浅谈10kV系统接地变作用及继电保护整定

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  【摘 要】 本文对10kV电力系统中继电保护的现状进行了探讨,对10kV系统中应装置的继电保护的要求、特性等进行阐述。为了确保10KV供电系统的正常运行,必须正确地设置继电保护装置并准确整定各项相关定值。
  【关键词】 10kV系统接地;继电保护整定
  一、10kV供电系统对继电保护装置的要求
  为满足10kV电力系统的运行,在选择继电保护装置时要充分对以下方面方面进行考虑:(1)可靠性是指保证继电保护装置的设计原理、整定计算和安装调试高度的准确性。并且保护装置元件要有可靠的质量、适当维护运行和有效地简化供电系统,以此提高继电保护装置的可靠性,可靠性是继电保护装置性能的重要保证。(2)选择性是指通过故障设备或线路本身的保护来消除故障,只有在发生设备故障或线路本身保护或断路器拒动这几种情况下,才能用周围相邻的设备保护、线路保护或断路器失灵保护来使故障消除。(3)灵敏性是指当金属性短路发生在设备或线路的被保护范围内时,继电保护装置都有具体规定的灵敏系数。(4)速动性是指在确认线路发生故障时,保护装置应快速把短路故障隔离切除,这能让供电系统的稳定性提高,降低故障设备和线路损坏度,尽可能地缩小出现故障影响线路和设备的范围。
  二、接地变的原理及作用
  10kV电网通常接在降压变压器的三角形绕组侧,无中性线引出,为补偿10kV系统对地电容电流,普遍采用的方案是接入一台特殊结构的接地变压器,从而造出中性点。接地变压器的铁芯结构与普通的三相电力变压器相同,其绕组接线不同于普通变压器的绕组接线方式。它的功能是为中性点不接地系统制造出一个可引出外接的中性点,并且能够给零序电流提供有效的通路。它的特点是在电网正常运行时有很高的励磁阻抗,绕组中只流过较小的励磁电流或因中性点电压偏移引起的持续电流(此值一般较小)。当系统发生单相接地故障时,接地变压器绕组则对正序和负序电流都呈高阻抗,而对零序电流则呈低阻抗特性。因为每一铁芯上的两个绕组反极性串联,它们在每一个铁芯柱上产生的磁通相互抵消,这一零序电流经过接地变压器中性点消弧线圈起到减小电网的接地电容电流和抑制过电压的发生。为此该接地变压器的绕组结构就设计成曲折形(Z形)的绕组连接法,并在中性点处通过套管引出中性线,为加装消弧线圈使用。
  三、接地变压器保护配置及整定
  接地变压器运行中可能发生的故障与异常有以下几种:绕组及其引出线的相间短路;绕组的匝间短路;外部故障引起的过电流;运行温度升高;中性点引出线直接接地。其中中性点引出线直接接地意味着10kV系统经接地变压器直接接地,消弧线圈被短接,这时如果系统中发生单相接地故障,则流过接地变压器中的电流会大大超过其额定电流,必须快速切除故障。
  电力行业标准DL/T584 2007《3-110kV电网继电保护装置运行整定规程》规定接地变压器保护整定与运行要兼顾灵敏性、速动性和选择性,低电阻接地系统发生单相接地故障时,要求接地变压器保护可靠切除故障,允许短延时动作,但保护动作时间必须满足有关热稳定要求。只有接地变压器保护或断路器拒动时,才允许由相邻设备的保护切除故障。接地变压器电源侧装设三相式的电流速断、过电流保护,作为接地变压器内部相间故障的主保护和后备保护。在刚察变电站中接地变接于10kV母线上,采用所用变/接地变合二为一的方式,针对此种接线方式,接地变压器保护具体整定原则如下介绍。
  四、零序保护的配置与整定
  1、小电阻接地系统的继电保护
