小电流接地系统无时限速断保护应用中常见问题及对策
作者：武汉国电西高电气有限公司时间：2013-03-15 我要发布
关键词:
接地系统
摘要：提及了在小电流接地系统中常见的送电过程及故障情况下，无时限速断保护所遇到的不正常动作状态：躲不过配电变压器励磁涌流、TA饱和问题，通过理论分析提出了相应的解决办法。
关键词：无时限电流速断保护 延时 励磁涌流 TA饱和
1 引言
1.1 励磁涌流对无时限电流速断保护的影响
小电流接地系统无时限电流速断保护作为小电流接地系统的有效辅助保护是按照最大运行方式下线路末端三相短路电流来整定的，由于考虑到灵敏度大于1.2［1］，因此动作电流值往往取得较小，特别是在线路较长，配电变压器较多时，即系统阻抗较大时，其取值会更小。因此在整定时没有考虑到配电变压器投入时的励磁涌流对无时限电流速断保护的影响，亦即励磁涌流的起始值远超过无时限速断保护定值，造成一些变电站的10kV出线在检修后送不出或运行过程中频繁跳闸的情况发生。
1.2 TA饱和对无时限电流速断保护的影响
近年来，随着10kV系统规模的不断扩大，其系统出口短路电流亦随着变大，根据现场的测试情况，最大时可达TA一次额定电流的几百倍，造成原有的一些变比较小的TA在故障时严重饱和，不能正确反应一次侧故障电流，从而使得小电流接地系统的一些出线在线路故障后，自身保护不动作，而靠母联断路器或主变压器后备保护来切除故障。
2 线路中励磁涌流问题
2.1 线路中励磁涌流对继电保护装置的影响
励磁涌流［２］是变压器所特有的电磁现象，是时间的多变量函数，仅存在于变压器某一侧，在空投变压器或外部故障切除后电压恢复时，变压器铁心中的磁通不能突变，出现非周期分量磁通，使变压器铁心饱和，励磁电流急剧增大而产生的。变压器励磁涌流最大值可以达到变压器额定电流的6～8倍，并且跟变压器的容量大小有关，变压器容量越小，励磁涌流倍数越大。励磁涌流存在很大的非周期分量，并以一定时间常数衰减，衰减的时间常数同样与变压器容量大小有关，容量越大，时间常数越大，涌流存在时间越长。
通常10kV线路上装有大量的配电变压器，在线路投入时，这些配电变压器挂接在线路上，在合闸瞬间，各变压器所产生的励磁涌流在线路上相互叠加，产生了一个复杂的电磁暂态过程，在系统阻抗较小时，会出现较大的涌流，时间常数也较大。二段式电流保护中的无时限电流速断保护由于要兼顾灵敏度，动作电流值往往取得较小，特别在长线路或系统阻抗大时更明显。励磁涌流值可能会大于装置整定值，使保护误动。现就射阳供电公司几条10kV线路和 情况进行举要，其有关数据详见表1。
小电流接地系统无时限电流速断保护作为小电流接地系统的有效辅助保护是按照最大运行方式下线路末端三相短路电流来整定的，由于考虑到灵敏度大于1.2［1］，因此动作电流值往往取得较小，特别是在线路较长，配电变压器较多时，即系统阻抗较大时，其取值会更小。因此在整定时没有考虑到配电变压器投入时的励磁涌流对无时限电流速断保护的影响，亦即励磁涌流的起始值远超过无时限速断保护定值，造成一些变电站的10kV出线在检修后送不出或运行过程中频繁跳闸的情况发生。
1.2 TA饱和对无时限电流速断保护的影响
近年来，随着10kV系统规模的不断扩大，其系统出口短路电流亦随着变大，根据现场的测试情况，最大时可达TA一次额定电流的几百倍，造成原有的一些变比较小的TA在故障时严重饱和，不能正确反应一次侧故障电流，从而使得小电流接地系统的一些出线在线路故障后，自身保护不动作，而靠母联断路器或主变压器后备保护来切除故障。
2 线路中励磁涌流问题
2.1 线路中励磁涌流对继电保护装置的影响
励磁涌流［２］是变压器所特有的电磁现象，是时间的多变量函数，仅存在于变压器某一侧，在空投变压器或外部故障切除后电压恢复时，变压器铁心中的磁通不能突变，出现非周期分量磁通，使变压器铁心饱和，励磁电流急剧增大而产生的。变压器励磁涌流最大值可以达到变压器额定电流的6～8倍，并且跟变压器的容量大小有关，变压器容量越小，励磁涌流倍数越大。励磁涌流存在很大的非周期分量，并以一定时间常数衰减，衰减的时间常数同样与变压器容量大小有关，容量越大，时间常数越大，涌流存在时间越长。
通常10kV线路上装有大量的配电变压器，在线路投入时，这些配电变压器挂接在线路上，在合闸瞬间，各变压器所产生的励磁涌流在线路上相互叠加，产生了一个复杂的电磁暂态过程，在系统阻抗较小时，会出现较大的涌流，时间常数也较大。二段式电流保护中的无时限电流速断保护由于要兼顾灵敏度，动作电流值往往取得较小，特别在长线路或系统阻抗大时更明显。励磁涌流值可能会大于装置整定值，使保护误动。现就射阳供电公司几条10kV线路和 情况进行举要，其有关数据详见表1。
表1 10kV线路的有关数据
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线路名称
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速断保护定值/A
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2/3配电变压器总容量/kVA
