10 kV线路合闸失败原因分析及防范措施

潘英吉, 周和平

(1.国网吉林供电公司, 吉林 吉林 132001;2.吉林市电力设备安装公司, 吉林 吉林 132002)

0 引 言

为提高供电可靠率,以架空线路为主的10 kV系统中性点一般采用不接地方式运行,即系统发生单相接地故障时,并不构成短路,对地绝缘监测保护仅用于报警提示。线路发生短路或过负荷时,线路有三段阶梯电流主保护,依次为第Ⅰ段电流速断保护,动作时间0 s;第Ⅱ段电流限时保护,延时动作时间0.5 s;第Ⅲ段过电流保护,延时动作时间1.0～1.5 s。在对线路空载变压器合闸充电时,沿线各台变压器产生的励磁涌流相互迭加,当达到电流保护整定值时,保护动作开关跳闸,造成合闸失败。本文结合具体实例对比进行分析。

1 实例分析

1.1 合闸过程

城南一线10 kV公配线路T接52台配电变压器,总容量为13.8 MVA。供电方式如图1所示,Sy为线路出口开关,Sf1～Sf5为线路分支开关。

图1 供电方式

在一次线路检修工作结束后,合上线路出口开关Sy时,线路第Ⅲ段过电流保护动作开关跳闸。工作组巡视检查线路,并未发现故障点。为查找问题原因,将线路分支开关(Sf1～Sf5)全部断开,从电源侧逐段线路进行送电,直至完成全部送电,并未发生运行异常现象。这种类似情况,其他10 kV线路也曾发生过几次,此外全线路合闸送电(分支开关在合闸位置)均一次成功。

1.2 励磁涌流

依据电磁感应定律,正弦交流电压u(t)施加在空载变压器上时线圈两端产生的感应电动势为e(t)=-N(dΦ/dt),(其中N为一次侧绕组匝数,Φ为励磁磁通),并与电源电压相平衡,即u(t)=-e(t),其相位落后于电源电压π弧度。设合闸时,电源电压的表达式为[1]

u(t)=Umsin(ωt+θ)=i1(t)R1+N(dΦ/dt)

(1)

式中:Um——电压峰值;

ω——角速度;

θ——合闸时的电压初相角;

i1(t)——空载电流;

R1——一次侧绕组电阻。

因一次侧绕组电阻很小,暂忽略不计,式(1)简化为

dΦ=(Um/N)sin(ωt+θ)dt

(2)

对式(2)积分,求解出磁通表达式为[2]

-Φmcos(ωt+θ)+Φmcosθ

(3)

电源在空载变压器合闸充电时,电压初相角θ值决定暂态分量和稳态分量的变化状况。现将两种极端情况下的θ分别带入式(3)中,分析励磁磁通Φ(t)的变化过程。

(1) 当θ=π/2弧度时合闸,励磁磁通为

Φ(t)=Φmsinωt

(4)

式(4)表明,θ=π/2弧度时合闸,励磁磁通直接进入稳态分量下运行,没有暂态分量,此时变压器的励磁电流为空载电流,一般不超过额定电流的2%～10%。

(2) 当θ=0弧度时合闸,励磁磁通为

Φ(t)=-Φmcosωt+Φm

(5)

从式(5)可以看出,励磁磁通是由两个分量所组成,第1个分量是时间的函数,第2个分量是常量。关键问题是对变压器空载合闸后,在t=π/ω(半个周波时间0.01 s)带入到第1个分量中,励磁磁通为Φ(t)=2Φm。变压器设计的磁通密度正常在B-H曲线的拐点上,趋向于磁饱和状态,2倍的峰值磁通足以使变压器铁心处在深度饱和状态,激磁阻抗下降,励磁电流急剧上升,空载电流变成励磁涌流,一般为变压器额定电流的5～8倍,经沿线各台变压器励磁涌流进行相互迭加,最后导致线路出口Ⅱ段或Ⅲ段电流保护动作开关跳闸[3]。

电源在空载变压器任何时间合闸,产生的励磁涌流均处在这两种极端状况范围之内。对于三相变压器,各相电压互为120°相位夹角,因此无论在何时合闸,总会有一相处在空载电流达到最大或接近最大励磁涌流,由于变压器绕组存在内阻,励磁涌流会由暂态分量逐渐衰减到正常运行时的稳态分量。衰减时间常数为T=L/R,其中L为绕组电感,R为绕组内阻。一般小容量变压器合闸后约0.1 s就趋于稳定状态,大容量变压器将持续15 s左右[4],全线路迭加后的励磁涌流衰减时间需更长一些,从故障录波器的图片上看,通常在1.5～2.0 s时间后励磁涌流的幅值可衰减到50%及以下。

2 技术措施

目前,已有一些防止励磁涌流的保护措施,如延长线路出口Ⅱ段和Ⅲ段电流保护的动作时间(以躲避励磁涌流的峰值)、加装电流保护器等。为减少沿线各台变压器励磁涌流恶性迭加,采取逐段分支线路送电方式,来限制励磁涌流的峰值。图1中,城南一线共有5个线路分支开关,选择2个控制容量较大的分支开关Sf2和Sf5及电源开关Sy,实现三级送电方式。考虑大容量变压器暂态分量衰减的时间约为15 s,设定每级开关送电时间顺延30 s,即第一级合闸时间为0 s,第二级合闸时间为30 s,第三级合闸时间为60 s。分级送电控制接线方式如图2所示[5]。

图2 分级送电控制接线方式

送电前分支开关Sf1、Sf3、Sf4处在合闸位置上。

电源控制开关Sy开始合闸时间为0 s,第一级送电容量为5.83 MVA,同时分支开关Sf2、Sf5通过本体变压器T已检测到电源电压,见图2。这时分支开关Sf2和Sf5的电压继电器VJ均开始动作,第二级分支开关Sf2延时30 s合闸,送电容量为4.21 MVA,在此基础上,第三级分支开关Sf5顺延30 s合闸,全线路送电结束,一切运行正常。

送电时按照三级送电方式进行,停电时电源控制开关Sy断开,全线路停电,分支开关Sf1、Sf3、Sf4仍保持在合闸状态,分支开关Sf2、Sf5动作过程见图2。因线路停电,电压继电器VJ失压,常开接点瞬时打开,合闸线圈HQ失去自保持,Sf2和Sf5开关失压脱扣跳闸。

3 结 语

通过三级自动送电方式,有效地限制励磁涌流的恶性迭加。自线路改造完成后运行2年多时间里,线路经过多次停送电,一直运行正常。对于单台大容量变压器送电,为抑制励磁涌流峰值,降低涌流暂态分量衰减的时间常数,使之尽快进入稳定状态,在变电站出口开关上串接一个电阻,合闸送电完成后自动短接切除,运行效果较好。抑制变压器励磁涌流有多种方法,应根据实际运行情况,采取有效措施,提高电力系统安全运行的可靠性。