配電變壓器380 V 低壓側(cè)單相接地保護(hù)的配置探討

　　隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的加速，10 /0. 4 kV 配電變壓器的應(yīng)用也越來越廣泛，對(duì)其的保護(hù)一般習(xí)慣性裝設(shè)速斷保護(hù)、過流保護(hù)、高壓側(cè)單相接地報(bào)警，對(duì)于低壓側(cè)單相接地保護(hù)，有些企業(yè)一概配置低壓側(cè)中性點(diǎn)零序電流互感器和專用單相接地保護(hù)，有些單位又一概不單獨(dú)配置專用低壓?jiǎn)蜗嘟拥乇Ｗo(hù)，而用高壓側(cè)三相過電流保護(hù)來兼顧，到底應(yīng)該怎樣配置才更合理，本文對(duì)此進(jìn)行分析說明。

　　1 規(guī)程要求

　　由GBT 50062—2008 《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)配電變壓器低壓側(cè)單相接地保護(hù)的要求可知，低壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地的變壓器需要裝設(shè)單相接地保護(hù)，保護(hù)的具體實(shí)現(xiàn)方法需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況具體分析。

　　低壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地的變壓器，不論是星型－ 星型接線還是三角－ 星型接線，首推用高壓側(cè)三相式過電流保護(hù)來兼低壓側(cè)單相接地保護(hù)，原因有:① 高壓側(cè)三相式過電流保護(hù)在靈敏度滿足要求的前提下，既起到保護(hù)變壓器高壓側(cè)過電流的保護(hù)作用，同時(shí)完成了變壓器低壓側(cè)單相接地保護(hù)的功能，大大節(jié)約了整個(gè)變壓器的運(yùn)行成本，可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益;② 考慮到供電半徑和符合分布情況，這類變壓器多布置在緊鄰低壓負(fù)荷中心，而相對(duì)遠(yuǎn)離高壓開關(guān)柜，有些項(xiàng)目甚至距離高壓開關(guān)柜幾百m 的距離，如果用低壓側(cè)中性點(diǎn)安裝零序保護(hù)來實(shí)現(xiàn)，該保護(hù)的安裝位置有困難，跳閘出口接線拉得比較長(zhǎng)，對(duì)變壓器安全運(yùn)行帶來隱患，不利于變壓器的經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行。

　　2 理論分析

　　不同接線方式變壓器低壓側(cè)單相接地短路分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算，考慮到高壓系統(tǒng)到變壓器的電纜阻抗對(duì)低壓側(cè)單相接地短路分析影響不大，本文直接將高壓電纜部分的阻抗歸算到高壓系統(tǒng)阻抗中。

　　對(duì)于三相短路，由于已經(jīng)假定系統(tǒng)是對(duì)稱的，只有正序分量，因此，不需要特別強(qiáng)調(diào)序阻抗的概念;對(duì)于單相接地短路，必須提出序阻抗和相保阻抗的概念。由于短路點(diǎn)離發(fā)電機(jī)較遠(yuǎn)，可認(rèn)為所有元件的負(fù)序阻抗等于正序阻抗，而零序阻抗與正序、負(fù)序阻抗不同，必須單獨(dú)分計(jì)算。對(duì)于零序阻抗，星型－ 星型接線和三角－ 星型接線的配電變壓器，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，零序電流不能在變壓器高壓繞組流通，高壓側(cè)對(duì)于零序電流相當(dāng)于開路狀態(tài)，故在計(jì)算單相接地短路電流時(shí)視若無此阻抗。

　　本文考慮配電變壓器低壓側(cè)母線單相接地短路，因此，需要計(jì)算以下三部分阻抗。

　　(1) 高壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)按如下估算:

　　式中Ss———變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量，MVA

　　Un———變壓器低壓側(cè)標(biāo)稱電壓，0. 38 kV

　　c———電壓系數(shù)，計(jì)算三相短路電流時(shí)取1. 05，計(jì)算單相短路電流時(shí)取1. 0

　　Zs———?dú)w算到變壓器低壓側(cè)的高壓系統(tǒng)阻抗，mΩ

　　Xs———?dú)w算到變壓器低壓側(cè)的高壓系統(tǒng)電抗，mΩ

　　Rs———?dú)w算到變壓器低壓側(cè)的高壓系統(tǒng)電阻，mΩ

　　對(duì)于TN 接地系統(tǒng)的相保電阻和相保電抗分別為

　　式中Xphp. s———?dú)w算到變壓器低壓側(cè)的高壓系統(tǒng)電抗，mΩ

　　Rphp. s———?dú)w算到變壓器低壓側(cè)的高壓系統(tǒng)電阻，mΩ

　　(2) 配電變壓器。正序阻抗的計(jì)算如下

　　式中ΔP———變壓器短路損耗，kW

　　Ur———額定線電壓，kV

　　SrT———變壓器額定容量，MVA

　　ud%———變壓器阻抗電壓百分比

　　變壓器的負(fù)序阻抗等于正序阻抗。Y，yn0 連接的變壓器的零序阻抗比正序阻抗大得多，其值由制造廠通過測(cè)試提供;D，yn11 連接的變壓器的零序阻抗若無測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)，可取其值等于正序阻抗值。