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励磁涌流/A
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10kV兴沙线
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850
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2780
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963
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10kV沿河线
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750
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2460
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852
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10kV市南线
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1000
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3820
|
1323
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表1的情况说明在2/3配电变压器总容量，励磁涌流取得配电变压器额定电流6倍的情况下，励磁涌流的值已明显超出无时限速断保护定值，从而说明现场无时限速断保护频繁动作的可能性是较大的。这种情况在线路变压器个数少、容量小以及系统阻抗大时并不突出，因此容易被忽视，但当线路配电变压器个数及容量增大后，就可能出现。射阳供电公司就曾经在变电所增容后出现10kV线路由于励磁涌流的影响而无法正常投入的情况。
现场技术人员曾经认为这些线路不能投入或运行中无时限速断保护经常动作的原因是因为躲不过线路电容电流和电机的启动电流，但查阅相关资料［３］表明，电容电流在系统固定的情况下，其值是基本不变的；电机启动电流一般延时几秒，亦即通过短暂延时是躲不过较大峰值的电机启动电流，而且过电流保护定值已通过自启动系数进行了裕度［４］。因此，不管针对无时限速断保护还是过电流保护，这种认识均应予排除。
2.2 防止涌流引起误动的方法
励磁涌流有一明显的特征，就是它含有大量的二次谐波，在变压器主保护中就利用这个特性，设置了二次谐波特性来防止励磁涌流引起保护误动作，但如果应用在10kV线路保护中，必须对保护装置进行改造，会大大增加装置软件的复杂性，因此实用性很差。励磁涌流的另一特征就是它的大小随时间而衰减，一开始涌流峰值很大，对于小型变压器，经过7～10个工频周波后，涌流几乎衰减为可以忽略的范围，流过保护装置的电流为线路负荷电流，利用涌流这个特点，在电流速断保护时加入一段时间延时，就可以防止励磁涌流引起的误动作，这种方法最大的优点是不用改造保护装置，虽然会增加故障时间，但对于如10kV这些对系统稳定运行影响较小的地方还是适用的。为了保证可靠地躲过励磁涌流，保护装置中加速回路同样要加入延时。射阳供电公司经过几年的摸索，在10kV线路无时限电流速断保护及加速回路中加入了0.1～0.15s的时限，就近几年运行情况来看，运行安全可靠，并能很好地避免由于线路中励磁涌流造成的保护装置误动作。
现场技术人员曾经认为这些线路不能投入或运行中无时限速断保护经常动作的原因是因为躲不过线路电容电流和电机的启动电流，但查阅相关资料［３］表明，电容电流在系统固定的情况下，其值是基本不变的；电机启动电流一般延时几秒，亦即通过短暂延时是躲不过较大峰值的电机启动电流，而且过电流保护定值已通过自启动系数进行了裕度［４］。因此，不管针对无时限速断保护还是过电流保护，这种认识均应予排除。
2.2 防止涌流引起误动的方法
励磁涌流有一明显的特征，就是它含有大量的二次谐波，在变压器主保护中就利用这个特性，设置了二次谐波特性来防止励磁涌流引起保护误动作，但如果应用在10kV线路保护中，必须对保护装置进行改造，会大大增加装置软件的复杂性，因此实用性很差。励磁涌流的另一特征就是它的大小随时间而衰减，一开始涌流峰值很大，对于小型变压器，经过7～10个工频周波后，涌流几乎衰减为可以忽略的范围，流过保护装置的电流为线路负荷电流，利用涌流这个特点，在电流速断保护时加入一段时间延时，就可以防止励磁涌流引起的误动作，这种方法最大的优点是不用改造保护装置，虽然会增加故障时间，但对于如10kV这些对系统稳定运行影响较小的地方还是适用的。为了保证可靠地躲过励磁涌流，保护装置中加速回路同样要加入延时。射阳供电公司经过几年的摸索，在10kV线路无时限电流速断保护及加速回路中加入了0.1～0.15s的时限，就近几年运行情况来看，运行安全可靠，并能很好地避免由于线路中励磁涌流造成的保护装置误动作。
