簡(jiǎn)易變電站具有投資低和建設(shè)周期短的特性，建設(shè)成本只有正規(guī)變電站的2/5。塔北變電站建設(shè)初，綜合考慮該地區(qū)的油藏規(guī)模、投入產(chǎn)出比，建設(shè)為簡(jiǎn)易變電站，如圖1所示。簡(jiǎn)易變電站體現(xiàn)在設(shè)備安裝在電線桿上、設(shè)備技術(shù)規(guī)格低和系統(tǒng)無(wú)冗余等方面。

簡(jiǎn)易變電站投運(yùn)前，按照GB 1984—2003《高壓交流斷路器》、GB/T 14258—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》和DL/T 596—2005《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)范要求對(duì)柱上斷路器、電流互感器和涌流控制器進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)。

試驗(yàn)雖然能夠查出設(shè)備本體的質(zhì)量問(wèn)題，但在實(shí)際運(yùn)行中還是發(fā)生多次10kV線路保護(hù)越級(jí)跳主變斷路器的故障，主要原因是系統(tǒng)故障條件下保護(hù)動(dòng)作由綜合因素決定，即由故障電流、保護(hù)定值、互感器、涌流控制器、斷路器的脫扣器、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、滅弧室動(dòng)靜觸頭等共同協(xié)調(diào)完成。本文對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析。

圖1 塔北變電站

1 塔北變電站簡(jiǎn)介

塔北變電站的上級(jí)輸電線路為35kV索北線，站內(nèi)有1臺(tái)35kV/10kV的變壓器，1臺(tái)10kV進(jìn)線斷路器，4臺(tái)10kV出線斷路器，10kV斷路器均采用柱上斷路器。柱上斷路器自帶涌流控制器實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)，用配網(wǎng)自動(dòng)化終端采集電流、電壓和遙信量，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳調(diào)度后臺(tái)。站用交流、直流系統(tǒng)和蓄電池組集成于一面屏。

塔北變電站10kV線路的干線導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ—120鋼芯鋁絞線，分支導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ—50鋼芯鋁絞線。供電負(fù)荷有2個(gè)計(jì)轉(zhuǎn)站、4個(gè)集氣站、67口單井。塔北變電站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 塔北變電站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2 越級(jí)跳閘故障

塔北變電站多次發(fā)生10kV配電線路短路故障，線路斷路器未動(dòng)作，進(jìn)線1001斷路器越級(jí)動(dòng)作，從而導(dǎo)致全站4條線路全部失電，如：

1）2019年7月31日06:15，TB-6S線路A、C相發(fā)生短路故障，短路電流550A，越級(jí)跳進(jìn)線1001斷路器。故障原因?yàn)檗r(nóng)用戶使用植保無(wú)人機(jī)在TB- 6S-195#-196#桿附近打藥時(shí)掛線，造成A、C相短路。

2）2020年6月17日22:24，TB-7S線路A、C相發(fā)生短路故障，短路電流600A，越級(jí)跳進(jìn)線1001斷路器。故障原因?yàn)檗r(nóng)用戶駕駛挖掘機(jī)在TB-7S支S110 1-014#桿附近挖甘草，將地邊桿基防風(fēng)拉線挖斷，防風(fēng)拉線彈起觸碰A、C相導(dǎo)線，造成A、C相短路。

塔北變電站保護(hù)定值單見表1。以上兩次相間短路，故障錄波器記錄的短路電流分別為550A和600A，根據(jù)保護(hù)定值，線路電流速斷保護(hù)啟動(dòng)，進(jìn)線1001斷路器的電流延時(shí)保護(hù)同時(shí)啟動(dòng)，由于線路電流速斷保護(hù)無(wú)延時(shí)，應(yīng)該先動(dòng)作，實(shí)際情況為進(jìn)線1001斷路器先動(dòng)作。

