呼和浩特配網(wǎng)保護(hù)配合研究

內(nèi)蒙古呼和浩特供電局 白利軍

呼和浩特10千伏配電網(wǎng)現(xiàn)狀

內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)10千伏配網(wǎng)屬于低壓配電網(wǎng)，該配網(wǎng)線路多采用放射狀或樹形供電方式，具有線路多、供電半徑長(zhǎng)、覆蓋范圍廣、運(yùn)行自然條件復(fù)雜等特點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，當(dāng)?shù)?0千伏配網(wǎng)負(fù)荷激增，線路故障也頻繁出現(xiàn)，并且在出現(xiàn)故障時(shí)，經(jīng)常會(huì)造成全線停電，影響極為惡劣，也帶來巨大損失。要提升當(dāng)?shù)嘏潆娋€路可靠性，保障供電質(zhì)量，必須在配網(wǎng)線路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)投入保護(hù)，這樣在發(fā)生故障時(shí)可以減小停電范圍，縮短停電時(shí)間。

當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)保護(hù)應(yīng)用情況

受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等方面影響，呼和浩特地區(qū)配電網(wǎng)系統(tǒng)10千伏線路主要采用速斷保護(hù)、過流保護(hù)以及重合閘投入等保護(hù)方式，從而實(shí)現(xiàn)三段保護(hù)相互配合，提升系統(tǒng)的可靠性。

以黑河變10千伏951根堡線為例，黑河變主變?yōu)?8000 千伏安，高低短路壓降為25%。根據(jù)呼和浩特地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行方式可以確定，黑河變10 千伏側(cè)短路容量為291兆伏安，短路電流為16千安。

10 千伏根堡線路全長(zhǎng)約為63 千米，主線路長(zhǎng)14.56 千米。分支線路最小短路電流線路長(zhǎng)度為17 千米，10 千伏線路每千米電抗平均值取0.35 歐姆。IkLLL=Ur/√3ZL，ZL=√R2L+X2L，IkLL=0.87IkLLL，線路末端兩相最小短路電流約為885安。

10千伏根堡線路共有25臺(tái)分界開關(guān)、135臺(tái)變壓器，其中主線路6臺(tái)柱上斷路器，分別裝設(shè)在10號(hào)、54號(hào)、82號(hào)、115號(hào)、144號(hào)、194號(hào)。各斷路器側(cè)兩相短路電流分別為7.9 千安、3.02 千安、2.17 千安、1.63千安、1.34千安、1.02千安。

目前，10千伏根堡線路存在問題如下。

1.變電站出口速斷設(shè)置為1800安，0秒。過流設(shè)置為450 安，0.6 秒。如果8.75 千米內(nèi)發(fā)生三相短路或7.43 千米內(nèi)發(fā)生兩相短路，短路電流均會(huì)超過1800安，發(fā)生越級(jí)跳閘導(dǎo)致變電站出口短路保護(hù)動(dòng)作。

2.線路負(fù)載135 臺(tái)變壓器，總?cè)萘繛?1650 千伏安，重合閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生5～8倍空載電流的勵(lì)磁涌流，會(huì)導(dǎo)致重合閘不成功。

整改后變電站出口速斷整定值調(diào)整為7 號(hào)桿處短路電流為8.88千安，過流延時(shí)整定為990安，0.3秒。過流保護(hù)三段設(shè)置為300 安，0.6 秒，為實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)配合留出整定空間。

主線路分段斷路器及各分支分界斷路器速斷保護(hù)設(shè)置為線路長(zhǎng)度70%處短路電流，過流設(shè)置為線路全長(zhǎng)加下一段線路15%處短路電流（考慮后備保護(hù)），延時(shí)0.04 秒。傳動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試速斷保護(hù)總動(dòng)作時(shí)間為80 毫秒，過流動(dòng)作時(shí)間為120毫秒，通過通訊實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)區(qū)域選擇性，保證下級(jí)斷路器優(yōu)先保護(hù)動(dòng)作（分支分界開關(guān)與主線路分段開關(guān)電流與時(shí)間設(shè)置值相同，仍然下級(jí)斷路器先動(dòng)作）。過流保護(hù)三段根據(jù)實(shí)際負(fù)載電流情況及線路載流量進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置原則為Ib≤In≤Iz，并驗(yàn)證短路時(shí)斷路器允通能量小于線纜允通能量。配電網(wǎng)保護(hù)一般包括如下三種情況。

（一）速斷保護(hù)