  对于小电流接地系统,发生单相接地故障时,投入的消弧线圈将对接地电容电流进行补偿,然后由选线装置或运行人员找出故障线路,断电后进行处理。但由于消弧线圈补偿接地电容电流后零序电流残余很小,故障特征不明显,使得选线装置有时难以准确选出故障线路。这种情况下,只能由运行值班人员逐次拉路选线,这样大大不利于供电的可靠性。
  而对于小电阻接地系统而言,单相接地时故障电流相比消弧系统大得多,故障选线一般不存问题。但由于小电阻系统接地也同时造成故障相失压严重,影响本馈线和其他馈线的供电可靠性,因此必须尽快切除故障线路。其保护配置可为:三段式电流保护和两段式零序保护作为馈线主保护,所有保护均作用于馈线断路器。另外,为保证故障线路被可靠地切除,保护一次设备的安全,考虑到故障线路的保护或开关存在拒动的可能,所以应在中性点接地电阻回路中,加入接地变零序保护作为馈线保护的后备保护及母线故障的主保护,作用于跳开变压器低压侧断路器。
  为了减少误跳闸造成的供电可靠性下降,对于架空输电线路,应配置一二次(或多次)自动重合闸,使得瞬时性故障后可尽快恢复供电。同时在永久性故障时,加速继电保护动作于跳闸。对于电缆输电线路,考虑到其故障多是永久性故障,故不必设置自动重合闸。
  2、零序电流保护的配置
  对于配电系统,单电源小电阻接地保护可以采用比较简单的零序电流保护。这种保护由馈线零序电流保护和接地变零序电流保护构成,一般不设立方向元件。
  1)馈线零序电流保护
  一般馈线零序保护配置为零序I段保护和零序II段保护,作为馈线故障的主保护。
  其整定原则如下:
  a)零序电流I段保护定值应对本线路经电阻单相接地故障有灵敏度,并且应可靠躲开两回线同相故障时灵敏度不足的问题,而与接地变压器的零序电流保护定值配合。其动作时间允许有延时,且应与下一级零序电流保护I段时间配合;对单级的网络结构可与相电流保护时间配合,动作时间不少于相电流II段时间。
  b)零流电流II段保护定值应对本线路经高阻单相接地故障有灵敏度,并可靠躲过线路的电容电流及相间故障时产生的不平衡电流。其动作时间应大于零序电流I段的动作时间,且不少于相电流III段时间。
  2)接地变零序电流保护   一般建议接地变零序电流保护至少配置有一级零序电流保护,以作为母线故障的主保护和馈线故障的后备保护。其整定原则如下:
  a)接地变零序电流保护定值应保证经电阻单相接地故障时有足够灵敏度、可靠躲过线路的电容电流,并且应可靠躲开两回线同相故障时灵敏度过大的问题,取值与馈线零序电流保护定值配合。其动作时间应大于母线各连接元件零序电流II段的最长动作时间
  b)接地变零序电流保护通过设置不同的时限值,依次进行以下动作:跳母联开关、闭锁备用电源自投装置、跳主供电变压器低压侧开关和跳供电变压器各侧开关。
  3、零序保护的整定
  根据中华人民共和国电力行业标准DL/T 584-2007((3kV-110kV电网继电保护装置运行整定规程》规定,并结合东莞局相电流保护的整定数据及现场实际,零序电流保护可按以下表格予以整定。(见下表1)
  根据现场数据计算可得,某站在线端故障时3倍零序电流为488.4A,而在线末故障时3倍零序电流为455.1A。取455A作为系统最小单相接地故障电流IDmin。
  具体整定方案计算如下:
  1)接地变零序电流工段:
  接地变零序电流工段定值根据系统最小单相接地故障电流整定。
  2)接地变零序电流II段:
  接地变零序电流工段定值根据系统最小单相接地故障电流整定。
  3)出线零序电流工段:
  零序电流工段定值根据系统最小单相接地故障电流整定。
  4)出线零序电流II段:
  零序电流II段定值应躲过线路的电容电流及相间故障时产生的不平衡电流。电缆线路电容电流按2A/km计算,计算取10kV单根电缆线长一般不超5km.
