提升配电网故障自动切除能力的措施

胡金鹏

（中核四0四有限公司，甘肃兰州 732850）

引言

电力在生产和生活中具有重要的地位，配电网是将电力由变电站转供给用户的重要组成部分，配电网自动切除故障的能力直接关系着广大用户的用电质量和配电网运行可靠性，为了保障用户用电的安全，在系统发生故障时，需要将故障电源自动切除，将停电限制在最小范围内。针对目前区域内配电网故障自动切除方面存在的问题，从合理应用各类型断路器，计算出各电压等级系统等效阻抗及短路电流，设置定值及时限级差等方面，提出改进的措施，以提高配电网的故障自动切除能力。

1 配电网的现状

某区域配电网由某变电站集中供电，通过变电站内6 kV母线输出6 kV线路辐射供电，每回供电线路均有多台变压器，单回线路采用柱上开关实现分段供电。但因线路设备运行已有40多年，柱上开关配置不完善，柱上开关未配置速断、过流等保护装置或年久导致保护失效，在线路发生故障时，开关不能快速且最小范围切除故障，而是直接由变电站内线路总电源开关动作来切除故障，切除设备数量较多，且故障影响的范围大，造成越级跳闸，事故扩大，与保护“四性”中“快速性、选择性”要求明显不符。故障处理时需要人工巡视检查线路，花费大量时间才能排查出故障点，排查出故障点后还需逐级操作恢复送电，恢复供电时间较长，供电可靠性得不到很好的保障。线路所接带的变压器负荷高压侧无断路器，而是使用跌落保险作为保护，保护的灵敏性、可靠性较差，运行过程中存在保护越级跳闸的现象，故现有的配电网设施及保护配置已不能满足时代发展的需要。

2 存在的问题及采取的措施

2.1 存在的问题

在原线路、负荷变压器本身发生短路故障时，线路中柱上开关或负荷变压器高压侧跌落保险无法自动切除故障点，而是由变电站内线路总电源开关保护动作跳闸，来切除整条线路电源，导致停电影响范围较大。而低压侧断路器短路特性检测较为困难，存在较大不确定性，在变压器低压侧发生故障时，无法按照相应系统短路电流配置，存在低压电缆短路，低压侧电源开关、高压侧跌落保险均不能正确动作，造成保护越级跳闸，整条配电线路停电现象。

以某次低压侧故障，发生三相短路，开关拒动造成越级跳闸故障为例分析。

供电变电所6 kV 母线阻抗标幺值在大运行方式下取1.323，小运行方式取1.803。某配电变压器容量为630 kVA，短路阻抗5.67%，从供电变电所6 kV 母线至变压器高压侧连接线为架空线，分成前后两部分，前部分架空线路导线型号LGJ-70，正序单位阻抗0.45+j0.358 Ω/km，长度1.08 km；后部分架空线路导线型号LGJ-50，正序单位阻抗0.63+j0.368 Ω/km，长度2.15 km。

式中：Ud%——短路阻抗百分比，取铭牌数据，5.67%；

SB——基准容量，按100 MVA计算；

SN——变压器额定容量，630 kVA；

Z——线路正序单位阻抗；

Un——6 kV 系统额定电压按6.3 kV 计算，变压器低压侧电压按0.4 kV计算；

IB——基准电流，6 kV基准电流按9 164.28 A计算，0.4 kV基准电流按144 375.67 A计算；

Z1.max——最大等值阻抗。

由公式（1）计算得出，630 kVA 变压器阻抗标幺值为9，由公式（2）计算得出，线路总阻抗标幺值为4.64+j2.97，则变压器低压侧阻抗标幺值大运行方式L：4.64+j13.293，阻抗标幺值模值为14.08；变压器低压侧阻抗标幺值小运行方式S：4.64+j13.773，阻抗标幺值模值为14.53。

变压器低压侧配置500 A 塑壳断路器，其断路器动作特性在12倍电流时动作时间为0.03～10 s，12倍以上电流时动作时间在0.03 s 以下。由公式（3）得出该变压器低压侧最小两相短路电流为8 605 A，灵敏度以低压断路器速断值6 000 A（12 倍额定电流）校验，灵敏度为1.43，满足要求。但是在某次故障中变压器低压侧发生三相短路，经高压侧保护装置记录的信息，折算至低压侧三相短路电流达到22 743 A，但变压器低压侧断路器、高压侧跌落保险均未能可靠动作，造成越级跳闸，整条线路失电，事故扩大。因低压侧断路器动作特性所需校验电流较大、高压跌落保险不具备检验条件，在日常工作中均无法校验，不能可靠地检验出是否满足使用要求，因此需增设变压器保护，以提高电网运行的安全性。

2.2 改进措施

在区域内配电网基础设施升级改造时，将跌落式保险更换为带有保护功能的真空断路器，为确保故障时保护装置能自动切除故障点，通过对系统各电压等级系统等效阻抗及短路电流核算，设置合适的继电保护整定值，加以时间级差配合，以提高保护动作的可靠性。其整定计算过程如下。

供电变电所6 kV 母线阻抗标幺值大运行方式取1.323，阻抗标幺值小运行方式取1.803。

供电变电所6 kV 母线至变压器连接线由架空线更换为电缆，电缆型号YJV22-8.7/10kV-3×400 mm2，线路全线长度为6 kV，正序单位阻抗0.0465+j0.0845 Ω/km，至最大容量变压器线路的长度2 km，由公式（2）得出至最大容量变压器线路电缆阻抗为0.093+j0.169 Ω，线路全线阻抗标幺值为0.2343+j0.4258，标幺值模值为0.486。区域内最大变压器容量为1 600 kVA，短路阻抗为5.9%，变压器高压侧额定电流为146.63 A，由公式（1）类比相应计算出变压器等效阻抗标幺值为3.6875。

