站用交流電源保護電器短路電流計算與靈敏度校核

李秉宇,杜旭浩,郭小凡

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

變電站站用電系統是保障變電站安全可靠運行的重要環節,由于站用電系統的供電負荷多、回路分布廣,較多支路需設置多級斷路器進行保護,而斷路器越級誤動將擴大故障范圍,拒動將使用電設備燒損[1-2]。國內近年來發生多起由于電纜中長期流過故障電流,熱穩定遭到破壞而引發火災的事故,在2019年5月6日,重慶500 k V張家壩變電站500 k VⅡ號母線、Ⅰ號母線失靈保護先后動作造成兩條母線失壓。經調查分析,該事件是一起由低壓交流電纜起火引燃同溝混放控制電纜導致設備跳閘的典型電氣火災事故,事故暴露出變電站交流電源系統中低壓交流斷路器靈敏度不足,無法及時發現并切除金屬接地、高阻接地等故障,從而導致電纜起火。因此有必要研究變電站交流電源各級保護電器短路電流的計算方法,開展交流電源保護電器靈敏度校驗研究,提升交流電源保護電器設計的合理性和可靠性。

1 交流電源保護電器配置

低壓交流斷路器是廠站用低壓交流用電系統的保護設備之一,選型時依據工作電壓、電流、電動機啟動電流和使用環境等要求,并考慮能滿足短路時的動穩定、熱穩定,開斷電流、靈敏度和上下級選擇性要求進行設備選擇。一般配置3-4級保護電器。

(1)進線斷路器選取。進線斷路器的額定電流根據站用變壓器的低壓側持續工作電流的預期最大短路電流選擇。宜采用框架斷路器,該斷路器具有瞬時過電流保護、短延時電流保護、長延時過負荷保護特性,電動操作機構[3]為抽出式、固定式接線方式。

(2)主饋線斷路器選型和數量。計算交流負荷功率,確定主饋線斷路器的額定電流。為滿足選擇性和靈敏性,長線路斷路器宜選用帶電子式脫扣器的塑殼斷路器。用于漏電保護或監測的斷路器,宜選用零線帶脫扣器的斷路器。重要負荷及大負荷應配置主饋線柜供電,如交流分電柜、動力配電箱、主變壓器風冷、直流充電、UPS、消防水泵等。

(3)二級饋線斷路器選型。根據交流供電網絡選擇二級饋線斷路器。在交流負荷集中的區域應設置交流分電柜或動力配電箱,斷路器可選塑殼斷路器或微型斷路器,與上級斷路器配合滿足選擇性[4-5]。

2 短路電流計算及靈敏度校核

2.1 靈敏度校核原則

交流電源保護電器靈敏度是指交流回路本級保護電器負荷側末端短路電流和保護電器可靠動作電流之比。新建、改擴建變電站,應對站用交流電源系統斷路器與動力電纜的保護配合、電纜末端短路靈敏度等進行核算,在進行靈敏度校核時首先需要根據交流電源接線方式和站用變壓器、各級電纜配置情況,計算出交流電源保護電器各級短路電流,然后結合保護電器瞬動或短延時過電流脫扣器整定電流進行靈敏度校核[6]。按照標準要求,綜合整改經濟性和工作量考慮,對2011年以前投運變電站采用1.3倍校核,對2016年以后變電站采用1.5倍進行校核。

2.2 短路電流計算方法

2.2.1 各級阻抗計算

參考《工業及民用配電設計手冊》第三版線路阻抗中,單相接地短路按相線對零線短路考慮,阻抗采用相保阻抗。

(1)系統阻抗

式中:UP為站用變低壓側線電壓有效值;Sed為系統側短路容量;I短路為高壓側短路電流;U為站用變高壓側線電壓有效值。

(2)站用變阻抗

站用變電阻和電抗計算方法為

式中:Rb為站用變電阻;Pd為負載損耗;Up為低壓側線電壓有效值;Se為站用變額定容量;Xb為站用變電抗;Ux為站用變阻抗電壓。

(3)電纜阻抗

各類常用電纜單位長度的阻抗值可以通過電纜阻抗表自動查詢獲取。根據電力工程電氣設計手冊關于站用電系統單相短路電流的計算要求:“單相短路電流可直接按相-零回路所形成的阻抗進行計算”。

配電屏母線阻抗。為了簡化計算,可不考慮占回路總阻抗10%以下的元件,只需計及電纜長度超10 m的導體電纜的阻抗。

饋線電纜阻抗。饋線電纜阻抗(R1、X1)=電纜長度×每米阻抗值(通過查閱標準電纜阻抗表獲取)。

2.2.2 短路電流計算

三相短路

式中:I*為短路電流;Un為低壓側額定電壓;Xk為回路總阻抗。

相間短路

單相接地短路(相-零)