表1 塔北變電站保護(hù)定值單

3 故障原因分析

3.1 線路故障跳閘原理

當(dāng)電力線路短路時(shí)，產(chǎn)生短路電流。電流互感器將大電流變?yōu)樾‰娏鞑⑤斎胗苛骺刂破?。涌流控制器判斷電流是否達(dá)到保護(hù)定值，滿足條件閉合跳閘節(jié)點(diǎn)。直流電源給跳閘線圈供電，驅(qū)動(dòng)開關(guān)跳閘。線路故障跳閘原理如圖3所示。

圖3 線路故障跳閘原理

根據(jù)跳閘原理圖，越級(jí)跳閘原因可能為短路電流同保護(hù)定值單和開關(guān)開斷容量不匹配、電流互感器飽和、柱上斷路器拒動(dòng)（拒動(dòng)原因有斷路器機(jī)械機(jī)構(gòu)卡澀和操作回路故障）、操作電源故障、涌流控制器失靈或性能不達(dá)標(biāo)。

故障發(fā)生后，技術(shù)檢修班通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查、電氣試驗(yàn)等方式對(duì)以上幾種可能性進(jìn)行了排查，在排查了前4項(xiàng)可能性后，將越級(jí)故障原因定位在第5項(xiàng)，涌流控制器失靈或性能不達(dá)標(biāo)。下面詳細(xì)介紹故障排查過(guò)程。

3.2 短路電流計(jì)算

通過(guò)計(jì)算短路電流，對(duì)斷路器的開斷能力、電流互感器選型和保護(hù)定值配置進(jìn)行校驗(yàn)。

塔北變電站10kV系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，斷路器不跳閘，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可以運(yùn)行2h。當(dāng)發(fā)生兩相短路、兩相接地短路和三相短路時(shí)，斷路器保護(hù)動(dòng)作。

1）最大短路電流計(jì)算

由于是同一電壓等級(jí)，采用有名值計(jì)算，需要算母線、線路的阻抗值。母線阻抗值通過(guò)查閱《塔河油田母線等值阻抗表》得到，主線路使用LGJ—120線，阻抗值為0.27+j0.347◆/km=|0.44|◆/km；分支線路使用LGJ—50線，阻抗值為0.63+j0.363◆/km= |0.73◆/km。塔北變電站系統(tǒng)阻抗等效圖如圖4所示。

圖4 塔北變電站系統(tǒng)阻抗等效圖

靠近母線處的線路三相短路電流最大，查閱《塔河油田母線等值阻抗表》，在最大運(yùn)行方式下，10kV母線阻抗為7.62∠80.1°◆，三相短路電流為

式（1）

2）最小短路電流計(jì)算

線路最遠(yuǎn)處發(fā)生兩相短路的電流最小，在最小運(yùn)行方式下，10kV母線阻抗為10.1∠81.6°◆。TB-6S線路48支98支40#桿為最遠(yuǎn)端，主線路共2.4km，分支線路共6.9km，可計(jì)算出短路點(diǎn)阻抗6.1◆。

兩相短路電流為

式（2）

3.3 短路電流分析

根據(jù)最大短路電流833.5A和最小短路電流339.5A，結(jié)合選用設(shè)備，得出：

1）柱上斷路器

柱上斷路器的額定電流為630A，額定開關(guān)電流為20kA，滿足開斷短路電流要求。

2）涌流控制器

涌流控制器的過(guò)電流定值由電流互感器的電流比決定，如采用200A/5A的電流互感器，過(guò)電流一次值為200A；過(guò)電流延時(shí)時(shí)間有4位撥碼開關(guān)，每位撥碼有0、1兩個(gè)位置，JL—2C涌流控制器可選用10種延時(shí)時(shí)間；速斷倍數(shù)采用2位撥碼開關(guān)，4種倍數(shù)，可設(shè)置過(guò)電流定值的2、3、4、8倍；速斷延時(shí)有2位撥碼開關(guān)，4種延時(shí)時(shí)間。JL—2C涌流控制器撥碼設(shè)置如圖5所示。

