10 kV开关站保护动作分析与研究

任锐焕，袁 辉，邓 飞，石建超

(国网上海市电力公司嘉定供电公司，上海 201800)

配电网是连接变电与用户的中间环节，开关站是配电网的重要供能设施[1]，负责将10 kV及以上电压等级的电能通过配电站或者环网柜等供给用户。开关站内主要设备为封闭式开关柜，其内设备主要有断路器、隔离开关、继电保护装置、电流互感器、接地开关等。电流互感器的饱和特性曲线对保护装置能否精准动作起着至关重要的作用，而保护装置的正常运行与正确动作与否则与用户的安全可靠用电紧密相关。

1 线路整定参数

陈宝开关站上级电源是一座110 kV变电站，主要有110 kV和10 kV 2个电压等级，该站馈线科3陈宝乙向下级陈宝开关站供电，经10 kV架空线路接入陈宝开关站，科3陈宝乙线路保护配置参数见表1，陈宝开关站10 kV出线陈2顶甄食品线路保护配置参数见表2。

表1 科3陈宝乙线路整定值

表2 陈2顶甄食品线路整定值

2 电流互感器特性分析

线路保护电流互感器简称流变，是将一次大电流转换为二次小电流供保护装置采集、计算的重要手段，在投入运行前应进行绝缘耐压试验和伏安特性试验等。

电流互感器应按线路二次负载大小及系统可能出现的最大短路电流进行10%误差校验，在短路电流最大时电流互感器的变比误差应在10%内，且二次回路的最大允许阻抗ZYmax应大于该回路的实际二次负载阻抗ZL[2]。电流互感器等值电路和参数如图1所示，R2为绕组内阻；Z2为绕组漏抗。电流互感器的内部电动势见式(1)，允许的总负载见式(2)，允许的二次负载见式(3)。

图1 电流互感器等值电路和参数

E0=U0-I0Z2

(1)

Z2+ZY=E0/9I0

(2)

Z2=(E0/9I0)-ZY

(3)

3 保护动作分析与研究

3.1 故障经过

2021年3月15日，华东地区某110 kV变电站出线科3陈宝乙前加速动作跳闸，重合闸重合成功，而后过流反时限动作跳闸，几乎同时下级站陈宝开关站出线陈2顶甄食品反时限动作跳闸，2.5 s后分段开关合闸，自切成功。

3.2 保护动作分析

故障发生后，工区继电保护工作人员通过调阅陈宝开关站陈2顶甄食品线路开关柜现场安装的ABB厂家生产的SPAA341C2保护装置动作记录发现，陈2顶甄食品线路故障电流约为4200 A，而科3陈宝乙前加速动作电流约为3000 A，重合闸成功后过流保护再次动作，此时故障电流在5000 A左右。

现场工作人员使用仪器对该SPAA341C2保护装置进行校验，结果表明，保护装置动作性能良好，排除装置故障导致保护误动的可能。工作人员根据式(4)过流反时限动作特性(常规反时限)[3]计算出短路电流在5000 A时，陈2顶甄食品过流反时限动作时间为0.2478 s，科3陈宝乙的反时限动作时间为0.6671 s。而陈宝开关站陈2顶甄食品现场故障电流为4200 A，经计算过流动作时间应为0.2649 s。上下级保护装置满足0.3 s的要求，故整定计算无误。

陈宝开关站发生线路短路故障后，由于短路电流过大，上级站科3陈宝乙后备保护优先动作，前加速跳闸，重合闸重合于永久性故障，过流反时限再次动作跳开开关，同时陈2顶甄食品过流反时限动作跳开故障线路开关，故障点被隔离。陈宝开关站一路进线失电，2.5 s后分段开关合闸，自切成功。但是，陈2顶甄食品不应在上级站过流反时限动作同时发生跳闸，不满足速断性的要求，初步判断是短路电流过大，陈2顶甄食品仓位电流互感器铁芯饱和，不满足流变10%的误差要求，导致保护装置采样电流值畸变偏小造成开关延时跳闸。

3.3 试验数据研究

陈宝开关站陈2顶甄食品线路开关柜安装的电流互感器型号为LZZBJ9-12b2，变比为200/5，容量为15 VA，继电保护工作人员使用AD213Z全自动伏安试验仪对备用仓位的同型号同变比同容量的电流互感器进行试验，试验数据见表3，使用保珈玛SVERKER750单相继电保护测试仪对保护A、B、C三相回路分别通入5 A的试验电流，用万用表测量仪器端口输出电压，相关数据见表4。

表3 陈5备用流变伏安特性试验数据

表4 电流互感器二次负载阻抗

由表4中的数据经过计算处理后可得电流互感器的二次负载为0.073 Ω。用万用表测量流变二次侧A、B、C三相内阻皆为0.2 Ω(不含万用表内阻)，根据式(5)可得，电流互感器绕组漏抗Z2为0.6 Ω(根据流变型号，本次计算系数取3)。

Z2=(1～3)R2

(5)

将表3、表4中的数据进行分析处理后，得到电流互感器在不同短路电流倍数下的二次允许负载，详见表5。再根据表5中的数据拟合得到10%误差时，ZYmax与不同短路电流倍数m的函数曲线，即ZYmax=f(m)，见图2。不同短路电流倍数时，根据图2可以查出不同的最大允许负载阻抗。

表5 电流互感器10%误差曲线的测量与计算

图2 电流互感器10%误差曲线

当短路负荷电流为5000 A时，其二次负载为0.073 Ω，大于电流互感器的最大允许负载阻抗为0.029 Ω，故电流互感器呈现为饱和状态，导致保护装置延时动作。

4 结论

陈宝开关站发生永久性故障，上级站前加速保护动作跳闸后，重合闸装置动作，使线路重合于故障，短路电流变大，导致陈宝开关站陈2顶甄食品仓位流变饱和，保护装置无法快速准确切除故障回路，而与上级站过流反时限同时动作。陈宝开关站失去一路进线后，另一路进线通过分段开关给整站供电。

电流互感器铁芯饱和，将会引起互感器二次侧电流发生畸变[4]，从而使二次侧电流无法准确反映一次侧电流的信息，导致继电保护装置无法快速准确动作，切除故障回路，可能导致陈2顶甄食品线路开关无法跳闸，陈宝开关站自切合于故障母线造成半个站失电，扩大事故范围。

电网运行应坚决杜绝此类安全隐患，采取相应措施防止电流互感器饱和[5]，主要方法有以下几种：限制一次侧短路电流的大小；增大电流互感器的变比；减小互感器二次侧负载；采用铁芯开气隙的电流互感器。

各供电公司可根据实际需求，采取相应措施，防止电流互感器饱和导致的故障范围扩大。