  五、常见的10KV供电系统继电保护
  在电力系统中利用正常运行和故障时各物理量的差别来构成各种不同原理和类型的继电保护装置。如在10kV供电系统中应用最为广泛的是反映电流变化的电流保护有:定时限过电流保护、电流速断保护、反时限过电流保护;还有既反映电流的变化又反映电压与电流之间相位角变化的方向过电流保护;10kV供电系统中发生接地故障时采用零序电流保护。
  1、定时限过电流保护。定时限过电流保护指的是继电保护的动作时限是固定的,而与短路电流的大小无关的一种保护装置。这个动作时限是靠时间继电器的整定来获得的。在10kV中性点不接地系统中,广泛采用的两相两继电器的定时限过电流保护。过流保护动作电流的整定原则是按躲过被保护线路中可能出现的最大负荷电流来考虑。整定动作电流时必须考虑两种情况:①在正常情况下电动机的启动和自启动电流不应动作;②保护装置在外部故障切除后应能可靠地返回。过流保护的灵敏性好,它不仅可以保护本线路的全长,还可以保护相邻下一级线路全长,可作为本线路近后备保护和下一段线路的远后备保护。定时限过电流保护的选择性是依靠动作时限来实现的,按阶梯原则整定,即越靠近电源,动作时限越长。这种保护缺陷是动作时限长,这种缺陷就可由电流速断保护来弥补。
  2、电流速断保护。电流速断保护是一种无时限或带时限动作的电流保护。它能在最短的时间内迅速切除短路故障,减小故障持续时间,防止事故扩大。电流速断保护分为无时限电流速断保护和带时限电流速断保护两种。
  无时限电流速断保护最大的优点是动作迅速,它与过电流保护的区别在于它的动作电流值不是躲过最大负荷电流,而是按躲过被保护线路末端的最大短路电流来整定,从而使保护范围被限制在被保护线路内,从整定值上保证了选择性,因此可以瞬时跳闸。无时限电流速断保护不能保护线路的全长,只能保护线路一部分,故不能单独使用。通常规定最大保护范围lmax>50%l,最小保护范围lmax>(50%-20%)l(l被保护线路长度)时,才能装设。
  无时限电流速断保护虽然动作迅速,但只能保护线路的首端,而定时限过电流保护虽能保护线路的全长,但动作时限太长。因此,常用带时限电流速断保护来消除无时限电流速断保护的"死区"。带时限电流速断保护能保护本全线路,还可以保护下一段线路某一部分,可作为本线路的主保护,但不能作为下一段线路的后备保护。带时限电流速断保护的选择性是依靠动作电流和动作时限来完成的,其动作电流和动作时限按下列原则整定:lⅡop.1>lⅠop.2,t.Ⅱ>t.Ⅰ+△t=0.5s。
  3、反时限过电流保护。反时限过电流保护的动作时间与短路电流的大小有关,短路电流越大,动作时间越短;短路电流越小,动作时间越长。反时限过电流保护主要是由感应型继电器组成的,由于感应型电流继电器本身既是起动元件,又是时间元件,且触点容量大,可实现直接跳闸,不必用中间继电器,加之继电器还带有机械掉牌信号装置,故可不用信号继电器,因此,保护接线简单。虽然外部接线简单,但内部结构复杂,调试比较困难;在灵敏度和动作的准确性、速动性等方面也远不如电磁式继电器构成的继电保护装置。这种保护方式目前主要应用于一般用户端的进线开关处保护。
  4、三段式电流保护。基于以上各种电流保护各自的特点,从而形成了由无时限电流速断按保护(Ⅰ段)、带时限电流速断保护(Ⅱ段)和定时限过电流保护(Ⅲ段)相配合的一整套保护,即三段式电流保护。供电系统并不一定都要装设三段式电流保护,可根据实际情况装设其中两段。例如线路一变压器组接线,可不装设Ⅱ段,又如在很短的线路上,只需装设Ⅱ段和Ⅲ段,在电网末端线路上,只需装设Ⅲ段,越靠近电源侧,保护应该越完整,一般需装设三段式电流保护。
  5、零序电流保护。电力系统中发电机或变压器的中性点运行方式,有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点直接接地三种方式。10kV系统采用的是中性点不接地的运行方式。假设A相发生了一相金属性接地时,则A相对地电压为零,其他两相对地电压升高为线电压,三个线电压不变。这时对负荷的供电没有影响。按规程规定还可继续运行2h,而不必切断电路。这也是采用中性点不接地的主要优点。但其他两相电压升高,线路的绝缘受到考验、有发展为两点或多点接地的可能。应及时发出信号,通知值班人员进行处理。
  六、结语
  10kV供电系统是供电网络的重要组成部分,为了保障电力系统正常运行,必须准确高效整定计算出电网继电的保护定值。而继电保护装置是供电系统能正常安全的运作和维护其可靠稳定性的保证,因此有效的运用继电保护装置的功能,确定合理继电保护定值,可以更好地维持保护装置间的配合关系。
  参考文献:
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