式中:Xphp為回路總相保阻抗。

2.3 軟件開發及實例分析

2.3.1 軟件開發

為了對交流電源各級保護電器進行快速、準確校核,開發了交直流電源保護電器短路電流計算與靈敏度校核軟件,能夠靈活進行交流配置和元件選型,直觀地計算直流系統中各處短路電流的大小,進一步根據各級保護電器特性進行靈敏度校核[7-8]。

軟件的功能模塊包括:項目基本信息錄入、搭建系統模型、系統參數輸入、保護電器校核、校核結果顯示、選擇性分析、報告輸出。用戶可根據已知參數、變壓器容量、導線長度及截面積、保護電器參數等自動計算每級線路短路電流。根據短路電流計算,以及斷路器型號、額定電流與短路瞬時整定值的輸入,分析已知線路的上下級保護電器是否滿足靈敏度要求,并將分析結果進行輸出存儲。軟件界面如圖1所示。

圖1 典型系統圖輸入參數設定界面

項目基本信息錄入完成后,進入系統模型搭建界面。根據交流系統實際情況將系統合理簡化后,利用軟件自帶的元件模塊,如變壓器模塊、保護電器模塊等搭建系統模型,系統模型中不僅包括低壓側部分,還包括變壓器上部的中壓側部分。輸入參數有:變壓器型號、變壓器容量、中/低壓側電壓、中壓側保護參數、進線、出線電纜截面積及長度。其中進線、出線電纜參數僅需輸入截面積和長度,軟件自動查詢額定載流量、材質、阻抗、電抗等參數,并用于后續短路電流計算。

保護電器參數包括:產品型號、額定電流、過載啟動倍數、過載動作電流倍數、過載動作時間、短路短延時動作電流倍數、短路短延時動作時間、瞬時動作電流倍數、瞬時動作時間、極限短路分斷能力、額定短時耐受能力、接地保護電流、接地保護動作時間、進線電纜截面積、進線電纜長度、出線電纜截面積、出線電纜長度。

軟件自動對交流系統中各元件進行校核,判斷選型是否合理,其中選型合理的元件顯示黑色,選型不合理的元件突出顯示紅色,對于選型不合理的元件可重新進行選型,直至合格為止。

2.3.2 實例分析

以河北省南部電網某500 k V變電站交流分電柜和主變壓器風冷回路交流供電網絡(僅示一路)為例,如圖2所示。

圖2 某500 k V變電站交流電源配置

各級保護電器短路電流計算結果見表1。

表1 各級保護電器短路電流計算 k A

供電網絡L11-L12-L13的保護電器選擇及其靈敏度校驗如下。

(1)進線斷路器DL靈敏度校驗

選1250 A框架斷路器,額定短路開關電流大于30 k A,配置瞬時過電流保護+短延時過電流保護+長延時過負荷保護,配置電子式脫扣器,保護功能可投退。瞬時過電流因電纜L11、L21的始端短路時1QF、2 QF無法配合,故退出。

短延時過電流整定

對母線相零短路

K=14.3407×1000/8750=1.639＞1.5,滿足要求;

對母線相間短路

K=13.7590×1000/8750=1.572＞1.5,滿足要求。

(2)主饋線斷路器1 QF靈敏度校核

選150 A/3P的塑殼斷路器,額定短路開關電流大于20 k A,配置電子式脫扣器,含瞬時過電流保護+短延時過電流保護+長延時過負荷保護。瞬時過電流保護因無法與L13斷路器1ZK1瞬時過流配合,可整定退出。

短延時過電流保護

電流整定Isd=3In=450 A,時間整定Isd=0.2 s。

線路L11末端相零短路

K=780.592/450=1.73＞1.5,滿足要求;

線路L11末端相間短路

K=2826.3340/450=6.28＞1.5,滿足要求。

(3)交流分電柜饋出線斷路器1ZK1靈敏度校核

選40 A/3P的B特性微型斷路器,配置熱磁式脫扣器,含瞬時過電流保護+長延時過負荷保護。瞬時過電流保護Ii=(3～5)In=100～200 A,取最大值200 A。

線路L12末端相零短路

K=425/200=2.125＞1.5,滿足要求;

線路L12末端相間短路

K=1288.1560/200=6.44＞1.5,滿足要求。

(4)就地控制柜1DK1

選20 A/3P的C類特性微型斷路器,含瞬時過電流保護+長延時過負荷保護。瞬時過電流保護Ii=(5～10)In=100～200 A,取最大值200 A。

線路L13末端相零短路

K=291.4/200=1.457＜1.5,不滿足要求。

線路L13末端相間短路

K=1184.8427/200=5.92＞1.5,滿足要求。

對于不滿足要求的相零短路采用降低保護電器額定電流方式,改為16 A/3P的C類特性微型斷路器,瞬時過電流保護Ii=(5～10)In=80～160 A,取最大值160 A。則線路L13末端相零短路K=291.4/160=1.82＞1.5,滿足要求。

