10kV及以下配网跨电压等级越级跳闸原因分析

陈泰霖

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518001）

0 引言

过往越级跳闸课题的研究主要集中于同一电压等级不同线路分段分断点的越级跳闸问题，如10kV 一级断路器未动作导致二级断路器跳闸、0.4kV 配电系统分支线路开关未动作导致进线总开关跳闸等，但是随着10kV 配网自动化终端设备的广泛使用，为了确保可靠性，对10kV 配网继电保护器的选择性、灵敏性和速动性的要求越来越高，若不对相应的0.4kV 低压配网的继电保护器进行配合整定[1]，极容易造成跨电压等级的越级跳闸事件，直接影响供电稳定性。结合10kV 配网线路发生的跨电压等级越级跳闸事件，分析事件发生的可能原因，并提出改进措施和方案，从而提高配网运行系统稳定性。

1 事件经过

2021 年3 月17 日，B 小区0.4kV 配电系统P04 配电柜4#开关所带低压出线电缆发生相间短路故障（如图1），但是P04 配电柜4#开关的塑壳断路器未动作，低压配电柜进线总开关的智能断路器也未动作，B 小区10kV 中压负荷开关柜变压器单元熔断器未熔断（如图2），B 小区10kV 中压负荷开关柜的上一级A 大厦的10kV 中压断路器G04 开关分界断路器动作，从而造成此次越级跳闸事件。

图1 说明：B 小区0.4kV 配电系统共有1 台变压器（B 小区配电变压器），四组GCK 型低压柜，分别为P01 计量进线柜、P02 无功补偿柜、P03 馈线柜和P04 馈线柜，共有1 个进线总开关和8 个馈线分开关（分别为P03 馈线柜的1#-4#开关、P04 馈线柜的1#-4#开关），共有7 组低压出线，分别为P03 馈线柜的2#、3#、4#开关后的低压出线（1#开关为备用开关无出线）和P04 馈线柜的1#-4#开关后的低压出线。

图1 0.4kV 配网线路图

图2 说明：B 小区综合房的上一级开关为A 大厦公用综合房1#公用柜的G04 开关，A 大厦公用综合房内有两组10kV 断路器柜，分别为1#公用柜和2#公用柜，其中1#公用柜有5 单元柜（G01 为电压互感器单元，G02、G05 为线路负荷开关单元，G03、G04 为断路器单元），2#公用柜有5单元柜（G01 为电压互感器单元，G02、G03 为线路负荷开关单元，G04、G05 为断路器单元），B 小区有一组2 单元断路器柜，1 号开关为线路负荷开关单元，2 号开关为断路器单元。

图2 10kV 配网线路图

2 事故设备信息

发生低压侧故障导致中压侧断路器动作的越级跳闸事件后，采集相关节点开关的数据，具体数据如表1。

表1 各节点开关详细参数

3 事故原因分析

3.1 B 小区0.4kV 配电系统P04配电柜4#开关未动作原因分析

0.4kV 低压出线电缆发生相间短路故障时，中压侧断路器过流Ⅰ段跳闸时记录的故障电流为1.44A。根据互感器变比和高低压侧变比换算至低压侧电流如下。1.44×（600/5）×（10/0.4）=4320A

B 小区0.4kV 配电系统P04 配电柜4#开关塑壳断路器短路长延时整定值630A，按照该类型断路器反时限曲线特性（如表2），动作时间为10.2s，不到动作时间未动作，具体计算过程如下。由I2t=（2Ir）2tsd得，4320×4320×t=（2×630）2×120，因此t=10.2s。

表2 塑壳断路器过载长延时整定特性

式中：I为瞬时电流值，t为实际动作时间，Ir为长延时整定值，tsd为达到2 倍长延时整定值时的动作时间。

短路瞬时整定值为10 倍Ir，即6300A，不到动作值未动作；短路短延时整定值为5 倍Ir，即3150A，由于4320/3150=1.37，所以低于1.5Isd（如表3），按照该类型断路器反时限曲线特性，考虑正向误差最大值时，动作时间为0.31s，动作时间仍稍大于A 大厦的10kV 中压断路器G04 开关分界断路器动作时间，因此未动作，具体计算过程如下：

表3 塑壳断路器短路短延时整定特性

由I2t=（1.5Isd）2tsd得，4320×4320×t=（5×630）2×（0.2+0.06），因此t=0.31s。

3.2 B 小区0.4kV 配电系统低压配电柜进线总开关未动作原因分析

B 小区0.4kV 配电系统低压配电柜进线总开关的智能断路器长延时整定值2500A，故障电流4320/2000=2.16，即为2.16Ir，按照该类型断路器反时限曲线特性（如表4），动作时间为231.5s，不到动作时间未动作，具体计算过程如下。由I2t=（1.5Ir）2Tr得，4320×4320×t=（1.5×2000）2×480，因此t=231.5s。

表4 智能断路器过载长延时整定特性

短路短延时整定值为6 倍Ir，即12000A，不到动作值未动作，表5 为智能断路器短路短延时整定特性；短路瞬时整定值为为10 倍Ir，即20000A，不到动作值未动作。