2.2.1 变压器保护整定

经计算，变压器高压侧最小阻抗标幺值为1.809，最大阻抗标幺值为2.289；变压器低压侧最小阻抗为5.5，最大阻抗5.98。

变压器高压侧过流Ⅰ段保护定值整定原则1：按躲过变压器低压侧出口三相短路时流过保护的最大短路电流整定，低压厂用变压器低压侧出口三相最大短路电流Imax。

式中：Z1.min——系统最小阻抗。

折算至高压侧：

整定原则1定值：

式中：Krel——可靠系数，根据导则要求，取1.3。

变压器高压侧过流Ⅰ段保护定值整定原则2：按躲过变压器最大励磁涌流整定［1］。

式中：K——励磁涌流倍数，根据导则要求，取7.0～12，本次取10计算。

综上述原则1、原则2，取过流I 段整定值为2165A。

灵敏度校验：灵敏度按以变压器高压侧出口最小两相短路电流校验［2］。最小运行方式下，低压厂用变压器高压侧出口两相金属性短路电流Imin为

当低压厂用变压器高压侧采用断路器时，动作时间可取0～0.1 s；当高压侧采用高压熔断器、接触器时，在熔断器动作时间基础上增加延时，或取经验值0.3～0.4 s；如有大电流闭锁功能时，其动作时间不需要考虑电流速断保护与高压熔断器熔断时间配合，不需要增加短延时级差。故过流I 段保护时限整定为0 s，出口跳变压器高压侧断路器。

过流I 段保护定值范围未伸出变压器低压侧，仅保护变压器内部，内部发生故障时，能够0 s 切除故障；变压器低压侧发生故障时，又能做到不误动作。

变压器高压侧过流Ⅱ段保护定值整定原则：按躲过低压厂用变压器所带负荷需要自启动的电动机最大启动电流之和整定。

式中：Krel——可靠系数，1.2；

Kzq——需要自起动的全部电动机在自起动时所引起的过电流倍数。

计算方法：

式中：Ie——变压器额定电流，146.63A；

Uk%——以变压器额定容量为基准的阻抗电压百分值，5.9%；

Kst.∑——电动机自起动电流倍数，取5；

ST.N——变压器低压绕组的额定容量，1 600 kVA；

SM.∑——需要自起动的电动机额定视在功率的总和，暂按总容量的50%计算；

UM.N——电动机额定电压，0.38 kV；

UT.N——电动机所连接母线的额定电压，0.4 kV。

灵敏度校验：按最小运行方式下，低压厂用变压器低压侧母线两相金属性短路折算到高压侧的一次电流校验。

过流II段保护动作时间按与下一级设备过流保护的最大动作时间配合整定，考虑配网属于末级负荷，时间整定为0.2 s，出口跳变压器高压侧断路器。

过流II 段保护定值范围已伸出变压器低压侧，可作为变压器低压侧及以下设备的后备保护。因变压器低压侧设备故障时，变压器高压侧过流I 段不会动作，考虑配网运行条件及时间配合关系，故0.2 s也能够快速切除故障。

变压器高压侧过流Ⅲ段按变压器高压侧额定电流1.1 倍为整定原则，当做过负荷保护时，过流III段保护定值为161.3 A，时间为9 s，出口告警。

鉴于变压器已设置三段式过流保护，低压侧电源开关不再设置单独保护。变压器及变压器低压侧设备完全由高压侧过流I 段、过流II 段保护实现故障切除功能，由高压侧过流III段实现运行过载发信功能。

2.2.2 线路保护整定

经计算，线路末端最大短路电流阻抗标幺值为1.90，线路末端最小短路电流阻抗标幺值为2.38，线路首端最大短路阻抗按变电站6 kV 母线最小运行方式时阻抗计算，为1.803。

供电变电所6 kV出线开关过流I段整定原则1：按躲过线路末端最大三相短路电流［3］为原则进行整定，线路末端最大三相最大短路电流Imax

式中：Z1.min——系统最小阻抗。

整定原则1定值：

式中：Krel——可靠系数，根据导则要求，取1.3。

变压器高压侧过流Ⅰ段保护定值整定原则2：按与下级设备最大过流I段配合整定。

式中：K——励磁涌流倍数，根据导则要求，取7.0～12，本次取10计算。

综上述原则1、原则2，取过流I 段整定值为6 269 A。

灵敏度校验：灵敏度按以线路首端最小两相短路电流校验。最小运行方式下，线路首端即供电变电所6 kV母线两相金属性短路电流Imin为

因灵敏度不满足要求，故按线路过流Ⅰ段整定以与环网柜所带变压器最大过流I 段电流保持一致为原则，取值2 190.03 A。灵敏度计算为4401.83/2190.03=2，大于1.5，满足要求。

过流I 段时间按与下级设备过流I 段时间配合整定，取0.2 s，出口跳进线断路器。

供电变电所6 kV 出线开关过流II 段整定原则：按躲过线路最大负荷电流值（实测值）整定。可靠系统取1.2，过流II段时间按与下级设备过流II段时间配合整定，保持与下一级0.2 s 的时间级差，取0.4 s，出口跳进线断路器。确保保护的选择性及灵敏性。

3 结论

通过更新配电网基础设施，将变压器跌落保险更换为带保护的断路器，辅助以适合的继电保护整定值，经过两年的运行调试，目前区域配电网内出现的数次短路故障，保护均正确动作，未出现保护误动、越级现象，基本实现了配电网故障切除的自动化。