10kV较小负荷出线配用电流互感器的分析
馈电线路所配用的电流互感器(以下简称TA),主要考虑到满足继电保护和计量准确,选取额定变比时,尽量使TA的额定一次电流接近实际*大负荷电流.但是,随着城市街道纷纷将架空线路改为高压电缆入地,电缆的电抗值较小且有分布电容,首末端短路相差不大.对于较小负荷的10 kV出线,特别是专线用户所配用10 kV TA稳定性校验一般很难满足,如不采取措施,则会带来严重后果.
1 馈线事故引起进线断路器爆炸
新安县电业局江路线为（电压等级110/10 kV）供给高速公路收费站的一回电缆专线,电缆长度2.5 km,收费站内安装250 kVA配变一台（额定电流14.43 A）.为确保计量准确度,使互感器额定一次电流和*大负荷电流相接近,选用TA为LAJ-10变比20/5,江路线供电系统见图1.
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2002年8月,江路线馈线1.5 km处,因修路挖掘机将穿管直埋地下的95mm2交联聚乙烯电缆挖断,江路柜内两相TA爆炸弧光形成三相短路,使出线断路器真空泡击碎,同时造成主变10 kV低压侧跳闸.据查,江庄变电站送出的江路10 kV出线断路器额定开断电流20 kA,而TA额定短时热稳定电流It = 2.4 kA,额定动稳定电流Igf = 4.3 kA.
2 TA的电气稳定性分析
按图1作出等值电路图见图2,现对故障时一次电流情况进行计算,分析互感器的误差特性和稳定特性.
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2.1 电网参数计算
经折算得：110kV系统短路电抗为X1 = 0.0679；
1#变压器短路电抗为X2 = 0.5529；
江路线短路点前短路电抗为X3= 0.3993；
计算电抗X*∑= X1 + X2 + X3 = 1.0201.
三相短路时TA流经次暂态短路电流周期分量有效值为：I" = 1 /X*∑×5.5 = 5.3917（kA）.短路冲击电流瞬时值为：ich = 2.55I" = 2.55×5.3917 = 13.75（kA）.
2.2 稳定性分析
TA短时热稳定校验公式It2t≥Qt ,其中：t指热稳定时间；Qt短时电流热效应,取Qt=I"2TK（TK为短时持续时间,取后备保护动作时间加相应真空断路器全分闸时间为0.8 s）.
对于江路线馈线TA,It2t = 5.76≤Qt= 23.3.可知所选TA热稳定电流较小,不能满足要求.短路电流周期分量有效值是热稳定电流的2.25倍,短路电流产生很大的热量和电动力,使线圈绝缘损坏及匝间短路并造成断线,从而在TA内部产生弧光,导致高温气体沿着纸筒两侧喷出,造成三相弧光短路.
2.3 保护性能分析
由于TA本身的励磁损耗和影响,使一次电流I1和二次电流I2在数值和相位上有较大差异.当短路电流流过互感器时,铁心的磁通密度很高,由于铁心材料的非线性、励磁电流的波形畸变,二次电流非正弦波,产生很大的复合误差.当复合误差超过10%时,影响继电保护的正确动作.江路馈线TA保护绕组在额定输出情况下,准确级及准确限值系数为10 P15.故障时,短路电流达到额定一次电流的270倍,远远大于其准确限值系数15.分析此次事故复合误差在10%区域以外,磁饱和使I2不能迅速增加,影响保护动作,造成保护越级.同时,由于江路馈线TA三相弧光短路,接近母线处的三相短路瞬时值电流达22.6kA,如此大的短路电流使江路1出线断路器爆炸,上侧主变压器低压侧断路器速断跳闸.
从以上分析可以看到,造成事故的根本原因是TA选择过小,据有关资料要达到I" = 5.4 kA短路电流产生的热效应Qt,至少应选用75/5及以上的TA.若选取75/5及以上的TA,作为较小负荷专线用户的关口计量点,平时*大负荷达不到额定值的1/3,影响到计量的准确性.
3 防止事故的措施
3.1 出线串联电抗器
本例按正常工作电压UN=10 kV和*大可能工作电流Imax = 120 A,选NLK-10-200型电抗器来限制短路电流,电抗值由：Xl % = (Id / INbx - X*∑) INUd / (INUd) = 0.0638.
其中：Ud、Id为基准电压、电流；UN、IN为额定电压、电流；INbx为限制到的短路电流.
在此选取Xl% = 6%,重新计算电抗器后短路电流：
X*∑ = 2.1915,
I0s = 2.3 kA,I0.5s = 2.99 kA,I1.1s = 2.9 kA,经核算满足动热稳定要求.
电压损失计算：△U % = 2.16% < 5%.
残压计算：△Ure% = 72% > 70%.
当线路电抗器发生故障时,电压降主要产生在电抗器上,而且能在母线上维持剩余电压大于70% UN,这对非故障相用户极为有利,能提高供电可靠性.通过将接地故障电流限制在允许范围内,保证系统的可靠运行及人身和设备的**,同时馈线电缆也不致因短路发热而加大截面.从整体看比较合理和节省. 来源:www.tede.cn
3.2 装设计量专用TA或计量箱
实践证明,相对电力系统而言,变比200/5以下的普通型TA动热稳定性一般很低.另一方面,正常负荷电流小于一次负荷电流30%（低负荷）运行状态时,计量准确度根本无法满足规定要求.为了满足准确度和动热稳定,考虑加装计量专用TA,其动热稳定电流较普通型有所提高.例如：20/5的专用TA热稳定电流5 kA,热稳定电流持续时间2s,动稳定电流12.5 kA,其值远大于普通型动热稳定电流.在江路线馈线事故处理中,选用200/5的TA,作保护用可满足故障时保护动作需求.加装计量专用TA,选择变比为20/5可满足计量需求.
另外,由于专用计量箱内附TV、TA的**度等级为0.2、0.5,误差限值很小,在TA低负荷运行时,可满足0.2、0.5级准确度要求.两种等级计量专用互感器误差限值详见表1.
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由上表可知,TA动热稳定不能满足要求时,可选用较大**带S型的变比等级,使动热稳定性有所增加,比差、角差值有所减少,达到理想的效果.
3.3 装设三次级双变比TA
此种TA二次由相互独立的计量绕组、监控绕组、保护绕组构成,并在绕组上设有中间抽头来改变电流比的大小.特有的构造在一定的范围内较好地解决了低变比计量、高变比保护的目的.同时,由于是双变比,公用的一次绕组导线截面按高电流比选取,对于低变比而言,电流密度存在很大裕度,从而提高了整体过载能力和动热稳定性能.
总之,通过江路线馈线事故引起进线断路器爆炸,这起事故的分析,可以看到：随着电网的发展,在较小负荷的10 kV出线,特别是专线配用的TA不能满足稳定性要求时,可根据实际情况经过定量的计算选取串联电抗器、装设专用TA（计量箱）或三次级双变比TA等措施,来满足故障时保护动作和计量准确性需要,达到**可靠、经济运行的效果.