　　Y，yn0 連接變壓器的相保電阻和相保電抗分別為：

　　D，yn11 連接變壓器的相保電阻和相保電抗為

　　(3) 低壓母線。導(dǎo)線電阻為

　　式中Rθ———導(dǎo)線溫度為θ ℃時(shí)的直流電阻，Rθ=ρθCjL/A

　　ρθ———導(dǎo)線溫度為θ ℃時(shí)的電阻率，ρθ =ρ20［1 + α(θ － 20)］

　　Cj———絞入系數(shù)，單股導(dǎo)線為1，多股導(dǎo)線為1. 02

　　ρ20———導(dǎo)線溫度為20 ℃時(shí)的電阻率，鋁線芯為2. 82 μΩ · μm，銅線芯為1. 722 μΩ·μm

　　α———電阻溫度系數(shù)，銅、鋁都取0. 004

　　θ———導(dǎo)線實(shí)際工作溫度，℃

　　kjf———集膚效應(yīng)系數(shù)，查表獲得

　　klj———臨近效應(yīng)系數(shù)，母線取1. 03

　　為了簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算導(dǎo)線電抗時(shí)，忽略線路容抗，只計(jì)算線路感抗。

　　對(duì)于50 Hz 系統(tǒng)，母線的感抗計(jì)算公式如下：

　　式中Dj———幾何均距，cm

　　b———母線厚度，cm

　　h———母線寬度，cm

　　以上為線路、母線的線路阻抗( 正序、負(fù)序)的計(jì)算方法，對(duì)于相線、保護(hù)線的零序電阻和零序電抗的計(jì)算方法與正、負(fù)序電阻、電抗計(jì)算方法相同，只是在計(jì)算相線零序電抗X(0)ph和保護(hù)線零序電抗X(0)p時(shí)幾何均距Dj改用D0代替。D0 =為相線L1、L2、L3中心至保護(hù)線PE 或PEN 線中心的距離。

　　對(duì)于單相接地短路，母線的相保電阻和相保電抗分別為：

　　3 計(jì)算示例

　　下面由一個(gè)計(jì)算實(shí)例來說明變壓器低壓側(cè)單相接地保護(hù)的配置原則和特點(diǎn)。

　　某車間變電所變壓器為SCB9 － 1 000 kVA，10 /0. 4 kV，ud = 6%，ΔPk = 7. 6 kW，過負(fù)荷系數(shù)為3，在變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)短路容量S smin =200 MVA，變壓器的接線形式分別為D，yn11 和Y，yn0，低壓380 V 母線平行豎放，母線間距350mm，中性線距邊母線200 mm，其他參數(shù)見圖中如圖1 所示，以下分別進(jìn)行變壓器低壓母線處發(fā)生單相接地短路保護(hù)的配置及靈敏度的計(jì)算。

圖1 變電器示意圖

　　根據(jù)以上參數(shù)，由式(1) ～ (5)計(jì)算得到系統(tǒng)的相電阻Rs、相電抗Xs、相保電阻Rphps、相保電抗Xphps;由式(6) ～ (8)、(11)、(12)計(jì)算得到變壓器的相電阻RT、相電抗XT、D，yn11 連接型式的相保電阻RphpT、相保電抗XphpT，對(duì)于Y，yn0 連接的變壓器的零序阻抗比正序阻抗大得多，其值由制造廠通過測(cè)試提供，因此，其相保電阻RphpT、相保電抗XphpT根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)查表得出;由式(13) ～(16)計(jì)算得到低壓母線20 ℃時(shí)的相電阻Rm、相電抗Xm、相保電阻Rphpm、相保電抗Xphpm，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 20 ℃時(shí)低壓母線參數(shù)表

　　根據(jù)表1 數(shù)據(jù)計(jì)算得變壓器低壓側(cè)母線故障的阻抗、短路電流、過電流保護(hù)和低壓?jiǎn)蜗嘟拥乇Ｗo(hù)的數(shù)值如表2 所示。

　　由示例分析可得，對(duì)于相同容量、相同電壓比和相同百分比的電抗，只是接線型式不一樣的配電變壓器，高壓側(cè)的短路電流和保護(hù)形式、定值是沒有差別的，計(jì)算完全一樣。D，yn11 接線的變壓器和Y，yn0 接線的變壓器主要差別在于變壓器的零序阻抗。Y，yn0 接線的變壓器由于與低壓系統(tǒng)有電的聯(lián)系，其零序阻抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正序阻抗，從而導(dǎo)致相保電阻和相保電抗值也很大;而D，yn11 接線變壓器的零序阻抗值與正序阻抗差別不大，估算時(shí)可以取值等于正序阻抗值，對(duì)應(yīng)的相保電阻和相保電抗值與相電阻、相電抗值相等。

表2 低壓側(cè)母線故障計(jì)算數(shù)值表

　　由表2 可以看出:D，yn11 接線變壓器的相保電阻RphpT = RT = 1. 22 mΩ， 相保電抗XphpT = XT = 9. 52 mΩ;而Y，yn0 接線