电抗器间隔TA 后置式接线方式的故障电流分析

吴悦华， 周永荣， 陈昊， 常焱杰， 张臻， 何嘉弘

(1. 国网江苏省电力有限公司检修分公司， 江苏 南京211102；2. 国网电力科学研究院有限公司， 江苏 南京211106；3. 东南大学， 江苏 南京210096)

0 引言

随着我国电力建设的不断推进, 500 kV 电网已成为我国大部分省份的主干电网, 500 kV 电网的电气设备状态对于维护电网的安全稳定运行具有重要意义[1-3]。 用于调节变电站无功功率的500 kV变电站35 kV 电抗器是重要的电气设备, 电抗器间隔中电抗器本体和断路器的相对位置有以下三种模式[4], 第一种是近年来常用的配置模式, 即不设35 kV 总断路器而每个间隔的断路器前置； 第二种模式设35 kV 总断路器且电抗器断路器前置； 第三种是本文着重讨论的模式, 即设35 kV 总断路器且电抗器断路器后置, 该方式的优点在于后置断路器可以采用轻型断路器, 降低了投资。 但是当电抗器发生故障或35 kV 母线故障时, 需要直接跳开主变电压35 kV 总断路器。 在该模式下, 电抗器间隔断路器只在平时起到操作电抗器的作用[5-6]。

我国早期投运的500 kV 变电站, 多采用设35 kV总断路器且电抗器断路器后置的模式。 正常运行情况下, 流经TA 的电流是电抗器间隔的正常负荷电流, 若某间隔35 kV 电抗器发生故障, 流经该间隔TA 的电流减小。 因此, 这种TA 配置模式多采用欠电流保护[7]。 在实际运行中, 35 kV间隔发生故障时, 相邻非故障间隔的运行电流变化规律相对复杂, 甚至有可能造成非故障间隔电抗器欠电流保护动作[8-9], 给现场事故分析增加了技术难度。 本文研究了500 kV 变电站低压侧故障电流特征, 仿真分析了不同情况下的电抗器间隔电流变化规律, 提出了现有故障判别逻辑的改进方案。

1 电抗器间隔TA 后置式接线与保护配置

电抗器间隔TA 后置式接线的模型如图1 所示, 低压侧设35 kV 总断路器, 且在各个35 kV 设备间隔配置断路器, 电抗器靠近35 kV 母线, 断路器远离母线, TA 相邻断路器布置。

图1 TA 后置式电抗器间隔的电气接线

以图1 的500 kV 变电站低压系统为例, 35 kV侧四台电抗器的容量均为60 000 kvar, 各间隔正常运行时的负荷相电流为980 A ( 负荷电流的波动性[10-12]忽略不计), 欠电流保护的动作值为400 A(一次值)。 欠电流保护的动作条件是: 当某相电流低于定值且满足低电压解锁要求时, 保护延时跳闸。

以321 间隔的电抗器发生三相短路故障为例,首先假设故障过渡电阻可以忽略不计, 故障电流仅流经至故障点而不再流经TA, TA 上流经的电流由正常负荷电流下降至接近于0, 因此保护可以判断故障发生在321 间隔。 如过渡电阻大, 故障电流将根据过渡电阻与故障点到间隔末尾阻抗值的大小进行分流。 在这种情况下, TA 受到的电流也会降低,故障间隔欠电流保护将正常动作。 同时非故障间隔也可能因35 kV 电压被故障拉低, 造成本间隔TA受到的电流下降, 存在非故障间隔欠电流保护动作的可能。

2 电抗器间隔不同故障位置对保护的影响

如电抗器间隔中的某一间隔发生电抗器故障,故障点为f点, 则电抗器间隔的等效模型如图2 所示。 图中,Ls是35 kV 侧的等效电感, 约0. 008 H；L是故障至电源侧的电感值, 整个间隔的电感值为0. 065 H；Rf是故障点过渡电阻, 考虑到现场发生的多起故障实际过渡电阻值均较小, 便于分析起见, 这里假定Rf不超过5 Ω；Z是间隔末端断路器、 TA、 中性点接地刀闸等装置的综合等效阻抗,取0. 5 Ω[13-14]。

