10kV配电变压器差动保护配置及低压侧短路故障仿真研究

文立菊,秦春斌

(1.福建电力职业技术学院,福建 泉州 362000;2.河南大学 人工智能学院,河南 郑州 450046)

配电变压器是我国电力配电网中重要电力设备,其直接面向用电终端用户,其运行安全稳定性关系着整个电力配电网的可靠性[1]。当前,10kV配电变压器的配置数量较多,且分布于城乡各个角落。该配电变压器属于一类静止电气设备,其主要工作内容就是完成电能的传输。短路故障作为10kV配电变压器的常见故障之一,是影响运行稳定性的主要原因[2]。在保护接地和工作接地共用接地的情况下,若配变台区出现接地故障,则故障过电压将由共用接地电极向低压电网传输[3]。这可能会造成严重的生命、财产损失。因此必须重点落实对10kV配电变压器的稳定性维护,对其使用中的常见故障类型及诊断处理技术展开探究极为必要。然而通过对国内外电力线路的研究发现,在10kV配电线路上,通常采用二段式线路保护,一般不设置单独的差动保护装置[4-5]。为此,研究对各类短路故障与诊断进行了深入分析,并用PSCAD软件建立的10kV配电变压器低压母线故障仿真模型。此次研究目的是能够对10kV配变的故障进行及时、准确的分析和定位。并对其进行有效的排除,从而提高10kV配变的安全性能。

1 10kV配电变压器差动保护配置及低压侧短路故障研究

1.1 10kV配电变压器的故障与诊断技术

在电力配电网中,配电变压器是直接应用于电力终端,实现高效供电的重要设备。其在电力能源的输送、分配和应用中起着至关重要的作用。10kV配电变压器是当前阶段数量最多、应用最广的电气设备。由于10kV配电系统本身的运行具有差异性,对其所设置的保护措施尚不完善。因此,对10kV配电系统的保护处理措施尚不完善。常见为10kV配电变压器的故障主要包括四种,即引线部位故障、线圈故障、铁芯故障、分接开关故障[6]。针对以上四种10kV配电变压器的故障,同样具有四种相应的故障诊断方法,如图1所示。

图1 10kV配电变压器的故障诊断方法

由图1可知,在10kV配变发生引线不稳定故障的情况下,可以利用三相电流的方法,直接测定10kV配变的直流电阻。测量10kV配电变压器直流电阻值时,若发现三相直流电阻的不平衡率大于4%,或是其中某一相的电阻值接近无穷大,即表明该变压器发生了引线部位故障。最后,将测试结果进行比较分析。若测量数据显示10kV配电变压器的直流电阻增加,并表现出不稳定。而绝缘电阻试验数据为0或接近0时,就可以判定10kV配变发生了线圈故障[7]。在10kV配变发生铁芯故障时,多表现为铁芯多点接地。当这种类型的故障出现后,会引起10kV配变变态的铁心局部高温。这会使得配电网中的铁芯受到一定程度的损伤,甚至会烧掉铁芯,给整个配电网带来了巨大的损失。当铁芯正常接地时,配线亦易发生环流,也会引起10kV配变发生放电性故障。在对10kV配变铁芯进行故障诊断时,需对其绝缘电阻进行测量。当测量数据为0或接近于0时,即表明铁芯出现接地故障。为准确诊断10kV配电变压器的分接开关故障,需要测量其直流电阻。在测试过程中,如果发现分接点的直流电阻存在不均衡的情况,则可以判定为单个触点的烧坏故障。若检测出分接的直流电阻为无穷大,即代表该分接器的触点已完全烧毁。

对10kV馈线来说,当发生三相或二相短路时,由于变压器短路电流远远超过了10kV的额定电流。因此,需要对其实施限流。在电力系统中,对其短路电流有多种限制方法。可在馈出线上,安装限流电抗器。在变压器低压侧母线上,安装限流电抗器,或者串联一个快速开关等。虽然存在限制电流短路的方式有很多,但在大量的馈电线路上,同时安装限流电抗器或使用高阻变压器均不经济。在无串联电抗器的情况下,在低电压端会产生较大的短路电流,从而引起低电压线圈的烧坏。反之,如果加装了串联电抗器,在低压下,又会出现短路电流过大的问题。通过对变压器低压端串联电抗器进行限流,不但可以在低压下对变压器的短路电流进行有效的控制,而且可以确保在10kV馈线上发生二相或三相故障时,仍能保持变压器的正常运行。并联限流电抗器与开关后,再将其与高压侧母线相串联,使变压器在正常工作状态下,其电流基本上都通过开关,从而解决了在高压侧线路上安装限流电抗器所带来的许多问题。在变电所的低压侧母线上,采用了一种直接串联的方式。在变压器低压侧进给线路出现三相或两相短路时,快速开关可在不受短路电流影响的情况下迅速地进行操作,从而确保变压器本身不会损坏。然而,相对于后者,系统的供电可靠性有所下降。但采用这种方法不需要盖上电抗腔体,可以将快速开关以组件的方式安装在主变腔体内。这样不仅可以节约投资,而且可以防止变压器的烧坏。10kV配电室运行方式如图2所示。