2.3.3 整改措施

(1)降低斷路器額定電流。校核負荷電流,對斷路器額定電流過大的選擇低額定電流的斷路器。

(2)更換瞬時脫扣倍率較小的熱磁斷路器。無法降低斷路器額定電流時,通過采用低倍率瞬時脫扣熱磁斷路器,降低斷路器瞬時脫扣電流以滿足靈敏度。如將C型脫扣特性斷路器(5～10)In更換為B型脫扣特性斷路器(3～5)In。

(3)更換帶短延時保護的電子脫扣斷路器。調整斷路器瞬時或短延時脫扣電流,可解決大部分的靈敏度不合格問題。

(4)采用饋線零序保護。對于電纜過長的回路(無法通過調整瞬時或短延時脫扣電流提升靈敏度的情況),以及主變壓器風冷、水泵等大型電動機負載回路(斷路器瞬時或短延時脫扣整定電流無法躲過電動機啟動電流等情況時),可采用帶接地保護的短路或加裝零序模塊。

3 裝置研制與現場測試

3.1 校驗裝置研制

為在現場開展各級保護電器靈敏度校驗試驗,驗證按照設計計算方法實際配置的保護電器是否滿足靈敏性要求,設計開發了站用交流電源系統保護電器靈敏度校驗裝置。

3.1.1 裝置原理

基于小電流預估和短路模擬法測試各級保護電器負荷側電纜最遠端單相短路電流值,結合本級斷路器動作特性,判斷出本級交流電源保護電器靈敏度是否滿足要求。

在利用小電流預估法獲取短路電流時,首先根據戴維南定理,將電源側等效成一個電壓源和阻抗串聯的單口網絡,等效電路如3圖所示,Eoc為電源側開路電動勢,u為負荷側電壓,R0為回路等效阻抗,i為回路電流。

調整可調負載阻抗R的值,即可獲得多組回路電壓、電流值,利用最小二乘法對其進行回歸分析,擬合出一次函數,使得該直線上的函數值與實際值之間方差最小,該一次函數與橫軸的交點即為短路電流值。

圖3 站用交流回路等效電路

3.1.2 裝置組成與功能

站用交流電源系統保護電器靈敏度校驗裝置主要由可恢復熔斷器、電壓傳感器、可調負載阻抗、IGBT模塊、控制單元CPU及接線端子組成,內部接線如圖4所示。

圖4 內部接線

裝置具有小電流預估測試和短路模擬測試2種功能。CPU控制相應IGBT通斷,可模擬饋線終端三相短路、兩相短路、單相對地短路和兩相對地短路等4種不同故障模式,比如IGBT模塊M1、M2、M3開端,M4、M5、M6導通,可模擬三相短路;M1、M2、M3、M5、M6開斷,M4導通,可模擬UV相間短路。在此基礎上,可調阻抗負載Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6能夠使回路產生小電流,用于短路電流的預估。同時可調阻抗負載可以連續動態調整,便于測試點的選取。

3.2 現場測試

測試試驗時,斷開現場交流系統待測饋線回路交流斷路器,在斷路器下口電纜最遠端對應連接測試裝置U、V、W接線端;閉合交流斷路器,并保證待測交流饋線回路上其它所有交流保護電器(包括熔斷器和斷路器)都處于合位?？刂艻GBT模塊M1、M2、M3、M5、M6開斷,M4導通,并調整可調負載,生成多組電壓電流數據,完成U相短路時的最大短路電流預估。V相、W相同理,試驗得到回路參數和短路電流預估值如表2所示。

表2 短路電流預估試驗數據

為驗證系統預估電流的準確性,將可調負載阻抗置于零值,模擬實際短路電流。測得U相、V相、W相對零線的短路電流分別是1098 A、1065 A、946 A。對比系統預估的短路電流和直接短路模擬測量的電流,預估電流值最大誤差為7.5%,能有效校驗保護電器的靈敏度。

4 結論

本文對交流電源系統各級保護電器進行短路計算和靈敏度校核計算,能夠準確判斷交流電源系統中本級保護電器負荷側電纜最末端發生短路后保護電器是否可靠動作。通過開發的交流電源保護電器靈敏度校核軟件可以在設計階段便捷的計算出系統各級短路電流并進行靈敏度分析,研制的保護電器靈敏度校驗裝置同時在現場進行實際短路電流測試,能夠對不同保護電器配置情況進行靈敏度校核并最終給出合理建議,通過實例計算與試驗驗證了該方法的可行性和軟硬件的實用性。