站用交流电源保护电器短路电流计算与灵敏度校核

李秉宇,杜旭浩,郭小凡

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

变电站站用电系统是保障变电站安全可靠运行的重要环节,由于站用电系统的供电负荷多、回路分布广,较多支路需设置多级断路器进行保护,而断路器越级误动将扩大故障范围,拒动将使用电设备烧损[1-2]。国内近年来发生多起由于电缆中长期流过故障电流,热稳定遭到破坏而引发火灾的事故,在2019年5月6日,重庆500 k V张家坝变电站500 k VⅡ号母线、Ⅰ号母线失灵保护先后动作造成两条母线失压。经调查分析,该事件是一起由低压交流电缆起火引燃同沟混放控制电缆导致设备跳闸的典型电气火灾事故,事故暴露出变电站交流电源系统中低压交流断路器灵敏度不足,无法及时发现并切除金属接地、高阻接地等故障,从而导致电缆起火。因此有必要研究变电站交流电源各级保护电器短路电流的计算方法,开展交流电源保护电器灵敏度校验研究,提升交流电源保护电器设计的合理性和可靠性。

1 交流电源保护电器配置

低压交流断路器是厂站用低压交流用电系统的保护设备之一,选型时依据工作电压、电流、电动机启动电流和使用环境等要求,并考虑能满足短路时的动稳定、热稳定,开断电流、灵敏度和上下级选择性要求进行设备选择。一般配置3-4级保护电器。

(1)进线断路器选取。进线断路器的额定电流根据站用变压器的低压侧持续工作电流的预期最大短路电流选择。宜采用框架断路器,该断路器具有瞬时过电流保护、短延时电流保护、长延时过负荷保护特性,电动操作机构[3]为抽出式、固定式接线方式。

(2)主馈线断路器选型和数量。计算交流负荷功率,确定主馈线断路器的额定电流。为满足选择性和灵敏性,长线路断路器宜选用带电子式脱扣器的塑壳断路器。用于漏电保护或监测的断路器,宜选用零线带脱扣器的断路器。重要负荷及大负荷应配置主馈线柜供电,如交流分电柜、动力配电箱、主变压器风冷、直流充电、UPS、消防水泵等。

(3)二级馈线断路器选型。根据交流供电网络选择二级馈线断路器。在交流负荷集中的区域应设置交流分电柜或动力配电箱,断路器可选塑壳断路器或微型断路器,与上级断路器配合满足选择性[4-5]。

2 短路电流计算及灵敏度校核

2.1 灵敏度校核原则

交流电源保护电器灵敏度是指交流回路本级保护电器负荷侧末端短路电流和保护电器可靠动作电流之比。新建、改扩建变电站,应对站用交流电源系统断路器与动力电缆的保护配合、电缆末端短路灵敏度等进行核算,在进行灵敏度校核时首先需要根据交流电源接线方式和站用变压器、各级电缆配置情况,计算出交流电源保护电器各级短路电流,然后结合保护电器瞬动或短延时过电流脱扣器整定电流进行灵敏度校核[6]。按照标准要求,综合整改经济性和工作量考虑,对2011年以前投运变电站采用1.3倍校核,对2016年以后变电站采用1.5倍进行校核。

2.2 短路电流计算方法

2.2.1 各级阻抗计算

参考《工业及民用配电设计手册》第三版线路阻抗中,单相接地短路按相线对零线短路考虑,阻抗采用相保阻抗。

(1)系统阻抗

式中:UP为站用变低压侧线电压有效值;Sed为系统侧短路容量;I短路为高压侧短路电流;U为站用变高压侧线电压有效值。

(2)站用变阻抗

站用变电阻和电抗计算方法为

式中:Rb为站用变电阻;Pd为负载损耗;Up为低压侧线电压有效值;Se为站用变额定容量;Xb为站用变电抗;Ux为站用变阻抗电压。

(3)电缆阻抗

各类常用电缆单位长度的阻抗值可以通过电缆阻抗表自动查询获取。根据电力工程电气设计手册关于站用电系统单相短路电流的计算要求:“单相短路电流可直接按相-零回路所形成的阻抗进行计算”。

配电屏母线阻抗。为了简化计算,可不考虑占回路总阻抗10%以下的元件,只需计及电缆长度超10 m的导体电缆的阻抗。

馈线电缆阻抗。馈线电缆阻抗(R1、X1)=电缆长度×每米阻抗值(通过查阅标准电缆阻抗表获取)。

2.2.2 短路电流计算

三相短路

式中:I*为短路电流;Un为低压侧额定电压;Xk为回路总阻抗。

相间短路

单相接地短路(相-零)

