城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的分析

曾枝

（廣東鷹視能效科技有限公司）

1 引言

由于電力系統(tǒng)的發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等五個環(huán)節(jié)都需要依賴于城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)這一關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。因此，它能否安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，不僅關(guān)系著政府、企業(yè)以及居民的日常工作生活秩序，更與社會的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會建設(shè)有著直接的關(guān)系，為了城市的正常安全生產(chǎn)活動的進(jìn)行，應(yīng)對城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行系統(tǒng)化的了解。但在當(dāng)今城市生產(chǎn)生活中，仍存在著許多安全隱患，在一定程度上危及著人們的生產(chǎn)生活，更有甚者，演變?yōu)榫薮蟮臑?zāi)害，危及人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

2 配電系統(tǒng)繼電保護(hù)概述

繼電保護(hù)的主要作用就是防止因短路故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)造成電氣設(shè)備或供配電系統(tǒng)的損壞，從而提高供電的可靠性。因此，電保護(hù)是變電所二次回路的重要組成部分，也是供電設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容；繼電保護(hù)裝置就是能反映供配電系統(tǒng)中電氣設(shè)備發(fā)生的故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)，并能動作與斷路器跳閘或啟動信號裝置發(fā)出預(yù)警信號的一種裝置。其過流保護(hù)裝置的接線方式如圖1所示。

圖1 過流保護(hù)裝置的接線方式

3 10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的基本類型

一座城市的電力系統(tǒng)是否安全、可靠運(yùn)行在很大程度上依靠于城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的性能好壞。電力系統(tǒng)本身是一個系統(tǒng)化，程序化的科學(xué)裝置。正如圖2所示，在一個電力系統(tǒng)中一旦出現(xiàn)短路的故障，電壓和電流會發(fā)生相應(yīng)的變化，具體表現(xiàn)在：電流急劇增大、電壓急劇下降同時(shí)電壓與電流的相位角會發(fā)生變化。因此，在進(jìn)行城市配電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)時(shí)可結(jié)合電路本身帶有的物理特性，進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，從而滿足不同環(huán)境下的配電網(wǎng)保護(hù)裝置的要求。城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置主要包括過負(fù)荷保護(hù)、電流速斷保護(hù)、反時(shí)限過電流保護(hù)、零序電流保護(hù)以及定時(shí)限過電流保護(hù)等幾種保護(hù)措施。這些保護(hù)裝置對電路系統(tǒng)中的過電壓及低電壓進(jìn)行保護(hù)，在反映電流變化的同時(shí)也反映著電壓與電流之間相位角的變化。

4 城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)對其繼電保護(hù)裝置的要求

4.1 具有良好的速動性

速動性是指保護(hù)裝置在電路發(fā)生短路故障時(shí)能夠盡快切斷短路故障。其目的是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減輕故障設(shè)備和線路的損壞程度，從而縮小故障波及范圍，提高自動重合閥和備用電源或備用設(shè)備自動投入的效果等。在電路系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)及時(shí)快速的切斷故障線路，以免波及其他正常運(yùn)行的線路，避免發(fā)生重大災(zāi)害同時(shí)在一定情況下允許保護(hù)裝置帶有一定的延時(shí)切除故障。因此，城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)對其繼電保護(hù)裝置應(yīng)具有良好的速動性的要求，同時(shí)應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)接線以及被保護(hù)元件的具體情況對繼電保護(hù)裝置的速動性進(jìn)行測評。

4.2 具有較高的靈敏性

靈敏性是指針對在設(shè)別或線路的被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生金屬性短路時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)具有必要的靈敏系數(shù)，從而保證在配電系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的原件能夠被迅速檢測出來并做出切斷處理。衡量繼電保護(hù)裝置靈敏性的數(shù)值成為繼電保護(hù)的靈敏系數(shù)，即在電路發(fā)生故障時(shí)通過裝置的故障量和給定的裝置起動值之比。它是考核繼電保護(hù)靈敏性的具體指標(biāo)，在一般的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)與運(yùn)行規(guī)程中，對它都有具體的規(guī)定要求。繼電保護(hù)愈靈敏，愈能可靠地發(fā)映出要求動作的故障或異常狀態(tài)，但同時(shí)也愈易于在非要求動作的情況下產(chǎn)生無動作，因而與繼電保護(hù)裝置要求的選擇性發(fā)生矛盾，需要協(xié)調(diào)處理。事實(shí)上，在配電系統(tǒng)中，配電保護(hù)裝置的靈敏性越強(qiáng)，安全保障也就越高，從而可以為配電系統(tǒng)提高維護(hù)效率提供有利的的信息情報(bào)。

圖2 10kV配電室及變壓器繼電保護(hù)二次線路原理圖

4.3 具有較強(qiáng)的可靠性

可靠性是指繼電保護(hù)裝置保護(hù)該動作是進(jìn)行相應(yīng)的動作，不該動作是阻止相應(yīng)的定做，從而可以確保故障設(shè)備和線路的處于安全狀態(tài)。自動化裝置與繼電保護(hù)的可靠性主要來源于設(shè)備本身的可靠性和設(shè)備功能的可靠性，因此，從這一方面來說，設(shè)備的誤動和拒動幾率是其具體表現(xiàn)。通常來說，單一指標(biāo)無法系統(tǒng)衡量一個繼電保護(hù)裝置的可靠性，一般需要幾個指標(biāo)綜合進(jìn)行衡量評估。可靠性評估的三個基本指標(biāo)分別是平均無故障工作時(shí)間、有效度和成功率，根據(jù)這三個指標(biāo)有效評估出自動化裝置與繼電保護(hù)的可靠性是機(jī)電保護(hù)裝置的關(guān)鍵所在。

