電系統P04 配電柜4#開關塑殼斷路器短路長延時整定值630A，按照該類型斷路器反時限曲線特性（如表2），動作時間為10.2s，不到動作時間未動作，具體計算過程如下。由I2t=（2Ir）2tsd得，4320×4320×t=（2×630）2×120，因此t=10.2s。

表2 塑殼斷路器過載長延時整定特性

式中：I為瞬時電流值，t為實際動作時間，Ir為長延時整定值，tsd為達到2 倍長延時整定值時的動作時間。

短路瞬時整定值為10 倍Ir，即6300A，不到動作值未動作；短路短延時整定值為5 倍Ir，即3150A，由于4320/3150=1.37，所以低于1.5Isd（如表3），按照該類型斷路器反時限曲線特性，考慮正向誤差最大值時，動作時間為0.31s，動作時間仍稍大于A 大廈的10kV 中壓斷路器G04 開關分界斷路器動作時間，因此未動作，具體計算過程如下：

表3 塑殼斷路器短路短延時整定特性

由I2t=（1.5Isd）2tsd得，4320×4320×t=（5×630）2×（0.2+0.06），因此t=0.31s。

3.2 B 小區0.4kV 配電系統低壓配電柜進線總開關未動作原因分析

B 小區0.4kV 配電系統低壓配電柜進線總開關的智能斷路器長延時整定值2500A，故障電流4320/2000=2.16，即為2.16Ir，按照該類型斷路器反時限曲線特性（如表4），動作時間為231.5s，不到動作時間未動作，具體計算過程如下。由I2t=（1.5Ir）2Tr得，4320×4320×t=（1.5×2000）2×480，因此t=231.5s。

表4 智能斷路器過載長延時整定特性

短路短延時整定值為6 倍Ir，即12000A，不到動作值未動作，表5 為智能斷路器短路短延時整定特性；短路瞬時整定值為為10 倍Ir，即20000A，不到動作值未動作。

表5 智能斷路器短路短延時整定特性

3.3 B 小區10kV 中壓負荷開關柜變壓器單元熔斷器未動作原因分析

B 小區10kV 中壓負荷開關柜變壓器單元熔斷器熔斷電流為200A，故障電流高低壓側變比換算如下。

4560/（10/0.4）=182.4A

由于182.4A<200A，所以熔斷器未熔斷。B 小區變壓器容量為1250A，按照熔斷器約定動作電流配置原則應為1.6In，即熔斷器熔斷電流計算如下。

1.6×（1.44×1250）/（10/0.4）=115.2A

所以應配置熔斷器的熔斷電流應為125A，因此該負荷開關變壓器單元熔斷器配置容量偏大。

3.4 A 大廈的10kV 中壓斷路器G04開關分界斷路器動作原因分析

A 大廈的10kV 中壓斷路器G04 開關分界斷路器過流II段保護定值1.16A、0.3s，小于1.52A，跳閘時間0.557s，因此是正確動作。A 大廈的10kV 中壓斷路器G04 開關分界斷路器過流保護整定值計算如下。

IzdⅡ=Kk×Kzqd×In/Kf=1.3×1.5×（1.44×1250）/（10/0.4）=140.4A

式中：IzdⅡ為斷路器二次側過流整定值；Kk為可靠系數，一般取1.2～1.3；Kzqd為自啟動系數，考慮綜合負載，取1.5～2.5；Kf為分支系數，不存在多電源同時供電于同一臺變壓器的情況時，可取1；In為斷路器額定電流值。