图2 10kV配电室运行方式

由图2可知,10kV三相进线为三相母线热备用供电,供电到04号中电压母线箱。10kv进线Ⅰ、Ⅱ是110kv变电所两条10kv馈线,由两条110kv变电所直连到开闭所的两条母线上。采用单母段操作,母联开关为常合开关。10kv中压柜余下的空隙为后备空隙,断路器均已断开。

1.2 10kV配电变压器差动保护配置

1.2.1 变压器差动保护配置

在配变容量较大,以及一些供电负载重要等级较高的地方,原有的线路保护已经不能满足其可靠性的要求。因此,需要对该地区增加变压器主保护,以满足供电要求。一般而言,由于小容量配电变压器不会产生大的短路电流,而常规配电变压器内部也不需要通过故障切除来进行线路保护。当前10kV配变保护方式的配置一般有两种,一种利用断路器,另一种利用负荷开关加熔断器组合。这两种配置方式在技术和经济上各有优缺点。差动保护是输入电流互感器(Current Transformer,CT)两端的电流矢量差,并将其作为故障特征量[8]。当保护区间的设备发生故障时,则流出与流进的电流不等,导致差动电流大于0。在差动电流超过差动保护设定值时,PC机发出警报。此时启动被保设备两侧开关,使被保设备自动跳出,将发生故障的设备切断[9]。通常采用变压器的条件是容量达到单独运行10MVA,或者并行运行6.3MVA,电压在10kV以上[10-11]。近年来,由于Dyn11接线变压器的零序阻抗变化较小、承受不平衡负载的能力大等优点,其在电力系统中得到了广泛应用。联结组标号为Dyn11型号的配电变压器的差动保护装置接线情况[12],如图3所示。

图3 Dyn11型配电变压器的差动保护装置接线

由图3可知,该配电变压器的差动保护装置的低压侧中性点直接接地。中性点引出零线,使两端的电流不均匀地流入和流出。当三相负载不对称或差动保护的外部低电压端出口接地故障时,均可能造成差动保护装置出现跳闸的问题。当变压器低压侧单相接地时,会出现零序电流,高压侧则无。Dyn11型配电变压器的零序电流分布情况,如图4所示[13]。

图4 Dyn11型配电变压器的零序电流分布

由图4可知,在配变低压侧a相发生接地短路故障时,其通过地线与变压器低压侧的中性点会构成闭合回路。电力变压器中性点的接地方式一般有三种,即不接地、经消弧线圈接地、直接接地。因母变变压器的低压侧中性点为直接接地,因此在其与短路点间,存在较小的零序阻抗。如果加上a相的电压,将产生很大的零序电流,其幅值相当于低电压端三相零序电流的总和。同时,在变压器的高电压端绕组中还将产生零序电势。由于变压器高压侧采用了三角型的接线形式,使得零序电流只能在组内部循环,无法从中流出。而Yd11型变压器在低电压端出现单相接地的情况下,零序电流不形成路径。因此不会对差动保护产生影响,也不需要进行消零处理。

1.2.2 10kV配电变压器低压母线故障仿真模型

研究将10kV电缆、变压器阻抗等相关的参数进行结合,并采用PSCAD软件,建立了10kV配电变压器低压母线故障仿真模型,如图5所示。

图5 10kV配电变压器低压母线故障仿真模型

由图5可知,f表示故障发生地点,Es为变电站10kV母线。T为配电室主变,变比为10/0.4。Zs代表配电室10KV进线至变压器高电压侧绕组电缆的线路阻抗。Z表示负载电阻,取该值为0.084Ω。联结组别为Dyn11,低压侧中性点接地。比率制动式纵联差动保护的动作特性分为两部分,一是动作区,二是制动区。最小动作电流的计算表达如式(1)所示。

