簡易變電站具有投資低和建設周期短的特性，建設成本只有正規變電站的2/5。塔北變電站建設初，綜合考慮該地區的油藏規模、投入產出比，建設為簡易變電站，如圖1所示。簡易變電站體現在設備安裝在電線桿上、設備技術規格低和系統無冗余等方面。

簡易變電站投運前，按照GB 1984—2003《高壓交流斷路器》、GB/T 14258—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》和DL/T 596—2005《電力設備預防性試驗規程》的規范要求對柱上斷路器、電流互感器和涌流控制器進行驗收試驗。

試驗雖然能夠查出設備本體的質量問題，但在實際運行中還是發生多次10kV線路保護越級跳主變斷路器的故障，主要原因是系統故障條件下保護動作由綜合因素決定，即由故障電流、保護定值、互感器、涌流控制器、斷路器的脫扣器、操動機構、滅弧室動靜觸頭等共同協調完成。本文對該現象進行分析。

圖1 塔北變電站

1 塔北變電站簡介

塔北變電站的上級輸電線路為35kV索北線，站內有1臺35kV/10kV的變壓器，1臺10kV進線斷路器，4臺10kV出線斷路器，10kV斷路器均采用柱上斷路器。柱上斷路器自帶涌流控制器實現電流保護，用配網自動化終端采集電流、電壓和遙信量，并實現遠傳調度后臺。站用交流、直流系統和蓄電池組集成于一面屏。

塔北變電站10kV線路的干線導線為LGJ—120鋼芯鋁絞線，分支導線為LGJ—50鋼芯鋁絞線。供電負荷有2個計轉站、4個集氣站、67口單井。塔北變電站網架結構如圖2所示。

圖2 塔北變電站網架結構

2 越級跳閘故障

塔北變電站多次發生10kV配電線路短路故障，線路斷路器未動作，進線1001斷路器越級動作，從而導致全站4條線路全部失電，如：

1）2019年7月31日06:15，TB-6S線路A、C相發生短路故障，短路電流550A，越級跳進線1001斷路器。故障原因為農用戶使用植保無人機在TB- 6S-195#-196#桿附近打藥時掛線，造成A、C相短路。

2）2020年6月17日22:24，TB-7S線路A、C相發生短路故障，短路電流600A，越級跳進線1001斷路器。故障原因為農用戶駕駛挖掘機在TB-7S支S110 1-014#桿附近挖甘草，將地邊桿基防風拉線挖斷，防風拉線彈起觸碰A、C相導線，造成A、C相短路。

塔北變電站保護定值單見表1。以上兩次相間短路，故障錄波器記錄的短路電流分別為550A和600A，根據保護定值，線路電流速斷保護啟動，進線1001斷路器的電流延時保護同時啟動，由于線路電流速斷保護無延時，應該先動作，實際情況為進線1001斷路器先動作。

表1 塔北變電站保護定值單

3 故障原因分析

3.1 線路故障跳閘原理

當電力線路短路時，產生短路電流。電流互感器將大電流變為小電流并輸入涌流控制器。涌流控制器判斷電流是否達到保護定值，滿足條件閉合跳閘節點。直流電源給跳閘線圈供電，驅動開關跳閘。線路故障跳閘原理如圖3所示。

圖3 線路故障跳閘原理

根據跳閘原理圖，越級跳閘原因可能為短路電流同保護定值單和開關開斷容量不匹配、電流互感器飽和、柱上斷路器拒動（拒動原因有斷路器機械機構卡澀和操作回路故障）、操作電源故障、涌流控制器失靈或性能不達標。

故障發生后，技術檢修班通過現場檢查、電氣試驗等方式對以上幾種可能性進行了排查，在排查了前4項可能性后，將越級故障原因定位在第5項，涌流控制器失靈或性能不達標。下面詳細介紹故障排查過程。