表5 智能断路器短路短延时整定特性

3.3 B 小区10kV 中压负荷开关柜变压器单元熔断器未动作原因分析

B 小区10kV 中压负荷开关柜变压器单元熔断器熔断电流为200A，故障电流高低压侧变比换算如下。

4560/（10/0.4）=182.4A

由于182.4A<200A，所以熔断器未熔断。B 小区变压器容量为1250A，按照熔断器约定动作电流配置原则应为1.6In，即熔断器熔断电流计算如下。

1.6×（1.44×1250）/（10/0.4）=115.2A

所以应配置熔断器的熔断电流应为125A，因此该负荷开关变压器单元熔断器配置容量偏大。

3.4 A 大厦的10kV 中压断路器G04开关分界断路器动作原因分析

A 大厦的10kV 中压断路器G04 开关分界断路器过流II段保护定值1.16A、0.3s，小于1.52A，跳闸时间0.557s，因此是正确动作。A 大厦的10kV 中压断路器G04 开关分界断路器过流保护整定值计算如下。

IzdⅡ=Kk×Kzqd×In/Kf=1.3×1.5×（1.44×1250）/（10/0.4）=140.4A

式中：IzdⅡ为断路器二次侧过流整定值；Kk为可靠系数，一般取1.2～1.3；Kzqd为自启动系数，考虑综合负载，取1.5～2.5；Kf为分支系数，不存在多电源同时供电于同一台变压器的情况时，可取1；In为断路器额定电流值。

二次侧整定值为1.16A，换算到一次侧即为139.2A，所以断路器的整定值是合理的。

4 防止跨越电压等级的越级跳闸事故的措施

防止跨越电压等级的越级跳闸事故的措施如下：1）设计临近配电变压器的10kV 供电线路时，应充分考虑线路出口侧短路热稳定性要求。若线路导线截面过小，不允许延时切除故障时，应迅速切除故障。2）各分段断路器配合的时间差应综合考虑开关跳闸分断时间、整套系统各段保护动作返回时间、时间继电器存在的动作误差等因素。对不同分段断路器采取不同级差值，如永磁机构分段断路器级差一般不小于0.1s，弹操机构分段断路器级差一般不小于0.15s。3）对负荷电流与线路末端短路电流数值接近的10kV 供电线路，过电流保护的电流定值按躲开负荷电流整定，但在灵敏系数不足的地方应加装合适的熔断器。4）0.4kV 进线开关断路器、母联断路器应配置至少带有长延时、短延时保护功能的电子脱扣器；出线开关宜配置至少带有长延时、瞬时保护功能的电子脱扣器。5）电子脱扣器长延时保护功能一般应为将允通能量（Pt）定为常数的反时限曲线；短延时保护一般为定时限。6）一般情况下，电子脱扣器自身具备的失压脱扣、零序等其他保护功能应停用。7）断路器不应越级跳闸。如果故障发生在分路断路器出线电缆方，馈线断路器应动作，不影响进线和母联断路器。8）0.4kV 进线断路器－母联断路器间具有选择性。如果1 台变压器停止运行，低压侧靠母联断路器进行供电时，如果母联断路器以下有故障，应该母联断路器动作，而进线断路器不能误动作。9）电路故障时断路器不应拒动。变压器或出线电缆故障时，防止整定电流过大造成断路器不动作，导致设备烧毁。10）应校核并保证0.4kV 进线断路器定值与10kV 配电变压器高压侧继电保护定值之间的配合关系[2]，必要时可适当提高变压器高压侧过电流保护的整定值，以确保低压设备故障时，高压侧继电保护设备不越级跳闸。当变压器高压侧为熔断器时，高压侧熔断器的电流-时间曲线必须位于低压侧断路器电流-时间曲线的右上侧且高压侧熔断器电流定值系数不小于低压侧断路器的1.35 倍，高压侧熔断器时间定值系数不小于低压侧断路器的2 倍（如图3）。

图3 说明：横轴表示断路器或熔断器的整定电流值，其中A段表示同一时间点低压侧断路器的电流值，B段表示同一时间点变压器高压侧熔断器的电流值；纵轴表示断路器或熔断器的整定时间值，其中C段表示同一电流值低压侧断路器的动作时间，D段表示同一电流值变压器高压侧熔断器的动作时间。

图3 变压器高压侧熔断器与低压侧断路器之间的保护选择性

5 整定方案

5.1 B 小区0.4kV 配电系统低压配电柜进线断路器

长延时：变压器过载保护，Ir为高于变压器低压（0.4kV）侧额定电流值的最小可整定值，tr整定为6×Ir时24s 跳闸。短路短延时：Isd=4×Ir，tsd= 0.4s。短路瞬时：提供变压器低压出口处金属性短路保护。Ii=6×In，20ms～50ms。

5.2 B 小区0.4kV 配电系统P04配电柜4#开关塑壳断路器

长延时：出线过载保护，Ir=In；按反时限曲线动作。1.05Ir，2h 内不动作；1.3Ir，1h 内动作；2Ir：Tr=120s。

短路短延时：Isd=4×Ir，tsd整定为定时限0.1s。当Isd≤I<1.5Isd时，则反时限整定时间tsd对应1.5Isd；当I≥1.5Isd时，则按定时限动作。

短路瞬时：Ii=10×In，20ms～50ms。

5.3 B 小区10kV 中压负荷开关柜变压器单元熔断器

配置熔断器的熔断电流应为125A。

6 结语

对该事件进行详细分析后，明确了造成10kV 及以下配网跨电压等级越级跳闸的多种原因，并提出相应的改进措施，针对事件中各节点的断路器、熔断器等开关给出具体整定值设置的方法且该方法具有一定通用性，在一定程度上为10kV 及以下配网运行人员调试线路各节点断路器、熔断器整定值提供了有力的经验论证，从而为10kV 及以下配网系统稳定运行奠定基础，有利于提升系统运行的可靠性。