厂用电电压互感器二次回路分析研究

刘 超

（国网能源哈密煤电有限公司大南湖电厂，新疆哈密 839000）

0 引言

厂用电快速切换装置与发变组保护装置、同期装置、励磁调节装置，被称为发电厂电气系统保障安全的“四大法宝”，是发电厂厂用电控制系统的重要组成部分，对发电厂生产系统安全稳定运行有着重大影响。厂用电快速切换装置的基本要求是安全、稳定、可靠。

（1）安全性。厂用电快速切换装置在切换过程中不能造成人身伤害、设备损坏。

（2）稳定性。在厂用电系统发生异常时，厂用电快速切换装置应及时、正确动作。而在其他任何不需要厂用电快速切换装置动作的情况下，切换装置不应该动作。

（3）可靠性。每次动作必须保障厂用电切换成功，避免因厂用电系统异常导致重要辅机跳闸，进而造成发电厂停炉、停机的事故。

发电厂一旦出现厂用快速切换装置异常切换故障时，现场电气二次检修人员必须及时到场检查故障前、后设备运行状况及各项参数，查找故障产生的原因，深入分析设备异常产生的根源，积极采取有针对性的安全、技术措施，以确保发电厂生产系统安全稳定运行。

1 厂用电快速切换装置及二次回路组成

厂用电快速切换装置一般由CPU、DSP、交流输入、开关量输入、跳合闸出口、信号输出等部分组成，典型厂用电快速切换装置典型构成如图1 所示。

图1 典型快切装置硬件系统构成

作为厂用快切装置的重要组成部分，二次回路的安全可靠，直接影响厂用电快切装置动作的可靠性，进而影响机组的安全稳定运行。厂用电快切装置的二次回路包括：电源、交流量输入（电压、电流）、开关量输入、出口回路、信号回路、对时回路等。其中交流电压输入回路作为重要回路，参与厂用电快切装置的动作逻辑。改造前的电压互感器二次回路如图2 所示。

图2 改造前的电压互感器二次回路

发电厂高压厂用电工作电源电压、母线电压经电压互感器采集转换成低压AC 100 V 电压（线电压），经不同电压支路送至不同电气设备，各支路的分合通过回路微型断路器控制。微型断路器作为二次回路重要保护设备，在二次电路中连通正常工作电流，并能在线路或负载发生过压、过载、短路等异常情况下，自动断开短路、过载产生的故障电流，迅速分断二次回路，对二次回路进行可靠的保护。典型电压互感器二次回路如图3 所示。

图3 典型电压互感器二次回路

2 故障现象及分析

某厂自厂用电快速切换装置投入运行以来，多次出现电压互感器出口微型断路器越级跳闸，厂用电快速切换装置无法采集到母线电压，误认为工作电源故障，导致厂用电切换，严重影响机组安全稳定运行。

2.1 故障现象

厂用电快切装置动作后，调取发变组故障录波装置内部厂用电工作支路电压、母线电压异常录波文件，波形如4 所示。故障前后的电压采集量见表1。

表1 故障前后的电压采集量

通过故障时图形和电压采集数据可看出：①故障时，发变组故障录波器采集到的工作支路电压波形发生畸变；②故障时，支路电压3U0 明显上升；③故障后，直流三相电压在两个波形内全部降到0；④工作支路电压B、C 相故障前明显升高；⑤工作支路电压A 相电压明显降低。

图4 厂用电快切装置动作时录波波形

由此可判断，在微型断路器跳闸前，电压二次回路A 相回路存在明显的故障，导致微型断路器跳闸且动作正常。

2.2 各系统元件分析

2.2.1 厂用电快速切换装置检查

核对厂用电快速切换装置说明书：当厂用电系统母线三相电压均低于厂用电快速切换装置失压启动整定值且厂用电进线开关负荷电流小于或等于装置无流定值，异常持续时间超过装置整定延时，则厂用电快速切换装置根据定值选择方式进行串联或同时切换。

故障启动方式有以下4 种：快速、同期捕捉、残压、长延时。失压起动判据如图5 所示，厂用电快速切换装置定值见表2。

图5 厂用电失压逻辑

表2 厂用电快速切换装置定值

图5 中：Umax表示母线电压最大值；Igz表示工作分支电流；D_Usyqd表示“失压起动电压幅值”定值；D_Tsy表示“失压起动延时”定值；D_Iwl表示“无流判据整定值”定值。

现场检查接线，厂用电快速切换装置交流电流回路未接线，即装置采样到的交流电流一直为零，小于无流判据整定值，即失压启动无流判据长期开放。故障时，工作支路三相电压降为零，满足厂用电快速切换低压启动条件。厂用快速切换装置动作符合工作逻辑。

核对厂用电快速切换装置动作过程中各运行设备的情况，未发现切换过程中运行设备掉电停运的情况，厂用电快速切换装置动作正常。

2.2.2 电压二次回路情况

检查高压厂用电母线电压互感器二次回路发现：母线电压互感器二次回路负荷较多，除厂用电快速切换装置外，还包括厂用电高压控制柜（28 路）、发变组故障录波、自动电压控制系统、低压备自投设备。具体见表3。