圖5 JL-2C涌流控制器撥碼設(shè)置

3）保護(hù)定值

根據(jù)“可靠性、選擇性、速動(dòng)性和靈敏性”進(jìn)行選擇。已計(jì)算出短路電流值，結(jié)合涌流控制器二次定值固化特性，塔北變電站的保護(hù)整定首先保證可靠性，出線電流互感器電流比為200A/5A，進(jìn)線電流互感器電流比為400A/5A。保護(hù)選擇性通過(guò)涌流控制器的延時(shí)功能實(shí)現(xiàn)。

3.4 涌流控制器校驗(yàn)

對(duì)1001斷路器和4條出線的涌流控制器進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)方法：用繼保儀給控制器輸入二次電流，記錄保護(hù)動(dòng)作電流值，同時(shí)校驗(yàn)動(dòng)作時(shí)間特性。6S線路的涌流控制器在輸入110%保護(hù)定值電流不動(dòng)作時(shí)，再逐步提升到10倍保護(hù)定值電流仍不動(dòng)作，檢查出涌流控制器損壞。控制器保護(hù)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 控制器保護(hù)試驗(yàn)（以A相為例）結(jié)果

3.5 柱上斷路器檢查

對(duì)5臺(tái)柱上斷路器進(jìn)行分合閘操作，均可靠動(dòng)作，說(shuō)明斷路器的機(jī)械回路完好。校驗(yàn)5臺(tái)斷路器的動(dòng)作時(shí)間特性，進(jìn)線1001斷路器的動(dòng)作時(shí)間特性比4臺(tái)線路斷路器稍小。試驗(yàn)記錄見表3。

表3 斷路器動(dòng)作時(shí)間特性記錄表

3.6 電流互感器檢查

1）回路接線檢查

4臺(tái)出線斷路器和進(jìn)線1001斷路器的CT有兩個(gè)圈，測(cè)量CT用于電表、遠(yuǎn)程終端裝置和故障錄波，保護(hù)CT用于涌流控制器的保護(hù)。線圈引用正確。

2）CT采樣和抗飽和特性檢查

用大電流發(fā)生器分別給進(jìn)線1001斷路器CT和4條線路保護(hù)CT一次側(cè)加電流，校驗(yàn)保護(hù)CT的精度10P20，即在20倍額定電流下誤差不超過(guò)10%。結(jié)合線路最大短路電流和電流速斷保護(hù)定值，受大電流發(fā)生器的量程限制，最大電流試驗(yàn)值為2倍額定電流。

CT精度試驗(yàn)記錄見表4，從試驗(yàn)記錄表可以看出CT的精度合格，滿足最大三相短路電流的使用要求。

表4 CT精度試驗(yàn)記錄表

3.7 綜合試驗(yàn)

上述試驗(yàn)都是單個(gè)電氣設(shè)備的本體試驗(yàn)，試驗(yàn)電流都是單相穩(wěn)定電流。實(shí)際相間短路故障后，短路電流是兩相或者三相短路電流，短路電流包含周期分量和非周期分量，同時(shí)產(chǎn)生多次諧波，以上因素都會(huì)對(duì)涌流控制器的保護(hù)產(chǎn)生干擾。因此，必須進(jìn)行綜合試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法：在斷路器A、B、C三相一次側(cè)加用三相大電流發(fā)生器模擬產(chǎn)生的三相短路電流，記錄動(dòng)作電流，同時(shí)記錄動(dòng)作時(shí)間，記錄見表5。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，當(dāng)發(fā)生兩相或三相短路時(shí)，涌流控制器的二次電流達(dá)到5A就跳，并且動(dòng)作時(shí)間基本和斷路器動(dòng)作時(shí)間特性一致，保護(hù)延時(shí)為零。涌流控制器銘牌雖然標(biāo)明具有過(guò)電流延時(shí)功能、合閘延時(shí)功能、速斷延時(shí)設(shè)置和速斷倍數(shù)設(shè)置功能，但全部失效。