式中:Xphp为回路总相保阻抗。

2.3 软件开发及实例分析

2.3.1 软件开发

为了对交流电源各级保护电器进行快速、准确校核,开发了交直流电源保护电器短路电流计算与灵敏度校核软件,能够灵活进行交流配置和元件选型,直观地计算直流系统中各处短路电流的大小,进一步根据各级保护电器特性进行灵敏度校核[7-8]。

软件的功能模块包括:项目基本信息录入、搭建系统模型、系统参数输入、保护电器校核、校核结果显示、选择性分析、报告输出。用户可根据已知参数、变压器容量、导线长度及截面积、保护电器参数等自动计算每级线路短路电流。根据短路电流计算,以及断路器型号、额定电流与短路瞬时整定值的输入,分析已知线路的上下级保护电器是否满足灵敏度要求,并将分析结果进行输出存储。软件界面如图1所示。

图1 典型系统图输入参数设定界面

项目基本信息录入完成后,进入系统模型搭建界面。根据交流系统实际情况将系统合理简化后,利用软件自带的元件模块,如变压器模块、保护电器模块等搭建系统模型,系统模型中不仅包括低压侧部分,还包括变压器上部的中压侧部分。输入参数有:变压器型号、变压器容量、中/低压侧电压、中压侧保护参数、进线、出线电缆截面积及长度。其中进线、出线电缆参数仅需输入截面积和长度,软件自动查询额定载流量、材质、阻抗、电抗等参数,并用于后续短路电流计算。

保护电器参数包括:产品型号、额定电流、过载启动倍数、过载动作电流倍数、过载动作时间、短路短延时动作电流倍数、短路短延时动作时间、瞬时动作电流倍数、瞬时动作时间、极限短路分断能力、额定短时耐受能力、接地保护电流、接地保护动作时间、进线电缆截面积、进线电缆长度、出线电缆截面积、出线电缆长度。

软件自动对交流系统中各元件进行校核,判断选型是否合理,其中选型合理的元件显示黑色,选型不合理的元件突出显示红色,对于选型不合理的元件可重新进行选型,直至合格为止。

2.3.2 实例分析

以河北省南部电网某500 k V变电站交流分电柜和主变压器风冷回路交流供电网络(仅示一路)为例,如图2所示。

图2 某500 k V变电站交流电源配置

各级保护电器短路电流计算结果见表1。

表1 各级保护电器短路电流计算 k A

供电网络L11-L12-L13的保护电器选择及其灵敏度校验如下。

(1)进线断路器DL灵敏度校验

选1250 A框架断路器,额定短路开关电流大于30 k A,配置瞬时过电流保护+短延时过电流保护+长延时过负荷保护,配置电子式脱扣器,保护功能可投退。瞬时过电流因电缆L11、L21的始端短路时1QF、2 QF无法配合,故退出。

短延时过电流整定

对母线相零短路

K=14.3407×1000/8750=1.639＞1.5,满足要求;

对母线相间短路

K=13.7590×1000/8750=1.572＞1.5,满足要求。

(2)主馈线断路器1 QF灵敏度校核

选150 A/3P的塑壳断路器,额定短路开关电流大于20 k A,配置电子式脱扣器,含瞬时过电流保护+短延时过电流保护+长延时过负荷保护。瞬时过电流保护因无法与L13断路器1ZK1瞬时过流配合,可整定退出。

短延时过电流保护

电流整定Isd=3In=450 A,时间整定Isd=0.2 s。

线路L11末端相零短路

K=780.592/450=1.73＞1.5,满足要求;

线路L11末端相间短路

K=2826.3340/450=6.28＞1.5,满足要求。

(3)交流分电柜馈出线断路器1ZK1灵敏度校核

选40 A/3P的B特性微型断路器,配置热磁式脱扣器,含瞬时过电流保护+长延时过负荷保护。瞬时过电流保护Ii=(3～5)In=100～200 A,取最大值200 A。

线路L12末端相零短路

K=425/200=2.125＞1.5,满足要求;

线路L12末端相间短路

K=1288.1560/200=6.44＞1.5,满足要求。

(4)就地控制柜1DK1

选20 A/3P的C类特性微型断路器,含瞬时过电流保护+长延时过负荷保护。瞬时过电流保护Ii=(5～10)In=100～200 A,取最大值200 A。

线路L13末端相零短路

K=291.4/200=1.457＜1.5,不满足要求。

线路L13末端相间短路

K=1184.8427/200=5.92＞1.5,满足要求。

对于不满足要求的相零短路采用降低保护电器额定电流方式,改为16 A/3P的C类特性微型断路器,瞬时过电流保护Ii=(5～10)In=80～160 A,取最大值160 A。则线路L13末端相零短路K=291.4/160=1.82＞1.5,满足要求。