表3 厂用电母线电压负荷统计

检查电压二次回路接地情况：母线电压互感器二次回路只用一个接地点，接地点位于母线高压PT 柜二次回路端子排除，满足要求。

假设当电压互感器的二次负荷侧发生金属性接地时，A 相电压通过连接二次电缆线芯及二次等电位地网产生短路电流，由于二次电缆线芯及等电位地网实际运行过程中存在阻抗（主要呈阻性），当故障大电流流过二次电缆线芯及等电位网时，将产生电压ΔU，从而导致母线高压PT 柜处的N600′的电位相对于厂用电系统负荷侧处的N600 发生偏移，所以母线高压PT 柜处的N600′的电位相对于负荷处的N600 都将有不同程度的升高，等效电路如图6、图7 所示。

图6 电压互感器二次回路等效电路图

图7 电压互感器二次回路向量图

2.2.3 微型断路器检查情况

微型断路器的的分类：微型断路器作为保护设备，通常有如下的脱扣特性（曲线）有：脱扣特性A、脱扣特性B、脱扣特性C、脱扣特性D、脱扣特性K。

脱扣特性A：用于半导体保护、特长导线保护、有限的电缆保护等。

脱扣特性B：特别适用于电力系统二次回路保护，用于接通电流较小的导线、电缆保护、无冲击负荷保护等。

脱扣特性C：使用最为广泛，特别适用于建筑系统，用于建筑照明、建筑用电等。

脱扣特性D：适用于配电系统动力型负荷，用于接通电流很高的导线、电缆保护，电机保护，变压器保护等。

脱扣特性K：用于额定电流40 A 以下的电机系统（ABB 公司获得专利）。

母线电压互感器二次回路出口微型断路器、负荷侧微型断路器均为施耐德电气公司生产的Multi 9 系列C65N-D6 型，高压配电系统基建完毕后投入运行。

厂用电快速切换装置动作后，检查各支路微型断路器，未见跳开现象，而母线电压互感器出口微型断路器跳开。通过以上检查发现：此次故障是由于母线电压互感器二次回路负荷侧发生瞬时性故障，母线电压互感器出口微型断路器越级跳闸，导致厂用电快速切换装置误切厂用电。

3 处理措施

3.1 优化电压二次回路接线方式

厂用电快速切换装置动作后，检查各支路微型断路器，未见跳开现象，而PT 出口微型断路器跳开。将工作支路母线电压互感器二次回路进行改造：将工作支路母线电压互感器至厂用电快速切换装置回路独立，避免因其他支路故障造成母线电压降低，造成厂用电快速切换装置动作切换厂用电。改造后的电压互感器二次回路如图8 所示。

图8 改造后的电压互感器二次回路

3.2 优化二次回路微型断路器极差配合

3.2.1 微型断路器常规选型参数

微型断路器主要选型参数有：额定电压、额定电流、断路器极数、脱扣器类型、电磁脱扣器整定范围及主触点分断能力等。

（1）微型断路器额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压、电流。

（2）微型断路器极限通断能力应大于或等于电路可能存在的最大短路电流。

（3）微型断路器过电流脱扣器的额定电流应大于或等于线路最大负载电流。

在GB 50054—1995《低压配电设计规范》中，对于微型微型断路器的设计计算有明确规定：

式中 IB——负荷或线路计算负荷电流，A

In——微型断路器额定电流、整定电流，A

Iz——微型断路器允许持续载流量，AI2——保证微型断路器保护器可靠动的动作电流，A

（4）此外，在微型断路器选型过程中，为确保级间的选择性，还应考虑微型断路器时间/电流脱扣特性曲线。根据设备生产厂家所提供的选型手册、产品目录，电压互感器二次回路上级与下级间应尽量选用同一种类脱扣特性的微型断路器，并注意上、下级间额定电流与动作电流的配合。为避免不同生产厂家产品的脱扣特性存在差压，同一支路微型断路器应尽量选用同一生产厂家生产的同型号产品。

3.2.2 微型断路器脱扣特性曲线（电流倍数）℃

A 特性曲线：1～2 倍额定电流。

B 特性曲线：2～5 倍额定电流。

C 特性曲线：5～9 倍额定电流

D 特性曲线：9～14 倍额定电流。

K 特性曲线：具备1.2 倍热脱扣动作电流和7～15 倍磁脱扣动作范围。

3.2.3 微型断路器绩效曲线（图9）

通过图9 可以看出，各类型脱扣曲线主要区别在于进入磁脱扣曲线的额定电流倍数不同，A型脱扣曲线最早进入磁脱扣区，D 型脱扣曲线最晚进入磁脱扣区。

各类型脱扣曲线图均包含两条曲线，A 曲线左侧为微断开关不动作区，B 曲线右侧为微断开关可靠动作区，A、B 曲线之间为模糊动作区（此区间微断开关动作特性不定）。每条曲线均由两断反时限曲线构成，前半部分为热脱扣曲线，主要作用是防止回路过载；后半部分为磁脱扣部分，主要作用是防止回路短路。由图9 可以看出微型断路器热脱扣曲线部分动作时间均较长，不能满足电压回路短路后能够快速跳闸从而防止继电保护误动的要求，因此在电压互感器二次回路微断开关选型时，应确保发生电压二次回路任意一点发生短路故障后，各级微断开关均工作在磁脱扣曲线部分。