表5 綜合試驗(yàn)兩相短路電流動(dòng)作值

以2020年6月17日22:24，TB-7S線路A、C相短路故障為例，故障錄波器記錄短路電流600A，經(jīng)電流互感器轉(zhuǎn)化為二次電流輸入涌流控制器，7S線路涌流控制器的二次電流為15A，進(jìn)線1001涌流控制器的二次電流為7.5A，根據(jù)綜合試驗(yàn)結(jié)論，兩臺(tái)斷路器的涌流保護(hù)器二次輸入電流超過(guò)5A，同時(shí)無(wú)延時(shí)動(dòng)作，由于進(jìn)線1001斷路器的動(dòng)作時(shí)間特性小，首先動(dòng)作切除故障。

根據(jù)3.2節(jié)短路電流計(jì)算，塔北變電站的10kV線路最小兩相短路電流339.5A，線路最大三相短路電流為833.5A。只要線路的相間短路電流超過(guò)400A，就會(huì)引起進(jìn)線1001斷路器先動(dòng)作。

3.8 涌流控制器工作原理分析

微型CT1和CT2將電流互感器的大電流變?yōu)樾‰娏?，?jīng)過(guò)可調(diào)電阻變?yōu)殡妷盒盘?hào)。CT3用作單片機(jī)的電源。單片機(jī)需要電流、電壓的基波和二次諧波信號(hào)，濾去3次以上諧波。單片機(jī)對(duì)電流進(jìn)行AD采樣，軟件通過(guò)間斷角原理進(jìn)行勵(lì)磁涌流識(shí)別，達(dá)到定值條件閉合跳閘節(jié)點(diǎn)。涌流控制器原理如圖6所示。

圖6 涌流控制器原理

間斷角原理需要較高的采樣率，對(duì)硬件要求較高。經(jīng)過(guò)研究，需要14位以上的模數(shù)（A-D）轉(zhuǎn)換器并且每個(gè)工頻周期采樣48點(diǎn)，才能準(zhǔn)確測(cè)量間斷角和波寬。而塔北變電站柱上斷路器自帶的JL—2C型涌流控制器的單片機(jī)的10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器采樣達(dá)不到要求。

4 措施

1）用高技術(shù)規(guī)格的智能控制箱或保護(hù)裝置替代涌流控制器。智能控制箱或保護(hù)裝置的技術(shù)規(guī)格有：①具有電流三段保護(hù)、零序保護(hù)和重合閘功能； ②保護(hù)電流值和延時(shí)時(shí)間可任意整定，實(shí)現(xiàn)選擇性；③實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、保護(hù)信息和事件記錄可以上傳至監(jiān)控后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳電調(diào)后臺(tái)。

2）新建高壓室，將電氣設(shè)備轉(zhuǎn)戶內(nèi)運(yùn)行，改善電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。

3）柱上斷路器改造為可靠性更高的戶內(nèi)真空斷路器。

5 結(jié)論

綜上所述，線路越級(jí)跳閘的原因有：①采用技術(shù)規(guī)格低的涌流控制器，當(dāng)短路電流達(dá)到400A時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)；②TA-6S線路涌流控制器的損壞造成保護(hù)拒動(dòng)。

塔北變電站的電氣設(shè)備戶外運(yùn)行，該地區(qū)位于新疆塔克拉瑪干沙漠北部邊緣，夏季最高溫度60℃，冬季最低溫度◆20℃，風(fēng)沙大，設(shè)備故障率高。

本文中的簡(jiǎn)易變電站雖然能減少投資，但采用了技術(shù)規(guī)格低的電氣設(shè)備，電氣設(shè)備在環(huán)境惡劣的戶外運(yùn)行，犧牲了保護(hù)動(dòng)作的可靠性和選擇性。因此，在供電可靠性要求高的地方不建議采用簡(jiǎn)易變電站。

本文編自2021年第4期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“簡(jiǎn)易變電站的10kV線路保護(hù)越級(jí)跳閘故障分析”，作者為蒲軍。