特高压变电站站用低压交流断路器灵敏度分析_袁梦雅.pdf

2023 1期特高压变电站站用低压交流断路器灵敏度分析袁梦雅，王刚，王秋源（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 ）摘要：变电站站用电系统中，供电回路断路器和电缆的确定需考虑负荷电流、热稳定、回路压降、末端短路时低压断路器灵敏度等。特高压变电站站区面积相较常规变电站更大，主变、高抗、大功率消防水泵等负荷设备的供电电缆较长，回路短路阻抗大，末端短路电流水平低，对馈线断路器的灵敏度校验造成一定影响。结合特高压变电站低压馈线断路器灵敏度校验实例，探讨各类负荷回路末端单相接地短路时灵敏度优化思路，并提出建议。关键词：特高压变电站；站用电；灵敏度校验；单相接地故障中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：袁梦雅（），硕士，从事变电电气设计工作；王刚（），硕士，高级工程师，从事变电电气设计工作；王秋源（），硕士，从事变电电气设计工作。引言变电站站用电系统设计中，供电回路断路器和电缆的确定除需考虑负荷电流、热稳定和回路压降因素外，回路末端短路时的断路器灵敏度校验也是重点考虑的因素之一。考虑到断路器脱扣器自身的机械性误差，当发生金属短路故障时，若脱扣器灵敏度不足导致无法短时间内跳开故障，就将造成严重事故。另一方面，站用电供电常采用多级回路的供电形式，若上级断路器脱扣器灵敏度整定值过高，下级回路故障未跳开本级断路器，则可能使得上级断路器发生误动作，扩大停电范围。对于站用电低压断路器的灵敏度要求，现行国标与行标皆有相关规定。低压配电设计规范 要求不低于，变电站站用电设计技术规程 要求灵敏度系数不低于。在保护配合方面，火力发电厂厂用电设计技术规程 提出了低压线路的单相接地短路保护应在短延时脱扣器动作灵敏度不满足要求时，由接于零序电流互感器上的电流继电器与时间继电器构成延时跳闸。国标与行标皆要求了各级馈线保护间配合应满足选择性，其中行标明确了各级保护动作的时限。随着灵敏度要求的进一步提高，灵敏度校验已成为保障特高压变电站站用系统可靠性的重要环节。特高压变电站的低压站用电系统相较常规变电站配有更多的设备冷却柜、消防电机等重要负荷，且回路启动特性特殊，上下级保护配合关系复杂，同时部分导体与设备特性导致回路短路阻抗大、灵敏度难以满足。此外，随着特高压变电站不断完善的消防措施与愈加复杂的负荷启动特性，输变电领域亟需系统地对站用电系统灵敏度进行分析。本文针对 站 用 电 接 地 系 统 中 不 同 等 级 馈 线 展 开 校 验 计算，分析灵敏度不足的原因，并提供相应条件下的设计优化方案，旨在完善特高压变电站站用电低压配电系统设计思路，结合特高压变电站设计手段提出可行措施，为特高压变电站站用电系统研究提供参考。高压与绝缘技术电工技术中国电工网灵敏度校验原理 站用电系统配置方案特高压变电站站用电系统一般设置三路站用电源，采用“两运一备”的运行方式。两路工作电源通常分别取自两台主变低压侧，采用两级降压方式分别为两段 站用工作母线供电。一路备用电源引自站外，与两段站用工作母线之间设联络开关，正常运行时不投入，仅在站用工作变失电时，通过联络断路器投入，实现备用变对工作变的专门备用。第一级站用工作变通常采用户外油浸式单相自耦变压器，第二级通常采用户内干式、有载调压变压器。某在运特高压变电站站用电系统的典型原理接线如图所示。引自 1 号主变 110 kV配电装置引自站外配电装置引自 2 号主变 110 kV配电装置110 kV/35 kV35 kV/0.4 kV380 V 工作 II 段主控楼交流配电室35 kV/0.4 kV35 kV/0.4 kV110 kV/35 kV380 V 工作 I 段图 1 特高压变电站站用电系统原理接线图 低压交流断路器灵敏度计算灵敏度系数为回路最小短路电流与回路断路器脱扣器整定电流的比值。文献 提出回路末端最小短路电流一般为单相短路电流，因此灵敏度计算中按相零回路形成的相保阻抗来计算最小单相短路电流。