图2 电抗器间隔等效模型

2.1 理论推导

电抗器所在的35 kV 系统(不接地系统), 单相接地故障时, 故障电流较小[15-16]。 最常见的相间接地故障转三相故障。 从现场经验来看, 由于35 kV 系统保护动作延时较长, 最终转化成三相故障的概率颇高。 以三相故障作为典型故障进行分析, 假设故障发生在图2 中的f点。 如果f点距离35 kV 母线较近, 即故障点靠近电源侧(L值较小), 故障电流流经L后基本都从故障点过渡电阻Rf上流过, 因此欠电流保护动作。 但该种情况下,35 kV 母线电压下降严重, 可能造成其他非故障间隔欠电流保护动作。 如果f点距离母线较远, 即故障点靠近TA 侧(L值较大), 故障间隔以外的电压电流情况与正常运行情况下差异不大, 但在故障间隔内部, 故障点过渡电阻Rf上将会有一部分分流, 造成欠电流保护动作。

为方便分析, 暂不考虑非故障间隔对故障间隔的影响, 则故障间隔的总电流I为:

则流经故障间隔TA 上的电流I1为:

其中,E为系统电源的相电压有效值, 此处为38. 5 / 3 kV；L的取值范围是0 ～0. 065 H。 根据式(1)及式(2), 可以计算在不同位置发生故障的情况下, 流经故障间隔TA 处的电流I1随L值与Rf值的变化情况, 如图3 所示。 35 kV 母线电压的线电压有效值U随L值与Rf值的变化情况如图4 所示, 非故障间隔流经TA 的电流I2如图5所示。

图3 I1随L 值与Rf值的变化情况

图4 U 随L 值与Rf值的变化情况

图5 I2随L 值与Rf值的变化情况

根据图3, 在故障点靠近母线侧(L值较小)的情况下, 由于故障点靠近TA 侧的电抗值(0. 065-L) 较大, 故障电流几乎不流经故障间隔的TA, 因此I1的值总是很小且与Rf的值关系不大。 在故障点靠近TA 侧(L值较大) 的情况下, 故障点至TA 的电抗值(0. 065-L) 较小, 当其小到能与Rf的电阻值相比较时, 故障电流在流经L后将根据故障点至TA 侧阻抗进行分流。 在这种情况下, 当Rf的电阻值较大, 可能造成流经TA的电流下降不明显, 不能达到欠电流保护的动作定值。

根据图4, 在L值与Rf值均较小的情况下, 母线电压U下降明显； 在L值或Rf值较大的情况下,母线电压非故障情况下的数值相当。

根据图5,I2的变化情况与母线电压U的变化趋势基本一致,L值与Rf值均较小的情况下,I2下降明显； 在L值或Rf值较大的情况下,I2与非故障情况下的数值相当。

2.2 故障点靠近母线侧

若故障点靠近母线侧, 即L值较小, 取L＝0. 005 H,Rf＝1 Ω, 故障发生时刻为1 s, 故障持续时间为0. 5 s, 在PSCAD 中进行仿真。 流经故障间隔流经TA 的电流I1如图6 所示； 35 kV 母线的故障电压U如图7 所示； 非故障间隔流经TA 的电流I2如图8 所示。 由于故障为对称性故障, 不失一般性, 有关波形图均仅绘制单相波形。

图6 故障点靠近母线侧时I1的波形

图7 故障点靠近母线侧时母线电压的波形

图8 故障点靠近母线侧时I2的波形

由图6 可见, 流经故障间隔流经TA 的电流I1在故障发生后明显下降。 根据图7, 35 kV 母线电压在故障发生后有一定程度的跌落。 根据图8, 非故障间隔流经TA 的电流I2也有显著下降。

2.3 故障点靠近TA 侧

若故障点靠近TA 侧, 即L值较大, 取L＝0. 055 H,Rf＝0. 1 Ω, 在PSCAD 中进行仿真。 流经故障间隔TA 的电流I1如图9 所示； 35 kV 母线的故障电压U如图10 所示； 非故障间隔流经TA的电流I2如图11 所示。

由图9 可以看出, 流经故障间隔TA 的电流I1在故障发生后明显下降； 根据图10, 35 kV 母线的电压在故障发生后几乎没有下降； 根据图11, 流经非故障间隔TA 的电流I2与故障前相比也几乎没有变化。

图9 故障点靠近TA 侧时I1的波形

图10 故障点靠近TA 侧时U 的波形

图11 故障点靠近TA 侧时I2的波形

保持其他条件不变, 将Rf取5Ω, 流经故障间隔TA 的电流I1如图12 所示。 可以看出,I1的值下降不多, 即在故障点靠近TA 侧的情况下, 较大的过渡电阻会造成TA 分流增加, 可能造成欠电流保护达不到动作定值。

