配网 20kV线路保护单相高阻接地问题探讨

余 红

(广东电网茂名化州供电局,广东 茂名 525100)

1 前 言

一些供电局逐步实施 10kV升压至 20kV的改造工程,并且中性点都采用小电阻接地方式,其主要的原因在于:

1)确保能跳开故障线路。

2)能够有效降低电气设备的耐绝缘水平,从而节约电缆出线成本。

3)为使得10kV中性点的非有效接地系统能够直接升压到 20kV,应该尽可能的利用升压前的对应的相关一次设备。以下针对国内 20kV线路中性点经小电阻接地系统,给出了具体的保护配置情况,通过仿真试验,对单相高阻接地时保护可能发生拒动作现象进行了阐述,提出了解决单相高阻接地保护拒动作问题的措施。

2 20kV线路保护配置现状

1)过电流保护:主要包括限时电流速断、定时限过电流保护和电流瞬时速断。相电流超过定值且延时大于整定值,装置就出口跳闸。

2)零序过流保护:包括零序过流 I段和零序过流 II段,当接入装置的计算零序电流超过定值且延时大于整定值,装置即出口跳闸。

3)零序功率方向保护:零序电流大于较小的整定值,且零序功率方向元件动作,则经过一定的延时后保护跳闸。

以上的保护功能都能根据需要投入或退出,对于两段式零序过流保护与零序功率方向保护,可以选两者中的一个。下面以某省 20kV出线为例,对保护的主要配置和整定值进行详细说明,具体的配置情况如表 1所示。

表1 某省20kV出线保护的主要配置与整定值表

3 单相高阻接地问题

3.1 整定值选取原则

1)电缆出线发生的故障一般为低阻接地,故障电流比较大,因此定值的灵敏度基本没有任何问题,定值的选取主要是考虑区外单相接地时避开被保护线路中的电容电流。

2)架空线路或者电缆与架空混合的线路,因为各种外部原因可能会碰断架空线使其掉到地面,因此出现单相高阻接地故障几率大,定值的选取主要考虑能够尽量确保高阻接地时的灵敏度。

当发生单相高阻接地时,一般是通过由零序过流保护或零序功率方向保护以实现保护跳闸。假若选用零序过流保护,零序 II段过流定值可按确保躲过本线路电容电流来进行整定;假若选用的是零序功率方向保护,零序电流定值可按躲正常负荷的最大不平衡电流来进行整定。表 2所示为零序过流保护与零序方向保护的相关性能比较。

表2 零序过流保护与零序功率方向保护的比较

3.2 整定值差异

1)无论是电缆出线还是混合出线,系统接地时电容电流都是较大的。一般来说,单一断路器所带电缆长度都应该限制在 15km以下,如果选用电缆的导体截面积是 3×630平方毫米,且单位长度电容值是 0.416uf/km,则计算所得的电容电流在 22.6A以下。

2)在对最大的不平衡电流整定值进行估算时,按文献 [7-11]相应规程,如果选用变比为 600/5A的 CT,而且一次额定电流为 600A,则不平衡电流整定值为 30--60A。依据以上的估算结果,若出线电缆的总长度没有超过限定范围,并且线路单相 CT的一次额定电流相对较大,那么零序过流保护 II段与零序功率方向保护的零流定值将会大体相同。反之则零序过流保护 II段整定值将大于零序功率方向保护的零流定值。

3.3 极性校验原则

零序功率方向保护接入保护零序电压和电流极性的正确性需要进行严格的校验,以下是常用的校验方法:

1)保护装置单体极性校验:分别对 A、B、C相加载 57.7V的电压,观测保护装置所显示的相电压与零序电压值;分别对 A、B、C相加载1.0A的电流,观测面板所显示的相电流与零序电流值;根据最大灵敏角分别对 A、B、C相加载以上的电压和电流值,观测零序方向保护装置是否能够动作并获取动作边界。

2)带回路检查:假若负荷电流是大于零功方向元件中零序电流的判定值的话,可通过进行带负荷试验以校验零序电压与零序电流间的极性是不是正确。若某条出线的负荷电流出现小于零序电流判定值的情况,则要等到出线负荷增大以后才可补做相应的试验。