回路的相保阻抗包括高压侧系统阻抗、变压器阻抗、回路电缆相线和中性线阻抗等。低压断路器开断的灵敏度系数为：（）式中，为线路末端单相金属短路电流；为低压断路器瞬时或短延时脱扣整定值。图为供电回路原理接线图，其中高压侧系统、站用变、低压配电线路阻抗计算如下。35 kV/0.4 kV35 kV 以上电压等级系统If一级馈线二级馈线终端用电负荷图 2 特高压变电站用电回路原理接线图 高压侧系统阻抗进行线路末端短路电流计算时，可将 以上电压等级站用变视作无穷大系统。首先计算归算到 站用变高压侧短路电流：（）式中，为 站用变阻抗标幺值；为 站用变与 站用变间电缆阻抗标幺值；为 站用变高压侧标称电压。则归算到变压器低压侧的系统阻抗为：（）（）式中，为 站用变低压侧标称电压；为电压系数，此处按照单相短路工况考虑，取；为 变压器高压侧系统短路容量，可由变压器高压侧短路电流计算得到。由于站用变均为 变压器，当低压侧发生单相短路时，零序电流不能在高压侧形成通路，高压侧对于零序电流相当于开路状态，因此系统阻抗只为计算三相短路电流用，不纳入计算最小单相短路电流的总相保阻抗中，且系统电阻成分可忽略，认为。高压侧系统阻抗 站用变阻抗（）（）（）（）（）式中，为站用变额定容量，；为站用变额定负载下的短路损耗，；为短路 阻 抗；为 电 阻 压降；为 电 抗 压 降；为 站 用 变 低 压 侧 线 电 压 有 效值，。高压侧系统阻抗低压配电线路的阻抗考虑到站用电供电线路一般较长，由中央配电屏出线至各分屏或动力箱的一级馈线可达几百米，因此低压配电线路阻抗计算在参照文献 列出的电缆正序、相保阻抗计算方法上，还需考虑阻性部分后取 的温度系数，得出线路阻抗。对于采用 接地的站用电系统，其低压配电线路相保阻抗可通过各相序阻抗计算：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）由上述线路及站用变的短路阻抗可计算每条馈线的单相接地故障电流：（）（）灵敏度分析本文以国内部分在运特高压变电站站用系统为例，进电工技术高压与绝缘技术2023 1期行低压断路器灵敏度校验。由图可知，由 配电屏出线至配电分屏或各配电箱的一级配电线路（以下统称一级馈线）中，灵敏度不足的回路平均占比为，而由配电箱出线至终端用电设备的二级配电线路（以下统称二级馈线）中，灵敏度不足的回路平均占比高达。由此可见特高压变电站站用低压系统供配电方案亟待优化。图 3 部分特高压变电站站用低压交流断路器灵敏度不足回路占比 中央配电屏出线的一级馈线站用电系统按照负荷回路配置不同型式的开关，一级馈线通常采用塑壳断路器，或配置电子脱扣器的框架断路器，其中少数采用配置固定脱扣倍率的热磁脱扣器。对于配置电子脱扣器的一级馈线，可采用瞬时保护的整定倍数进行校验。下面给出两种一级馈线中灵敏度需优化的典型回路。站用电室至各继电器室、各就地交流电源配电箱的长距电缆以某条站用电屏至继电器室动力模块馈线为例，该回路相关工程配置见表。表 长距离馈线工程配置回路总相保阻抗电缆规格电缆长度开关型式 .（）.（）经计算，发现即使采用瞬时保护，最低整定倍数也不满足灵敏度要求。为满足馈线级差配合需求，同时保障供电可靠性，宜将动力模块内断路器瞬时保护功能关闭，通过短延时过电流保护保证保护装置的选择性。同时，对于此类回路的级差配合应结合工程配置进行考虑，当动力箱、配电箱等发生母线短路故障时，若动力箱进线开关不动作，则馈线屏内断路器越级跳闸，仅影响该负荷一条回路，不扩大事故范围。电机类负荷供电回路主变冷却器、高抗冷却器、消防泵、稳压泵等重要负荷为电机，电机启动电流具有冲击特点，而此类回路的供电接口通常在高抗主变冷却器控制器、三相总控制柜等厂供柜体进线断路器处。此类厂供柜体不仅需为电机类负荷提供电源，还为设备控制电源等较为稳定的辅助设备供电。以主变单相风冷控制器馈线为例，该回路相关工程配置见表。表 主变单相风冷控制器馈线工程配置回路总相保阻抗电缆规格电缆长度开关型式 .（）.