图12 故障点靠近TA 侧且Rf较大时I1的波形

3 故障判别逻辑的改进思路

由上可知, 当故障点靠近母线侧时, 35 kV 母线的电压下降, 有可能造成非故障间隔的电抗器欠电流保护动作。 以南京地区某500 kV 变电站(35 kV侧采用TA 后置式接线) 为例, 三次35 kV电抗器三相短路故障, 有两次出现了非故障间隔电抗器欠电流保护动作的情况。 以第二次故障为例,该500 kV 变电站2 号主变压器2 号电抗器和3 号电抗器并联在同一条母线上, 当3 号电抗器发生内部故障时, 电流向故障电抗器集中, 流过非故障电抗器的电流相应减少, 最终导致2 号主变压器2 号电抗器保护动作。

比较图6 与图8, 可以看出虽然非故障间隔的电流有所下降, 但是其下降幅度相比于故障间隔小一些。 由于故障间隔的故障特性更加明显, 所以电流下降幅度会更为显著。 利用这一特点, 可以采用比较各个间隔在故障期间流经TA 电流大小的方法确定故障间隔。 具体方法为: 当母线电压下降且某间隔的电流降低, 则开始比较各个间隔的电流大小； 若某一个间隔的电流明显小于其余间隔, 且其余间隔的电流值大小基本相同, 则可以说明电流较小的间隔是故障间隔。 为定量分析, 图13 展示了在不同故障位置与不同过渡电阻情况下故障间隔电流与非故障间隔电流的大小关系。

图13 不同故障情况下I1与I2的大小关系

根据图13 可将故障情况分类如下:

1) 故障点至母线侧电抗极小的情况。 这种情况类似于35 kV 母线发生故障, 因此无论过渡电阻多大, 各个间隔的电流大小基本一致。 由于可以类比母线故障, 该情况下区分故障间隔的意义不大。

2) 故障点至母线侧电抗适中。 该情况下, 过渡电阻较小时, I1与I2的比值较小, 不超过0. 5；过渡电阻较大时, I1与I2的比值增大至0. 7 左右。

3) 故障点至母线侧电抗较大且Rf较小。 与情况2) 类似, 当过渡电阻不超过4Ω 时, I1与I2的比值不超过0. 8。

4) 故障点至母线侧电抗较大且Rf较大。 该情况下的故障特征不够明显, 因此故障间隔与非故障间隔差异不大, I1与I2的比值达到了0. 8 以上。

考虑到情况1) 与情况4) 时, 区分故障间隔和非故障间隔的现场运检尤其是故障排除时的启发意义较小, 因此可以将保护方案改进为: 当母线电压下降且某间隔的电流降低, 则开始比较各个间隔的电流大小； 若某一个间隔的电流小于其余间隔电流的0. 8 倍, 且其余间隔的电流值大小基本相同,则可将电流较小的间隔判断为故障间隔。 由故障间隔欠电流保护动作跳闸, 其他间隔以更长的时延跳闸。

为实现所提方案, 需要跨间隔比较电流, 这在目前的常规500 kV 变电站中是较难实现的, 但是智能变电站建设的持续推进为这种方案的实现提供了便利[17-20]。 智能变电站中, 存在利用各个间隔的合并单元所提供数据, 改进低压侧电抗器间隔故障判别逻辑的可能。

4 结论

本文以三相故障为例, 研究了变电站35 kV 侧电抗器间隔TA 后置式接线的情况下电抗器间隔故障电流变化特征。

1) 某间隔发生故障将导致该间隔流经TA 的电流减小。 若电抗器间隔的故障点靠近母线侧, 且过渡电阻较小, 则非故障间隔流经TA 的电流也因35 kV 母线电压的跌落而降低。

2) 电抗器间隔的故障点靠近母线侧, 且过渡电阻较大时, 35 kV 侧母线电压不会严重下降, 非故障间隔电流不会发生显著下降。

3) 某电抗器间隔发生故障时, 尽管非故障电抗器间隔会发生电流显著降低, 但其电流降低的幅度一般比故障间隔小, 通过比较各个间隔电流大小可以有效筛选出故障间隔。

4) 在跨间隔电流信息可以交互的前提下, 存在通过改进电抗器保护逻辑区分故障间隔与非故障间隔的可行性。