1.傳統(tǒng)速斷保護(hù)作用于線路短路時(shí)，瞬時(shí)動(dòng)作切除故障，整定電流值最大，延時(shí)最短為保護(hù)裝置的響應(yīng)時(shí)間。其保護(hù)范圍約為線路全長(zhǎng)的70%。必須考慮變壓器勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的保護(hù)動(dòng)作。

2.過去很長(zhǎng)一段時(shí)間，內(nèi)蒙古地區(qū)配電網(wǎng)架空線路保護(hù)裝置裝設(shè)有限，柱上斷路器配置較少，為了保護(hù)主變，變電站10千伏出口斷路器速斷保護(hù)整條線路的70%。

3.隨著配網(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展，架空及電纜線路裝設(shè)了很多帶有保護(hù)裝置的智能斷路器及智能環(huán)網(wǎng)柜。通過交接及預(yù)防性試驗(yàn)測(cè)得這些保護(hù)裝置與變電站保護(hù)裝置響應(yīng)時(shí)間一致。柱上斷路器、環(huán)網(wǎng)柜斷路器分閘時(shí)間也是≤50毫秒，機(jī)械特性參數(shù)與變電站10 千伏斷路器基本一致，而且部分重要斷路器互感器裝設(shè)為羅氏線圈互感器，不會(huì)產(chǎn)生磁飽和，保證保護(hù)采集故障電流的可靠性。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，配網(wǎng)線路保護(hù)水平與主網(wǎng)10 千伏側(cè)出口保護(hù)相差無幾， 所以提出變電站出口速斷保護(hù)無需保護(hù)整條線路全長(zhǎng)的70%，只需保護(hù)至下一臺(tái)斷路器線路全長(zhǎng)的70%即可。

（二）過流保護(hù)

過流保護(hù)作為線路的后備保護(hù)，增加動(dòng)作時(shí)限，與速斷保護(hù)配合，可保護(hù)到下一臺(tái)斷路器之間的線路全長(zhǎng)，直至不超過這臺(tái)斷路器速斷保護(hù)范圍。

主線路分段開關(guān)保護(hù)設(shè)置情況表

（三）投運(yùn)重合閘裝置

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，配網(wǎng)線路80%～90%的故障為瞬時(shí)性故障，且架空線路故障較多，故采用重合閘裝置以快速恢復(fù)瞬時(shí)性故障。重合閘需要考慮多臺(tái)變壓器同時(shí)通電產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。

由于配網(wǎng)自動(dòng)化及邊緣計(jì)算終端的發(fā)展，每個(gè)邊緣計(jì)算保護(hù)裝置均通過通訊將一個(gè)閉鎖信號(hào)發(fā)送至其上級(jí)保護(hù)裝置（即靠近電源側(cè)沿電流方向）。不需設(shè)置時(shí)限差，就可以通過閉鎖信號(hào)保證下級(jí)斷路器保護(hù)動(dòng)作。

保護(hù)裝置與斷路器是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它們?cè)谙到y(tǒng)發(fā)生故障時(shí)將故障設(shè)備切除，使非故障設(shè)備能安全運(yùn)行。

當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)保護(hù)實(shí)際情況

（一）保護(hù)級(jí)數(shù)太多，分級(jí)時(shí)限難以配合

從變電站出口到10千伏變壓器進(jìn)線處需經(jīng)多臺(tái)環(huán)網(wǎng)柜、數(shù)級(jí)斷路器，而斷路器分閘時(shí)間是50～70毫秒，變電站出口短路保護(hù)時(shí)間常規(guī)設(shè)定為0.0～0.3秒。實(shí)際應(yīng)用中按時(shí)間配合，分級(jí)時(shí)限極短，難以實(shí)現(xiàn)選擇性，尤其0.1秒以下不能考慮時(shí)間—電流選擇性。

1.速斷保護(hù)（電流選擇性）。

短路發(fā)生點(diǎn)離變電站越近，短路電流就越大。所以，保護(hù)定值至保護(hù)門限值，就可以隔離故障發(fā)生點(diǎn)，因?yàn)樨?fù)載側(cè)短路點(diǎn)的故障電流一般低于電源側(cè)保護(hù)定值，從而不會(huì)導(dǎo)致負(fù)載側(cè)發(fā)生故障時(shí)電源側(cè)保護(hù)裝置立即保護(hù)動(dòng)作。