3.2 短路電流計算

通過計算短路電流，對斷路器的開斷能力、電流互感器選型和保護定值配置進行校驗。

塔北變電站10kV系統為中性點不接地系統，當發生單相接地故障時，斷路器不跳閘，根據國家標準可以運行2h。當發生兩相短路、兩相接地短路和三相短路時，斷路器保護動作。

1）最大短路電流計算

由于是同一電壓等級，采用有名值計算，需要算母線、線路的阻抗值。母線阻抗值通過查閱《塔河油田母線等值阻抗表》得到，主線路使用LGJ—120線，阻抗值為0.27+j0.347◆/km=|0.44|◆/km；分支線路使用LGJ—50線，阻抗值為0.63+j0.363◆/km= |0.73◆/km。塔北變電站系統阻抗等效圖如圖4所示。

圖4 塔北變電站系統阻抗等效圖

靠近母線處的線路三相短路電流最大，查閱《塔河油田母線等值阻抗表》，在最大運行方式下，10kV母線阻抗為7.62∠80.1°◆，三相短路電流為

式（1）

2）最小短路電流計算

線路最遠處發生兩相短路的電流最小，在最小運行方式下，10kV母線阻抗為10.1∠81.6°◆。TB-6S線路48支98支40#桿為最遠端，主線路共2.4km，分支線路共6.9km，可計算出短路點阻抗6.1◆。

兩相短路電流為

式（2）

3.3 短路電流分析

根據最大短路電流833.5A和最小短路電流339.5A，結合選用設備，得出：

1）柱上斷路器

柱上斷路器的額定電流為630A，額定開關電流為20kA，滿足開斷短路電流要求。

2）涌流控制器

涌流控制器的過電流定值由電流互感器的電流比決定，如采用200A/5A的電流互感器，過電流一次值為200A；過電流延時時間有4位撥碼開關，每位撥碼有0、1兩個位置，JL—2C涌流控制器可選用10種延時時間；速斷倍數采用2位撥碼開關，4種倍數，可設置過電流定值的2、3、4、8倍；速斷延時有2位撥碼開關，4種延時時間。JL—2C涌流控制器撥碼設置如圖5所示。

圖5 JL-2C涌流控制器撥碼設置

3）保護定值

根據“可靠性、選擇性、速動性和靈敏性”進行選擇。已計算出短路電流值，結合涌流控制器二次定值固化特性，塔北變電站的保護整定首先保證可靠性，出線電流互感器電流比為200A/5A，進線電流互感器電流比為400A/5A。保護選擇性通過涌流控制器的延時功能實現。

3.4 涌流控制器校驗

對1001斷路器和4條出線的涌流控制器進行校驗，校驗方法：用繼保儀給控制器輸入二次電流，記錄保護動作電流值，同時校驗動作時間特性。6S線路的涌流控制器在輸入110%保護定值電流不動作時，再逐步提升到10倍保護定值電流仍不動作，檢查出涌流控制器損壞。控制器保護試驗結果見表2。

表2 控制器保護試驗（以A相為例）結果

3.5 柱上斷路器檢查

對5臺柱上斷路器進行分合閘操作，均可靠動作，說明斷路器的機械回路完好。校驗5臺斷路器的動作時間特性，進線1001斷路器的動作時間特性比4臺線路斷路器稍小。試驗記錄見表3。

表3 斷路器動作時間特性記錄表

3.6 電流互感器檢查

1）回路接線檢查

4臺出線斷路器和進線1001斷路器的CT有兩個圈，測量CT用于電表、遠程終端裝置和故障錄波，保護CT用于涌流控制器的保護。線圈引用正確。

2）CT采樣和抗飽和特性檢查

用大電流發生器分別給進線1001斷路器CT和4條線路保護CT一次側加電流，校驗保護CT的精度10P20，即在20倍額定電流下誤差不超過10%。結合線路最大短路電流和電流速斷保護定值，受大電流發生器的量程限制，最大電流試驗值為2倍額定電流。