2.3.3 整改措施

(1)降低断路器额定电流。校核负荷电流,对断路器额定电流过大的选择低额定电流的断路器。

(2)更换瞬时脱扣倍率较小的热磁断路器。无法降低断路器额定电流时,通过采用低倍率瞬时脱扣热磁断路器,降低断路器瞬时脱扣电流以满足灵敏度。如将C型脱扣特性断路器(5～10)In更换为B型脱扣特性断路器(3～5)In。

(3)更换带短延时保护的电子脱扣断路器。调整断路器瞬时或短延时脱扣电流,可解决大部分的灵敏度不合格问题。

(4)采用馈线零序保护。对于电缆过长的回路(无法通过调整瞬时或短延时脱扣电流提升灵敏度的情况),以及主变压器风冷、水泵等大型电动机负载回路(断路器瞬时或短延时脱扣整定电流无法躲过电动机启动电流等情况时),可采用带接地保护的短路或加装零序模块。

3 装置研制与现场测试

3.1 校验装置研制

为在现场开展各级保护电器灵敏度校验试验,验证按照设计计算方法实际配置的保护电器是否满足灵敏性要求,设计开发了站用交流电源系统保护电器灵敏度校验装置。

3.1.1 装置原理

基于小电流预估和短路模拟法测试各级保护电器负荷侧电缆最远端单相短路电流值,结合本级断路器动作特性,判断出本级交流电源保护电器灵敏度是否满足要求。

在利用小电流预估法获取短路电流时,首先根据戴维南定理,将电源侧等效成一个电压源和阻抗串联的单口网络,等效电路如3图所示,Eoc为电源侧开路电动势,u为负荷侧电压,R0为回路等效阻抗,i为回路电流。

调整可调负载阻抗R的值,即可获得多组回路电压、电流值,利用最小二乘法对其进行回归分析,拟合出一次函数,使得该直线上的函数值与实际值之间方差最小,该一次函数与横轴的交点即为短路电流值。

图3 站用交流回路等效电路

3.1.2 装置组成与功能

站用交流电源系统保护电器灵敏度校验装置主要由可恢复熔断器、电压传感器、可调负载阻抗、IGBT模块、控制单元CPU及接线端子组成,内部接线如图4所示。

图4 内部接线

装置具有小电流预估测试和短路模拟测试2种功能。CPU控制相应IGBT通断,可模拟馈线终端三相短路、两相短路、单相对地短路和两相对地短路等4种不同故障模式,比如IGBT模块M1、M2、M3开端,M4、M5、M6导通,可模拟三相短路;M1、M2、M3、M5、M6开断,M4导通,可模拟UV相间短路。在此基础上,可调阻抗负载Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6能够使回路产生小电流,用于短路电流的预估。同时可调阻抗负载可以连续动态调整,便于测试点的选取。

3.2 现场测试

测试试验时,断开现场交流系统待测馈线回路交流断路器,在断路器下口电缆最远端对应连接测试装置U、V、W接线端;闭合交流断路器,并保证待测交流馈线回路上其它所有交流保护电器(包括熔断器和断路器)都处于合位。控制IGBT模块M1、M2、M3、M5、M6开断,M4导通,并调整可调负载,生成多组电压电流数据,完成U相短路时的最大短路电流预估。V相、W相同理,试验得到回路参数和短路电流预估值如表2所示。

表2 短路电流预估试验数据

为验证系统预估电流的准确性,将可调负载阻抗置于零值,模拟实际短路电流。测得U相、V相、W相对零线的短路电流分别是1098 A、1065 A、946 A。对比系统预估的短路电流和直接短路模拟测量的电流,预估电流值最大误差为7.5%,能有效校验保护电器的灵敏度。

4 结论

本文对交流电源系统各级保护电器进行短路计算和灵敏度校核计算,能够准确判断交流电源系统中本级保护电器负荷侧电缆最末端发生短路后保护电器是否可靠动作。通过开发的交流电源保护电器灵敏度校核软件可以在设计阶段便捷的计算出系统各级短路电流并进行灵敏度分析,研制的保护电器灵敏度校验装置同时在现场进行实际短路电流测试,能够对不同保护电器配置情况进行灵敏度校核并最终给出合理建议,通过实例计算与试验验证了该方法的可行性和软硬件的实用性。