Iop.min=Krel(Ker+ΔU+Δm)Ie

(1)

式(1)中,Krel代表可靠系数,其取值范围在1.3～1.5之间。Ie表示变压器基准侧的二次额定电流。Ker表示CT的变比误差,取值为0.02。ΔU表示变压器调压所造成的误差,Δm代表CT变比未达到匹配时所造成的误差。二次谐波制动系数的计算表达如式(2)所示[14]。

(2)

式(2)中,Krel(2)的取值范围在0.15～0.20之间。Idφ表示三相差动电流的基波电流,Id2φ表示二次谐波电流。两相短路的一次制动电流在最小运行方式下的计算表达如式(3)所示。

(3)

式(3)中,Ik1在最低操作条件与较低电压下,两相间的短路电流。在两相短路中,一次工作电流的计算公式如式(4)所示。

Iop=(Ires-5Le)K2+5IeK1

(4)

式(4)中,表示在最小运行环境下,变压器低压侧两相短路电流。灵敏度的计算表达如式(5)所示。

(5)

2 10kV配电变压器短路故障仿真分析

在0.4kV侧,在低电压输入端安装微型逻辑6.0E构架开关Qk1、Qk2。在低电压端的输出端,由微型逻辑5.0E构架开关Qj1、Qj2送入客户建筑的地下配电间。并经由40套NSXTMD250H塑料-外壳开关,输送到各种负载到使用者端。10kV配电室保护配置情况如表1所示。

表1 10kV配电室保护配置情况

某次10kV母线在常规工况下出现了故障,其原因是10kV母线的备用电源设定值过高,造成了10kV的备用电源出现了严重的变化,致使10kV的备用电源出现了低压备自投误动作。经检查发现,燃烧起火的为低压母线悬挂支架。将仿真开始后30ms设为故障发生时间,将故障形式设为B、C两相接地短路。并设定接地电阻为0.0001Ω,0.01Ω,0.5Ω。针对低电阻率接地故障,通过不同电阻率的接地故障仿真方法进行模拟实验。在低压侧的模拟电流变化趋势,如图6所示。

图6 为低压侧的电流仿真变化

由图6(a)与(b)可知,对B、C两相间的低压侧进行了分析,得出了B相间的电压最大值。当10kV电闸05柜、08柜的速断段定值为1.08kV时,10kV电闸的速断保护就会起作用。由图6(c)与(d)可以看出,在经过0.01Ω的低电阻地的情况下,B相中的最大电流为910A。10kV开关柜05、08柜的过电流区间设定值大于198A时,10kV过电流保护将起作用。由图6(e)与(f)可以看出,10KV的开关箱保护在经过0.50Ω低电阻的情况下不起作用。除此之外,原来的10kV与0.4kV低电压保护受两级保护定值的制约,很难满足中低电压保护的选择。为此,研究在原保护的基础上,增加变压器差动保护。并对保护整定值进行修正,这使得其能够满足可靠性方面的中、低电压保护结构的需要。通过对引进的变压器差动保护的调整,得到的调整结果如表2所示。

表2 修正后配电室保护定值整定结果

由表2可知,在此次配电机房发生的低阻抗事故中,一次侧电流值为120A,大于差动速断电流定值。这表明在小电阻的情况下,微分保护设备的敏感性不受小电阻的影响。在设置差动保护时,专门设置零序警报。对于小电阻接地故障,保护装置仅需投向报警出口,即可解决高可靠性与高灵敏度的冲突。

3 结论

本文研究某10kV配电室保护装置参数配置情况,建立了10kV配电变压器低压母线故障仿真模型。并针对故障,提出差动保护的可行性分析。仿真结果表明,在0.01Ω的小电阻下,B相中的最大电流为910A。10kV开关柜05、08柜的过电流区间设定值大于198A时,10kV过电流保护将起作用。通过0.50Ω低电阻的地线,10kV开关箱的保护不起作用.当故障出现时,由于三相中低压侧的三相电流太低,致使其不能满足保护的要求。该故障是导致10kV电闸继电器不能正常工作的根本原因。此次故障为低阻接地类型,即B、C两相分别经电弧电阻对零线放电。差动速断电流的定值较一次侧电流值比更小,后者的电流值为120A。表明配变差动保护可有效解决中低压保护整定配合定值与时延级差难以配合的问题,提升10kV大容量配电变压器供电可靠性。