10kV配電系統(tǒng)綜合繼電保護配置

黃菁

摘要：智能電力網(wǎng)架中的繼電保護配置是目前數(shù)字化變電站發(fā)展的關(guān)鍵，本文主要對數(shù)字化變電站中配電系統(tǒng)的繼電保護裝置進行研究，在分析已有的兩種繼電保護配置方案的基礎(chǔ)上，對某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)的繼電保護配置現(xiàn)狀加以分析，對于其存在的一系列問題提出一種新的解決方案，并具體探討了方案中主變保護、間隔保護以及電子式互感器保護配置方案的實現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站;10kV配電系統(tǒng);繼電保護;配置方案

1.城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中繼電保護的簡介

繼電保護是對電力系統(tǒng)中發(fā)生的故障或異常情況進行監(jiān)測，在有異常情況時發(fā)出報警信號，或直接將故障部分隔離、切除的一種重要措施。

在10kV配電系統(tǒng)中，通過安裝繼電保護裝置，對相關(guān)元件的運行質(zhì)量進行實時的監(jiān)測，一旦電路出現(xiàn)異常狀態(tài)時，要求繼電保護裝置及時做出反映，防止電氣事故的波及范圍擴大。城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中的繼電保護裝置在技術(shù)上一般應(yīng)滿足四個基本要求，即可靠性、選擇性、靈敏性和速動性。由于城市電力系統(tǒng)容量的持續(xù)擴大，同時要求繼電保護裝置擁有合格的通信技術(shù)，確保各繼電保護裝置間的高效配合。

2. 城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護配置的分析

2.1數(shù)字化配電系統(tǒng)繼電保護優(yōu)勢

母線承擔(dān)著變電站內(nèi)各級電壓配電裝置和各種電氣設(shè)備的連接任務(wù)，分布式母線保護在信息的一致性與通信功能上均提出了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，但常規(guī)變電站體系的構(gòu)造無法實現(xiàn)這個標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化變電站中母線的保護在設(shè)計上清理了出口繼電器與復(fù)壓閉鎖式單元等設(shè)備，精簡了母線的保護邏輯。針對主變壓器的智能保護，其采用雙套保護的配置和直接采樣的模式，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)將分段斷路器及閉鎖備用自投進行連接，接受失靈保護的跳闡命令，實現(xiàn)失靈保護各側(cè)斷路器的跳閘功能。在線路保護方面，GOOSE網(wǎng)絡(luò)還能實現(xiàn)啟動斷路器后完成斷路器失靈保護及重合閘等功能。

2.2配電系統(tǒng)繼電保護方案的選擇

2.2.1常規(guī)數(shù)字化保護配置

常規(guī)保護方案中的裝置通常以互感器為核心在間隔層中進行裝配和組裝，其在結(jié)構(gòu)上主要分為變壓器保護、母線保護等邏輯結(jié)構(gòu)，有的保護裝置中需要對交流插件進行替換，通過GOOSE等數(shù)據(jù)采集光纖實現(xiàn)接口插件的替換，包括模擬量等接口插件也需要經(jīng)由CPU插件實現(xiàn)替換。

常規(guī)的數(shù)字化保護配置方案作為向系統(tǒng)數(shù)字化保護的過渡方案，其以單個元件的保護作為基礎(chǔ)，具有豐富的運行經(jīng)驗，但是其技術(shù)缺陷在于具有相對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，一定程度上減弱了數(shù)字化變電站的技術(shù)優(yōu)勢，但其在實際中擁有較為廣泛的應(yīng)用場景，具體布置見下圖2-1。

2.2.2系統(tǒng)數(shù)字化保護配置

智能變電站技術(shù)在IEC61850通信規(guī)約得以使用后有了重大突破和進展，許多變電站的內(nèi)部元件借助該規(guī)約可以實現(xiàn)信息互通與共享，從而變成了系統(tǒng)的數(shù)字化保護。系統(tǒng)數(shù)字化保護配置方案要求各設(shè)備的組裝遵循雙重化原則，不同設(shè)備的繼電保護均需配備保護屏和測控屏，且在線路保護和變電器保護中還增加了A、B兩套保護方案，彼此均可獨立發(fā)揮相應(yīng)邏輯保護功能。因此該繼電保護配置方案在不同設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建上更加簡單，而且可以實現(xiàn)信息共享，實現(xiàn)更高的可靠性。具體部署結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示。

下面將重點以某城市電網(wǎng)中采用的系統(tǒng)數(shù)字化保護配置方案進行論述，說明該方案的配置實現(xiàn)和技術(shù)特點。

3.某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護方案及優(yōu)化實現(xiàn)

3.1某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護現(xiàn)狀分析

3.1.1某電網(wǎng)繼電保護配置情況

某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)采用的是階段式保護方式，由于該電網(wǎng)的負荷多為一類負荷，對供電的可靠性要求很高，為了避免因瞬時故障導(dǎo)致輸電線路停電，某電網(wǎng)采用了階段式保護的II、III段，具體配置情況如下：

（1）一般出線保護配置為：

1）電流II、III段保護;2）帶后加速的三相一次重合閘;3）過負荷保護;

（2）雙側(cè)電源線路和站與站之間的互為備用線路保護配置為：

1）方向閉鎖電流II、III段保護;2）低電壓方向閉鎖電流III段保護;3）過負荷保護;

（3）變電站之間的聯(lián)絡(luò)線保護配置為：

1）線路縱聯(lián)差動保護;2）方向閉鎖電流III段保護;3）過負荷保護。

某電網(wǎng)采用階段式電流II段保護作為線路的主保護，電網(wǎng)發(fā)生故障時，故障切除時間最短0.3秒，最長0.6秒，繼電保護的快速性能尚有可以完善的空間。