3 TA饱和问题
3.1 TA饱和对电流速断保护的影响
10kV线路出口处短路电流一般都较小，特别是农网中的变电所，它们往往远离电源，系统阻抗较大。对于同一线路，出口处短路电流大小会随着系统规模及运行方式不同而不同。随着系统规模的不断扩大，10kV系统出口短路电流会随之变大，可以达到TA一次额定电流的几百倍，系统中原有一些能正常运行的变比小的TA就可能饱和；另一方面，短路故障是一个暂态过程，短路电流中含有大量非周期分量，又进一步加速TA饱和。在10kV线路短路时，由于TA饱和，感应到二次侧的电流会很小或接近于零，使保护装置拒动，故障要由母联断路器或主变压器后备保护来切除，不但延长了故障时间，使故障范围扩大，影响供电可靠性，而且严重威胁运行设备的安全。
3.2 避免TA饱和的方法
TA饱和其实就是TA铁心中磁通饱和，而磁通密度与感应电动势成正比，因此，如果TA二次负载阻抗大，在同样电流的情况下，二次回路感应电动势就大，或在同样的负载阻抗下，二次电流越大，感应电动势就越大，这二种情况都会使铁心中磁通密度增大。磁通密度大到一定值时，TA就饱和。TA严重饱和时，一次电流全部变成励磁电流，二次侧感应电流为零，流过电流继电器的电流为零，保护装置就会拒动。
避免TA饱和主要从二个方面入手：① 在选择TA时，变比不能选得太小，要考虑线路短路时TA饱和问题，一般10kV线路保护TA变比最好大于300/5；② 要尽量减少TA二次负载阻抗，尽量避免保护和计量共用TA，缩短TA二次电缆长度及加大二次电缆截面；对于综合自动化变电所，10kV线路尽可能选用保护测控合一的产品，并在控制屏上就地安装，这样能有效减小二次回路阻抗，防止TA饱和。
4 结束语
通过分析表明，小电流接地系统无时限电流速断保护在应用中存在躲不过励磁涌流以及保护TA在线路出口短路时容易饱和的问题。对无时限电流速断保护躲不过励磁涌流的问题，可采取设定延时0.1～0.15s的办法；对于TA饱和问题，采取了选取较大变比，缩短二次电缆长度，增粗二次电缆面积，保护就地安装在开关厂等措施。实践证明：运行情况良好，基本满足了小电流接地系统的安全性、可靠性和经济性。
5 参考文献
［1］ 国家电力调度通信中心电力系统继电保护规定汇编北京：中国电力出版社，2000
［2］ 刘从爱，徐中立电力工程北京：机械工业出版社，1992
［3］ 何利民，尹全英，桂南生电工手册北京：中国建筑工业出版社，1993
［4］ 贺家李，宋从矩电力系统继电保护原理北京，中国电力出版社，1994
10kV线路出口处短路电流一般都较小，特别是农网中的变电所，它们往往远离电源，系统阻抗较大。对于同一线路，出口处短路电流大小会随着系统规模及运行方式不同而不同。随着系统规模的不断扩大，10kV系统出口短路电流会随之变大，可以达到TA一次额定电流的几百倍，系统中原有一些能正常运行的变比小的TA就可能饱和；另一方面，短路故障是一个暂态过程，短路电流中含有大量非周期分量，又进一步加速TA饱和。在10kV线路短路时，由于TA饱和，感应到二次侧的电流会很小或接近于零，使保护装置拒动，故障要由母联断路器或主变压器后备保护来切除，不但延长了故障时间，使故障范围扩大，影响供电可靠性，而且严重威胁运行设备的安全。
3.2 避免TA饱和的方法
TA饱和其实就是TA铁心中磁通饱和，而磁通密度与感应电动势成正比，因此，如果TA二次负载阻抗大，在同样电流的情况下，二次回路感应电动势就大，或在同样的负载阻抗下，二次电流越大，感应电动势就越大，这二种情况都会使铁心中磁通密度增大。磁通密度大到一定值时，TA就饱和。TA严重饱和时，一次电流全部变成励磁电流，二次侧感应电流为零，流过电流继电器的电流为零，保护装置就会拒动。
避免TA饱和主要从二个方面入手：① 在选择TA时，变比不能选得太小，要考虑线路短路时TA饱和问题，一般10kV线路保护TA变比最好大于300/5；② 要尽量减少TA二次负载阻抗，尽量避免保护和计量共用TA，缩短TA二次电缆长度及加大二次电缆截面；对于综合自动化变电所，10kV线路尽可能选用保护测控合一的产品，并在控制屏上就地安装，这样能有效减小二次回路阻抗，防止TA饱和。
4 结束语
通过分析表明，小电流接地系统无时限电流速断保护在应用中存在躲不过励磁涌流以及保护TA在线路出口短路时容易饱和的问题。对无时限电流速断保护躲不过励磁涌流的问题，可采取设定延时0.1～0.15s的办法；对于TA饱和问题，采取了选取较大变比，缩短二次电缆长度，增粗二次电缆面积，保护就地安装在开关厂等措施。实践证明：运行情况良好，基本满足了小电流接地系统的安全性、可靠性和经济性。
5 参考文献
［1］ 国家电力调度通信中心电力系统继电保护规定汇编北京：中国电力出版社，2000
［2］ 刘从爱，徐中立电力工程北京：机械工业出版社，1992
［3］ 何利民，尹全英，桂南生电工手册北京：中国建筑工业出版社，1993
［4］ 贺家李，宋从矩电力系统继电保护原理北京，中国电力出版社，1994