图9 典型微型断路器绩效曲线

微型断路器在现场实际运用中遇到的最大问题就是上下级极差配合问题。对于支路上2 级以上，对于短馈线支路极差还应进一步提高，甚至在有的支路上支路总微型断路器的瞬时速断要停用，有条件可启用略带延时的速断。

3.2.4 微型断路器级差

合理选择上下级断路器的极差。所谓极差是一个综合概念，首先应考虑上下级微型断路器的额定电流比，一般的考虑等于2。微型断路器的标称额定电流基本是固定的，比如：（1 A、2 A、4 A、6 A、10 A、16 A、20 A、25 A、32 A、40 A、50 A、63 A、80 A、100 A、125 A 等），根据上、下级微型断路器的额定电流之比等于2。

3.2.5 微型断路器配合原则

（1）必须保证在电压互感器二次回路发生短路时，微型断路器断开时间小于保护装置动作时间。在电压互感器二次回路发生短路故障时，上、下级微型断路器均需要在磁脱扣区快速动作，以确保现场正常运行的二次保护、安全设备不会发生误动作。因此需要上、下级微型断路器的瞬时磁脱扣电流（曲线特性对应的磁脱扣倍数×额定电流）均应小于电压互感器二次回路任意一点发生故障时的最小短路电流。

（2）微型断路器的额定电流应大于电压互感器二次回路可能存在的最大负荷电流。升压站主接线为双母线接线情况下，还应考虑一组母线运行时所有电压互感器二次回路的负荷全部切换至同一组电压互感器上的情况，并应选择微型断路器动作可靠系数K＝1.2～2，即IN＞K×Imax；由于电压互感器二次回路特殊性，正常工作时，电压互感器二次回路基本处于开路状态，各支路微型断路器最大负荷电流小于50 mA，总微型断路器最大负荷电流小于250 mA，因此上、下级微型断路器额定电流选择大于等于1 A 即可满足要求。

（3）在通过相同短路电流时，电压互感器二次回路上、下级微型断路器应具有2～4 倍级差从而满足级差选择性配合关系。在通过相同短路电流时，若上、下级微型断路器级差过小，将可能造成上、下微型断路器同时无选择性跳闸。应根据厂家提供的微型断路器保护特性曲线选择性配合表按照短路电流小于选择性极限值的原则进行上、下级微型断路器配合选型。

（4）电压互感器二次回路上、下级微型断路器极限开断电流均应大于回路可能存在的最大故障电流。因各厂家不同型号的微型断路器极限开断电流均达到kA 级，因此微型断路器故障下的开断能力均能满足要求。

3.2.6 微型断路器配合实例

根据现场实际接线情况以电压互感器二次电缆末端发生单相金属性接地故障，计算电压互感器二次回路最小短路电流。假设电缆截面为4 mm2、电缆长度为200 m 导线末端发生单相金属性接地故障。其中电阻和电流按照式（2）、式（3）计算：

（1）根据计算所得二次回路最小短路电流，按照微型断路器配合原则要求并通过查询生产厂家产品说明进行总微型断路器选择。若电压互感器二次回路最小短路电流为36.6 A，查询生产厂家产品说明比对瞬时动作电流小于最小短路电流的微型断路器型号可以选择B1～B6，C1～C3。为保证与下级微型断路器留有2～4 级级差，上级微断开关宜选用B6、C3。

（2）根据微型断路器保护特性曲线选择性配合选择下级微型断路器。通过微型断路器配合原则得知，若短路电流达到36.6 A，上级空开若要保证瞬时脱扣，宜选用B6（＞5IN）、C3（＞10IN）；通过微型断路器保护特性曲线选择性可知，满足上、下极差配合的组合空开有：上级空开宜选用B6，下级选用C1、B1。

3.3 其他措施

在上下级极差不变的情况下，合理选择电缆截面，也能在一定范围内避免无选择性跳闸。

电缆截面的选择主要考虑的是：①额定载流量；②热稳定；③电压降。在满足上述3 个条件后，电缆的截面积应越细越好。希望上、下级微型断路器之间的这段电缆的阻抗能使在上下级两开关出口处故障时的短路电流相差得越大越好。

4 结束语

通过介绍一起典型厂用电快速切换装置误动作事件，对厂用电母线电压互感器二次回路各元件进行细致分析，重点对微型断路器的各项参数、保护类型、绩效曲线进行了详细分析，对普遍存在的二次回路设计不规范、微型断路器级差配合不合理的问题提出有效地解决方案。目前，按照方案改造后的厂用电快速切换装置已正常运行3 年，未再发生厂用电快速切换装置误动作的情况。因此，此方案对其他电压等级的电压互感器二次回路设计、改造有重要的借鉴意义。