降低近区故障对主变冲击的研究与应用

许文涛 刘文伟 杜向前 高孙来

摘要

线路保护测控装置在实际工程应用以来，虽然提高了供电可靠性，但与此同时也增加了一次设备受到冲击的次数。对此，本文首先研究了主变近区故障的特点及其影响，然后对保护装置的重合闸功能进行了改进，使其具备识别近区故障的能力，从而在必要时刻退运，有效避免大故障電流对设备的二次冲击。

【关键词】线保装置 重合闸功能 主变近区故障 二次冲击

在电力工程实际运行中，可知大部分输电线路故障都为瞬时性的，在引发继电保护动作后，线路会迅速断开，随着电弧熄灭，外界物体随之消失;永久性故障发生较少，但保护动作后故障仍然存在。由于具有以上性质，故广泛采用自动重合闸装置，可使发生瞬时性故障的架空线路迅速投入运行。但是，传统自动重合闸装置对故障类型不具备判别能力，一旦自动重合于永久性故障，尤其是主变近区故障，则会对系统造成二次伤害，加重电力设备的损伤程度。

主变近区故障特点明显，其会产生较大的短路电流，而随着电气主设备运行年限的增加，承载能力逐渐变差，抗短路电流能力愈来愈弱，己然很难承受这种大短路电流的冲击。因此，在发生主变近区故障后，应当避免重合闸装置启动及动作。

近年来，丽水地区雅溪变、舒洪变、张村变10kV线路所应用的保护装置的重合闸功能在提高供电可靠性的同时，也增加了对电网一次设备的冲击，特别是近区故障危害严重。本文通过分析主变近区故障特性，对保护装置重合闸功能进行优化，使其能够自动识别出近区故障并及时退出，减少对电气设备的冲击。

1 主变近区故障特性分析

1.1 基本介绍

近区故障又称作近区短路，本文主要研究的为主变近区故障，主要指的是变压器的出线短路、内部绕组间对地短路以及各相之间发生短接而直接导致的故障。其主要特点是会出现特大的短路电流，电流数值将会达到额定电流的10～25倍以上。

1.2 故障影响

故障所带来的危害主要包括动稳定破坏和热稳定破坏。

动稳定破坏可分为初期的冲击破坏和持续的振动破坏。前者破坏过程与暂态分量的衰减有直接联系，损害力度随之衰减而逐渐消失;后者会一直伴随着短路故障，且随着时间延长破坏性越大。由于近区故障短路电流很大，所以线圈所承受的电动力是正常时的数十倍甚至更大，在其作用下主变绕组的几何尺寸或形状都会发生较大变化，严重时会立即发生事故。通过公式推倒，可得各导线轴向和辐向短路电动力：

式中：B⁰为短路稳态电流I_1d为对应磁密;R为各导线的圆环半径。

热稳定破坏会对变压器的绝缘材料造成严重损坏，甚至使其击穿或损毁，其故障过程的形成包括主变外部短路一内部机械发生形变一绝缘损坏甚至击穿。通过物体发热冷却方程可求得短路时线圈的最高温度：

式中：θ⁰为线圈起始温度;J为短路电流密度;t为持续时间。

综上可知，流经变压器的短路电流大小是影响变压器故障损坏程度的关键因素之一。由于近区故障产生的短路电流数值很大，故会对主变设备造成巨大冲击。

2 线路保护测控装置重合闸功能介绍

装置采用三相重合闸，具备三相一次重合闸和二次重合闸功能，同时具有“闭锁重合闸”开入功能。

2.1 充电及放电条件

充电条件为：断路器合位，KKJ=1且无闭锁重合闸信号。经15s后即可完成充电。

放电条件较多，只要满足任意一条即会闭锁重合闸，详细如下：

（1）X2：1闭锁重合闸开入;

（2）X2：2弹簧未储能开入;

（3）控制回路断线;

（4）重合闸软压板退出;

（5）重合闸硬压板退出（运行参数KG1.8 设有硬压板时）;

（6）手跳;

（7）低频、低压或过负荷跳闸之类永跳;

（8）断路器处在跳位30s;

（9）跳闸失败;

（10）重合闸失败;

（11）重合闸动作完成。

2.2 启动方式

自动重合闸有两种启动方式：断路器控制开关位置与断路器位置不对应启动及保护启动。位置不对应启动指的是断路器跳闸位置继电器（TWJ）与合后位置继电器（KKJ）不对应。当故障发生或断路器偷跳时，TWJ置1，即分位状态，而KKJ仍维持初始状态不变，这就造成了位置不对应，满足相关条件时重合闸启动。保护启动则是指当故障开关保护发出跳闸指令并且在判定线路无流后启动重合闸。综上可知，传统重合闸是否启动与系统内电气量变化无直接关系，即对故障没有判别能力。

3 改进重合闸功能

针对传统重合闸在发生主变近区故障时“盲目”合闸的问题，本文在重合闸放电环节增加一项判定近区故障大电流的条件，一旦保护装置检测到故障电流过大，则重合闸立即放电闭锁。

通过对主变近区故障的分析，设定电流限值为I_m。当故障电流I_f≥I_m时，表明发生了主变近区故障，则符合放电条件，重合闸放电闭锁，简要流程如图1所示，图中只注明了新增添的判定条件。

4 工程应用实例

目前，改进后的重合闸技术在丽水供电公司两座110kV变电站共27条10kV线路中投入使用。试运行以来，雁门变10kV和问鱼变10kV线路共出现17次近距离的线路永久性故障，经过改进技术判别后全部闭锁重合闸，使得主变没有再次承受近区短路故障的损害。改进前后近距离故障时重合闸的数据对比可见表1所示。

5 结论

本文根据丽水供电公司在实际运行中碰到的近区故障重合闸闭合会对变压器造成二次冲击问题进行了深入分析，以近区故障产生的较大短路电流为判断依据，对重合闸技术进行了简单改进：无论是瞬时还是永久故障，只要是近区故障则闭锁重合闸，使得主变有效地避免了二次冲击的伤害。

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