3.1.2某電網(wǎng)配電系統(tǒng)繼電保護存在的故障與問題

某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)所遇到的故障及存在的問題主要包括如下幾點：

1）10kV配電系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)短路電流，很容易導(dǎo)致電流互感器的變比誤差出現(xiàn)持續(xù)增大，進而使得二次側(cè)電流難以反映配電系統(tǒng)中的真實故障電流;

2）由于沒有采用自動化開關(guān)，且配電系統(tǒng)多使用負荷開關(guān)加熔斷器組合實現(xiàn)對設(shè)備的開關(guān)保護，運行線路故障跳閘后會使得備用線路難以自動投入，最終導(dǎo)致用戶側(cè)停電時間過長;

3）配電系統(tǒng)中帶時限速斷保護的保護范圍因為拓展至變電站變壓器內(nèi)部，使得動作開關(guān)跳閘后，難以對故障點的準(zhǔn)確位置進行判斷，進而使得運行人員對故障的處理難度增加，變電站供電時間的恢復(fù)時間也相應(yīng)延長;

4）帶時限的速斷保護在配電系統(tǒng)的線路中作為主保護，其保護動作時間最長達到0.6s，難以實現(xiàn)繼電保護的速動性，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)斷電故障，電網(wǎng)低壓的時間過長，對電機正常運行轉(zhuǎn)速有較大影響。

3.2某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護方案的優(yōu)化設(shè)計

為有效解決上述某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護中存在的現(xiàn)實問題，本文認(rèn)為在10kV配電系統(tǒng)中可通過系統(tǒng)數(shù)字化配置方案對其繼電保護部分進行優(yōu)化改進，具體實現(xiàn)如下：

3.2.1相關(guān)設(shè)備及選型

10kV配電系統(tǒng)繼電保護配置方案的核心設(shè)備采用復(fù)合絕緣小型化智能開關(guān)柜，內(nèi)裝真空斷路器，受電及分段回路額定電流3150A，額定短路開斷電流31.5kA;其它回路額定電流1250A，額定短路開斷電流25kA。

其中10kV限流電抗器選用干式空芯設(shè)備，戶內(nèi)安裝，額定電流3000A，電抗率8%。

10kV旁路限流器選擇10kV限流電抗器并接旁路限流器方式，額定電流3000A。

10kV限流電抗器前安裝干式電流互感器，具體參數(shù)為6000/1A，精度為5P10，容量10VA。

10kV隔離開關(guān)選用戶內(nèi)型設(shè)備，額定電流6000A。

10kV電容器組選用成套框架式裝置，采用單星形接線、不平衡。

10kV并聯(lián)電抗器選用干式鐵芯設(shè)備，戶內(nèi)安裝，容量為10000kvar。

電壓保護方案為：每臺主變補償3組，每組容量為8016kvar，2組串12%干式鐵芯電抗器，另1組串5%干式鐵芯電抗器。

3.2.2繼電保護配置方案的實現(xiàn)

為了確保可靠性，將10kV及以上主變與線路的測控、保護功能分為兩個裝置來實現(xiàn)，繼電保護配置方案示意圖如圖3-1。繼電保護配置方案具體如下：

（1）主變保護配置方案

1）主變保護單套配置包括主保護獨立配置和具有集成測控的后備保護獨立配置，其中數(shù)字化電度表配置位于主變保護各側(cè)，同時配備了設(shè)備組屏。

2）保護裝置中，設(shè)置MMS以太網(wǎng)通訊接口實現(xiàn)同站控層之間的通訊過程。

3）保護直接采樣和跳閘，其中保護裝置接口應(yīng)符合直采直跳技術(shù)要求，并通過9-2規(guī)約實現(xiàn)保護單元與合并單元之間的通信過程，其中GOOSE規(guī)約則用于完成同智能終端間的通信過程。

4）主變本體的端子箱中配置智能終端，在本體內(nèi)實現(xiàn)主變的電量保護、檔位遙控以及溫度采集，非電量保護的跳閘則通過電纜直跳各側(cè)斷路器來完成。

（2）線路間隔保護配置方案

1）保護測控的一體化裝置在10kv配電系統(tǒng)的線路、分段、站控層以及電容器中進行配置，而合并單元和終端各項智能功能則通過在間隔開關(guān)柜內(nèi)進行安裝完成集成，具體如下圖3-2。

2）保護測控裝置通過站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同各設(shè)備之間進行通信。

3）不同間隔處均配備有電度表，其支持小信號的模擬輸入，在開關(guān)柜中負責(zé)顯示。

（3）電子式互感器配置方案

由于運用調(diào)節(jié)信息接口的采集周期，電子式互感器可精確、實時的進行數(shù)據(jù)的分析和記錄。

1）主變進線間隔GIS以及10kV線路均配置電子式電流互感器。電子式電流互感器為數(shù)字量輸出模式;

2）10kV母線配置電子式電壓互感器;電子式電壓互感器為數(shù)字量輸出模式。

3）10kV線路、分段、站用變和電容器間隔均配置電壓電流一體化互感器，該互感器模擬小信號輸出，各間隔開關(guān)柜內(nèi)均安裝該互感器，采集所需電氣量。

4.結(jié)語

總體而言，在未來為了保障城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)的正常運行，必須正確設(shè)置繼電保護裝置，并準(zhǔn)確整定各項相關(guān)定值，確保城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)的合理運行。

參考文獻

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