（）经计算，在满足灵敏度要求的前提下，该回路的脱扣器动作整定倍数可满足短延时保护与瞬时保护功能，但同时应充分考虑回路负荷的冲击特性，即脱扣器的整定电流应躲过线路负荷启动的尖峰电流。此类负荷采用分组启动，冲击电流峰值发生在启动最后一组风扇时。（）（）式中，为回路脱扣器的可靠系数，取；为最后一台风扇的启动电流；为除最后一台风扇未启动时线路计算电流。若电机不采取任何启动措施，则启动电流 即为已稳定运行的负荷额定电流与最后一组冷却器以 倍的额定电流的冲击量叠加。经调研，风扇启动过程持续后冲击电流降回总额定电流。该回路的峰值启动电流工况相关参数见表。表主变单相风冷控制器启动参数风扇数量 组风扇功率（组）控制柜总额定电流启动电流 .（）按 倍考虑风扇启动过程中的冲击电流，此时瞬时保护的整定倍数调至最低值也无法满足灵敏度要求，因此工程现场的脱扣器动作整定应考虑采用短延时功能。除了上述典型的电机负荷回路，近年来工业消防重要性的逐步提升也使 系统应用在特高压变电站中，其空压机主机与水泵启动柜的实际用电负荷远超相较常规变电站中 电 机 负 荷，且 空 压 机 与 水 泵 需 错 峰 启 动，整 体 系统启动时限持续，启动电流也较常规电机负荷更明显，提高了进线开关选型的难度。综上所述，特高压变电站用电系统中，一级馈线部分断路器保护灵敏度应充分考虑以下因素：一是回路相对较长，尤其是采用敞开式的就地设备导致布置占地更大，使得线路阻抗进一步增加，难以满足灵敏度要求；二是针对电机类负荷，应结合负荷参数与启动特征，在躲过电机启动冲击电流的前提下选择短路瞬时保护或短延时过电流保护功能，以满足灵敏度要求。配电箱出线的二级馈线在特高压变电站内，二级馈线负荷类型多、馈线数量高压与绝缘技术电工技术中国电工网庞大，配置电子式脱扣器将大幅度增加工程造价，因此此类馈线通常使用微型断路器进行保护，配置或 型特征曲线的热磁式脱扣器。考虑到发生短路故障时，要满足全线各级保护电器动作的选择性，保障故障快速切除的能力，校验中热磁式脱扣器的整定倍数按照瞬时过电流选取，而不考虑自身反时限切除故障的功能。下面给出两种二级馈线中灵敏度需优化的典型回路。（）配置热磁脱扣器的整定倍数选择过大。以某条站用电室动力模块至同房间空调室内机回路为例，回路相关工程配置见表。表二级馈线配置回路总相保阻抗电缆规格电缆长度开关型式 .（）.（）由于该回路无下级馈线，脱扣倍率选取过大将导致电源端脱扣器选型困难，因此应在保障负荷工作电流的前提下选择较小脱扣倍率的微型断路器保证灵敏度。（）配电箱下设串联负荷过多或供电距离过长。交流串配电箱至一次设备的端子箱、就地控制柜、汇控箱等控保屏柜和箱体回路供电距离可达百米以上，常用或截面的动力电缆。该类型即使使用最小倍率的脱扣特性也不能满足灵敏度要求，部分此类回路甚至相间短路故障电流也不满足灵敏度要求。以某条交流电源配电箱至电压互感器端子箱回路为例，回路相关工程配置见表。表二级馈线配置回路总相保阻抗电缆规格电缆长度开关型式 .（）.（）根据统计结果，二级馈线中灵敏度不足的回路具有以下特征：一是配置的热磁脱扣器整定倍数或额定电流偏大；二是采用长距离小截面电缆供电使得短路电流较大。为此需结合不同工程配置、柜体负荷类型特点进行具体分析。灵敏度优化方案结合上述灵敏度校验原理与算例分析，可得到两种提高断路器灵敏度的常规思路：一是通过降低线路阻抗，如更换大截面电缆来提高线路末端单相接地短路的短路电流；二是在满足额定电流的前提下，选择较小脱扣倍率的脱扣器以降低脱扣器动作整定电流。但由于特高压变电站负荷类型复杂、站区规模大，因此站用电系统的低压配电方案应结合回路的导体与设备配置、负荷特征及经济指标综合考虑。配置零序电流保护对于带重要电机类负荷的一级馈线，当电子式脱扣器的瞬时和短延时保护功能都不能满足灵敏度要求时，除了借助断路器本体的过电流脱扣器来实现主保护，还可增设具有零序电流保护功能附件的断路器实现近后备保护。零序电流保护整定值 应同时满足：整定值应大于现场运行时实测的三相不平衡电流的倍值；发生单相接地故障时，零序电流保护的灵