CT精度試驗記錄見表4，從試驗記錄表可以看出CT的精度合格，滿足最大三相短路電流的使用要求。

表4 CT精度試驗記錄表

3.7 綜合試驗

上述試驗都是單個電氣設備的本體試驗，試驗電流都是單相穩定電流。實際相間短路故障后，短路電流是兩相或者三相短路電流，短路電流包含周期分量和非周期分量，同時產生多次諧波，以上因素都會對涌流控制器的保護產生干擾。因此，必須進行綜合試驗。

試驗方法：在斷路器A、B、C三相一次側加用三相大電流發生器模擬產生的三相短路電流，記錄動作電流，同時記錄動作時間，記錄見表5。

從試驗數據得出，當發生兩相或三相短路時，涌流控制器的二次電流達到5A就跳，并且動作時間基本和斷路器動作時間特性一致，保護延時為零。涌流控制器銘牌雖然標明具有過電流延時功能、合閘延時功能、速斷延時設置和速斷倍數設置功能，但全部失效。

表5 綜合試驗兩相短路電流動作值

以2020年6月17日22:24，TB-7S線路A、C相短路故障為例，故障錄波器記錄短路電流600A，經電流互感器轉化為二次電流輸入涌流控制器，7S線路涌流控制器的二次電流為15A，進線1001涌流控制器的二次電流為7.5A，根據綜合試驗結論，兩臺斷路器的涌流保護器二次輸入電流超過5A，同時無延時動作，由于進線1001斷路器的動作時間特性小，首先動作切除故障。

根據3.2節短路電流計算，塔北變電站的10kV線路最小兩相短路電流339.5A，線路最大三相短路電流為833.5A。只要線路的相間短路電流超過400A，就會引起進線1001斷路器先動作。

3.8 涌流控制器工作原理分析

微型CT1和CT2將電流互感器的大電流變為小電流，經過可調電阻變為電壓信號。CT3用作單片機的電源。單片機需要電流、電壓的基波和二次諧波信號，濾去3次以上諧波。單片機對電流進行AD采樣，軟件通過間斷角原理進行勵磁涌流識別，達到定值條件閉合跳閘節點。涌流控制器原理如圖6所示。

圖6 涌流控制器原理

間斷角原理需要較高的采樣率，對硬件要求較高。經過研究，需要14位以上的模數（A-D）轉換器并且每個工頻周期采樣48點，才能準確測量間斷角和波寬。而塔北變電站柱上斷路器自帶的JL—2C型涌流控制器的單片機的10位數模轉換器采樣達不到要求。

4 措施

1）用高技術規格的智能控制箱或保護裝置替代涌流控制器。智能控制箱或保護裝置的技術規格有：①具有電流三段保護、零序保護和重合閘功能； ②保護電流值和延時時間可任意整定，實現選擇性；③實時監控數據、保護信息和事件記錄可以上傳至監控后臺，實現遠傳電調后臺。

2）新建高壓室，將電氣設備轉戶內運行，改善電氣設備運行環境。

3）柱上斷路器改造為可靠性更高的戶內真空斷路器。

5 結論

綜上所述，線路越級跳閘的原因有：①采用技術規格低的涌流控制器，當短路電流達到400A時，不能實現選擇性保護；②TA-6S線路涌流控制器的損壞造成保護拒動。

塔北變電站的電氣設備戶外運行，該地區位于新疆塔克拉瑪干沙漠北部邊緣，夏季最高溫度60℃，冬季最低溫度◆20℃，風沙大，設備故障率高。

本文中的簡易變電站雖然能減少投資，但采用了技術規格低的電氣設備，電氣設備在環境惡劣的戶外運行，犧牲了保護動作的可靠性和選擇性。因此，在供電可靠性要求高的地方不建議采用簡易變電站。

本文編自2021年第4期《電氣技術》，論文標題為“簡易變電站的10kV線路保護越級跳閘故障分析”，作者為蒲軍。