4.4 具有可選擇性

選擇性是指首先由故障設(shè)備或線路本身的保護(hù)切除故障，當(dāng)故障設(shè)備或線路本身的保護(hù)或斷路器拒動時(shí)，才允許由相鄰設(shè)備、線路的保護(hù)或斷路器失靈保護(hù)切除故障，從而避免大規(guī)模停電的發(fā)生。通常，一個配電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的選擇性是由保護(hù)方案和整體計(jì)算所決定的。為使繼電保護(hù)裝置在供電系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)有選擇可靠地切除障礙，把停電影響范圍盡可能的縮小，保證非故障設(shè)備能繼續(xù)正常運(yùn)行，有三種方法可以實(shí)現(xiàn)：

（1）按整定動作電流配合，使上下級相鄰保護(hù)裝置的動作電流之比不小于2。

（2）按動作整合時(shí)間配合，使上下級相鄰保護(hù)裝置的動作實(shí)時(shí)限有一定的級差，定時(shí)限級差應(yīng)大于0.5s，定時(shí)限與反時(shí)限之間極差應(yīng)為0.7s以上。

（3）當(dāng)時(shí)限極差不能滿足選擇性要求時(shí)，可采用相對閉鎖、自動重合閘或備用電源自動投入裝置加以彌補(bǔ)。

5 電流保護(hù)分析

5.1 定時(shí)限過電流保護(hù)

為了實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)動作的選擇性，各保護(hù)的動作時(shí)間一般按階梯原則進(jìn)行整合，即相鄰保護(hù)的動作時(shí)間，自負(fù)荷向電源方向逐級增大，且每套保護(hù)的動作時(shí)間是恒定不變的，與短路電流的大小無關(guān)，具有這種動作時(shí)限特性的過電流保護(hù)稱為定時(shí)限過電流保護(hù)。

5.2 定時(shí)限過電流保護(hù)工作原理

正如圖3所示：電流互感器1KA、2KA：電流繼電器WBC：控制小母線FU1、FU2：控制回路熔斷器SA：分合閘操作開關(guān)R：信號燈串聯(lián)電阻HL-G：綠色信號燈HL-R：紅色信號燈YA-N：斷路器合閘線圈YA-F：斷路器跳閘線圈QF：斷路器輔助接點(diǎn)1KS、2KS：信號繼電器KM：中間繼電器KT：時(shí)間繼電器1XB、2XB：掉閘壓板定時(shí)限過流保護(hù)動作原理：定時(shí)限過流保護(hù)，其動作時(shí)限與故障電流之間的關(guān)系表現(xiàn)為定時(shí)限特性，即繼電器保護(hù)動作時(shí)限與系統(tǒng)短路電流的數(shù)值大小無關(guān)，只要系統(tǒng)故障電流轉(zhuǎn)換成保護(hù)裝置中的電流，達(dá)到或超過保護(hù)的整定電流值，繼電保護(hù)就以固有的整定時(shí)限動作，使斷路器掉閘，切除故障。當(dāng)主電路出現(xiàn)過電流時(shí)，電流繼電器3KA或4KA線圈獲電，繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，使時(shí)間繼電器KT開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束。KT的常開觸點(diǎn)（延時(shí)）閉合，并接通信號繼電器2KS及跳閘線圈YA-F，從而實(shí)現(xiàn)斷路器掉閘。速斷保護(hù)是由電流繼電器1KA或2KA控制中間繼電器KM動作的（動作無延時(shí)），當(dāng)1KA或2KA常開觸點(diǎn)閉合，KM線圈獲電后，KT的常開觸點(diǎn)閉合，并接通信號繼電器1KS及跳閘線圈YA-F，從而實(shí)現(xiàn)斷路器掉閘。電流回路中，1KC、2KC為速斷保護(hù)元件，有較大的整定電流。3KC、4KC為過電流保護(hù)元件，有較小的整定電流。串接于同一電流互感器回路。在正常情況下，繼電器均流過負(fù)荷電流，由于負(fù)荷電流小于速斷保護(hù)元件和過電流保護(hù)元件的整定值，繼電器不起動，保護(hù)不動作，斷路器不跳閘。當(dāng)變壓器低壓出線發(fā)生短路故障時(shí)，3KC（4KC）起動，接通時(shí)間元件KT，開始汁算時(shí)間，過電流保護(hù)元件動作順序如下：3KC（4KC）→KT（線圈）→KT延時(shí)閉合接點(diǎn)→2KS→2XB→YR變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘。當(dāng)變壓器高壓側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，速斷保護(hù)元件1KC、2KC起動，速斷保護(hù)元件動作順序如下：1KC（2KC）→KA→1KS→lXB→YR斷路器跳閘，切除故障點(diǎn)。

圖3 定時(shí)限過電流保護(hù)原理圖

6 結(jié)束語

發(fā)展水平的提高，城市化進(jìn)程的不斷加快，保證城市用電系統(tǒng)的有序運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的關(guān)鍵所在。城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置是有效預(yù)防電網(wǎng)突發(fā)事件產(chǎn)生，將危險(xiǎn)因子扼制在萌芽狀態(tài)的核心。在城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中，各種類型的電氣設(shè)備通過電氣線路緊密地聯(lián)合在一起，因此，應(yīng)正確設(shè)置利用繼電保護(hù)裝置來促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

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