二次側整定值為1.16A，換算到一次側即為139.2A，所以斷路器的整定值是合理的。

4 防止跨越電壓等級的越級跳閘事故的措施

防止跨越電壓等級的越級跳閘事故的措施如下：1）設計臨近配電變壓器的10kV 供電線路時，應充分考慮線路出口側短路熱穩定性要求。若線路導線截面過小，不允許延時切除故障時，應迅速切除故障。2）各分段斷路器配合的時間差應綜合考慮開關跳閘分斷時間、整套系統各段保護動作返回時間、時間繼電器存在的動作誤差等因素。對不同分段斷路器采取不同級差值，如永磁機構分段斷路器級差一般不小于0.1s，彈操機構分段斷路器級差一般不小于0.15s。3）對負荷電流與線路末端短路電流數值接近的10kV 供電線路，過電流保護的電流定值按躲開負荷電流整定，但在靈敏系數不足的地方應加裝合適的熔斷器。4）0.4kV 進線開關斷路器、母聯斷路器應配置至少帶有長延時、短延時保護功能的電子脫扣器；出線開關宜配置至少帶有長延時、瞬時保護功能的電子脫扣器。5）電子脫扣器長延時保護功能一般應為將允通能量（Pt）定為常數的反時限曲線；短延時保護一般為定時限。6）一般情況下，電子脫扣器自身具備的失壓脫扣、零序等其他保護功能應停用。7）斷路器不應越級跳閘。如果故障發生在分路斷路器出線電纜方，饋線斷路器應動作，不影響進線和母聯斷路器。8）0.4kV 進線斷路器－母聯斷路器間具有選擇性。如果1 臺變壓器停止運行，低壓側靠母聯斷路器進行供電時，如果母聯斷路器以下有故障，應該母聯斷路器動作，而進線斷路器不能誤動作。9）電路故障時斷路器不應拒動。變壓器或出線電纜故障時，防止整定電流過大造成斷路器不動作，導致設備燒毀。10）應校核并保證0.4kV 進線斷路器定值與10kV 配電變壓器高壓側繼電保護定值之間的配合關系[2]，必要時可適當提高變壓器高壓側過電流保護的整定值，以確保低壓設備故障時，高壓側繼電保護設備不越級跳閘。當變壓器高壓側為熔斷器時，高壓側熔斷器的電流-時間曲線必須位于低壓側斷路器電流-時間曲線的右上側且高壓側熔斷器電流定值系數不小于低壓側斷路器的1.35 倍，高壓側熔斷器時間定值系數不小于低壓側斷路器的2 倍（如圖3）。

圖3 說明：橫軸表示斷路器或熔斷器的整定電流值，其中A段表示同一時間點低壓側斷路器的電流值，B段表示同一時間點變壓器高壓側熔斷器的電流值；縱軸表示斷路器或熔斷器的整定時間值，其中C段表示同一電流值低壓側斷路器的動作時間，D段表示同一電流值變壓器高壓側熔斷器的動作時間。

圖3 變壓器高壓側熔斷器與低壓側斷路器之間的保護選擇性

5 整定方案

5.1 B 小區0.4kV 配電系統低壓配電柜進線斷路器

長延時：變壓器過載保護，Ir為高于變壓器低壓（0.4kV）側額定電流值的最小可整定值，tr整定為6×Ir時24s 跳閘。短路短延時：Isd=4×Ir，tsd= 0.4s。短路瞬時：提供變壓器低壓出口處金屬性短路保護。Ii=6×In，20ms～50ms。

5.2 B 小區0.4kV 配電系統P04配電柜4#開關塑殼斷路器

長延時：出線過載保護，Ir=In；按反時限曲線動作。1.05Ir，2h 內不動作；1.3Ir，1h 內動作；2Ir：Tr=120s。

短路短延時：Isd=4×Ir，tsd整定為定時限0.1s。當Isd≤I<1.5Isd時，則反時限整定時間tsd對應1.5Isd；當I≥1.5Isd時，則按定時限動作。

短路瞬時：Ii=10×In，20ms～50ms。

5.3 B 小區10kV 中壓負荷開關柜變壓器單元熔斷器

配置熔斷器的熔斷電流應為125A。

6 結語

對該事件進行詳細分析后，明確了造成10kV 及以下配網跨電壓等級越級跳閘的多種原因，并提出相應的改進措施，針對事件中各節點的斷路器、熔斷器等開關給出具體整定值設置的方法且該方法具有一定通用性，在一定程度上為10kV 及以下配網運行人員調試線路各節點斷路器、熔斷器整定值提供了有力的經驗論證，從而為10kV 及以下配網系統穩定運行奠定基礎，有利于提升系統運行的可靠性。