3.4 存在的问题

由于整定值大体相同,并且对零序电流电压的极性进行校验会比较麻烦,因此一些省份在推广的 20kV系统时,保护装置不是采用零序功率方向保护,而是选用用零序过流保护。

为考验架空线路从 10kV升压到 20kV后的相关适应性,需进行升压运行的人工单相接地试验以考核系统可能出现的过电压情况和继电保护动作的准确性。试验具体项目包括经沙土、树木、水泥板和柏油路面单相接地的情况。其中本试验中的接地相都为 A相由试验结果可知:在高阻接地时的接地点电流会比较小,导致零序过流保护不动作。

4 仿真分析

4.1 仿真计算

下面以某省 20kV系统为例进行仿真计算,其中变压器选用220kV/21kV抽头,接线方式为Yn-Yn,20kV侧中性点是经过 19.92Ψ小电阻后接地,变压器高压和低压侧间的电抗是 31Ψ,而从 20kV侧看过去的变压器电抗经过计算约 0.28Ψ。

在进行仿真计算之前,首先需要的是计算20kV侧的短路电流,相对于中性点电阻来说,电缆与变压器的阻抗是可以完全忽略的。因而 20kV出线电缆在出现单相金属性接地故障时,其短路电流可计算如下:

式中 Ue表示的是相间电压 21kV,R表示的是中性点电阻。

4.2 结果分析

以 20kV系统的出线保护配置与整定值为例进行分析。对于单相高阻接地,假若选用的是零序过流 II段,当采用 150.0A的定值时候,保护耐高阻的能力只有 57.1Ψ;假若是选用零序功率方向保护,采用表二中所示的整定值,若将不平衡电流整定值选定为 30A,则保护耐高阻的能力可以提高至 365.0Ψ,并且故障相母线的电压将下降 5.2%,因此能够有效的判断零序功率方向。

假若一次零序电流的整定值是 15A,则存在两个问题:一是零序电流整定值将会偏小,可能会出现比正常最大不平衡电流还小的情况;二是故障相的母线电压只是下降了 2.6%,用来判断方向的零序电压幅值将会偏小,因此将难以有效地来计算零序的功率方向。

综合以上分析可知,20kV系统中性点经19.92Ψ小电阻接地时,出线保护耐过渡电阻能力需小于 365.0Ψ。

5 改进方法

5.1 新增单相高阻接地保护装置

保留现有保护测控装置,新增一套单相高阻接地保护装置。在单相经较大过渡电阻接地时,现有的保护装置灵敏度难以满足要求,主要原因是现有保护均基于稳态量原理,没有利用单相接地故障发生时丰富的暂态信息。新增加的单相高阻接地保护装置,选用高采样率和高分辨率的 A/D转换器,采集母线三相电压、开口三角电压和各出线零序电流的采样值,利用零序暂态突变量信息来选出故障出线,并直接进行跳闸。该保护装置比过电流保护和零序过流保护的最长动作延时多一个时间级差。

该方法借鉴了国内现有基于暂态零序量的小电流接地选线装置,也可以利用部分选线算法,但是其和小电流接地选线装置的主要区别是:选线装置只是给出信号而不直接跳闸;选线装置对选线结果上传的快速性没有严格要求,上传时间一般为几分钟,从而决定了现有选线装置硬件设计难以满足高阻接地保护装置的快速性需求。

5.2 开发集成型保护

集成型保护装置采集母线三相电压、开口三角电压、所有出线三相电流和零序电流信号,以及相关的断路器信息。除了可以实现常规保护测控装置的功能外,对单相高阻接地判别时,除了暂态零序电流,还能利用出线故障相的暂态电流,保护可用的信息更丰富。其缺点是需要对现有保护测控进行重新开发,研发工作量较大。

5.3 采用自适应零序电流整定值

规程 [7]中规定的最大不平衡电流整定值,按照电流互感器一次额定电流来调整,是综合考虑所有情况后最保守的整定结果。如果能根据负荷情况实时估算并由装置自适应调整整定值,可有效提高保护耐单相高阻接地能力。

6 结 论

以上根据国内20kV系统中性点经小电阻接地保护现状,通过结合人工接地试验的结果,详细地阐述了线路保护中单相高阻接地时发生拒动作的问题。本文详细分析了零序过流保护与零序功率方向保护的优缺点,并且基于仿真计算和试验结果分析,提出了提高线路保护耐高阻接地能力的具体措施。

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