2.過流保護(hù)（時(shí)間—電流選擇性）。

過流保護(hù)是由時(shí)間和電流進(jìn)行配合的，也就是說時(shí)間—電流選擇性由電流選擇性發(fā)展過來。使用該保護(hù)配合時(shí)，保護(hù)裝置的動(dòng)作既取決于電流也取決于電流持續(xù)時(shí)間：經(jīng)過設(shè)定的延遲時(shí)間，故障電流值將使保護(hù)裝置動(dòng)作，但僅允許故障點(diǎn)的保護(hù)設(shè)備跳閘，隔離故障點(diǎn)。所以，時(shí)間—電流配合采用的整定方法是逐級(jí)增大電流設(shè)定門限值和靠近主電源程度延長(zhǎng)跳閘時(shí)間。上下級(jí)的保護(hù)裝置整定時(shí)間延時(shí)級(jí)差需考慮用于檢測(cè)和消除故障的時(shí)間和電源側(cè)裝置過沖的時(shí)間（即使故障已經(jīng)結(jié)束，保護(hù)設(shè)備仍會(huì)跳閘的時(shí)間）之和。

3.區(qū)域選擇性。

區(qū)域選擇性由時(shí)間—電流選擇性發(fā)展而來，可分為直接保護(hù)型或間接保護(hù)型。通常通過電流測(cè)量裝置之間的對(duì)話實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)到超出設(shè)定門限的電流值時(shí)，能夠正確識(shí)別故障區(qū)域，并切斷故障區(qū)域的供電。

當(dāng)電流值超出設(shè)定門限值時(shí)，每個(gè)保護(hù)裝置均通過通訊將一個(gè)閉鎖信號(hào)發(fā)送至上級(jí)保護(hù)裝置（即靠近電源側(cè)沿電流方向）。同時(shí)，斷路器脫扣動(dòng)作的前提是其負(fù)載側(cè)保護(hù)裝置未發(fā)出類似閉鎖信號(hào)。因此，只有最靠近故障點(diǎn)電源側(cè)的保護(hù)裝置才會(huì)動(dòng)作。

與時(shí)間—電流選擇性相比較，愈靠近電源愈增加延遲的必要性有所降低。因延時(shí)時(shí)間只需大于負(fù)載側(cè)保護(hù)裝置閉鎖信號(hào)的存續(xù)時(shí)間即可（指已檢測(cè)出的非正常狀態(tài)存續(xù)時(shí)間加信號(hào)傳輸所需時(shí)間）。

無需在靠近電源的過程中逐步增大延時(shí)時(shí)間。因延時(shí)時(shí)間只需大于負(fù)載側(cè)的保護(hù)裝置閉鎖信號(hào)的存續(xù)時(shí)間即可（指已檢測(cè)出的非正常狀態(tài)存續(xù)時(shí)間加信號(hào)傳輸所需的時(shí)間）。

與時(shí)間—電流選擇性相比，區(qū)域選擇性的優(yōu)點(diǎn)在于：減少脫扣時(shí)間，提高安全裕度，脫扣時(shí)間約為100 毫秒；減少故障和干擾對(duì)電網(wǎng)造成的損壞；減少斷路器上的熱應(yīng)力和電動(dòng)力；允許更多的選擇性層面。

主線路分段斷路器及各分支分界斷路器速斷保護(hù)設(shè)置為線路長(zhǎng)度的70%處短路電流，過流設(shè)置為線路全長(zhǎng)短路電流（考慮后備保護(hù)），延時(shí)0.04秒。傳動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試速斷保護(hù)總動(dòng)作時(shí)間為80 毫秒，過流動(dòng)作時(shí)間為120 毫秒，通過通訊實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)區(qū)域選擇性，保證下級(jí)斷路器優(yōu)先保護(hù)動(dòng)作（分支分界開關(guān)與主線路分段開關(guān)電流與時(shí)間設(shè)置值相同仍然下級(jí)斷路器先動(dòng)作）。過流保護(hù)三段根據(jù)實(shí)際負(fù)載電流情況及線路載流量進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置原則為Ib≤In≤Iz，并驗(yàn)證短路時(shí)斷路器允通能量小于線纜允通能量。

（二）線路保護(hù)裝置與限流熔斷器的配合

保護(hù)裝置依靠時(shí)間級(jí)差實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性，會(huì)導(dǎo)致故障的切除時(shí)間過長(zhǎng)而影響設(shè)備壽命和恢復(fù)供電時(shí)間，此時(shí)限流熔斷器在配網(wǎng)選擇性配合與設(shè)備保護(hù)中起到至關(guān)重要的作用。

1.熔斷器作為一種重要且經(jīng)濟(jì)有效的系統(tǒng)與設(shè)備保護(hù)方式已經(jīng)存在上百年了，連同其他保護(hù)設(shè)備，如斷路器等一起在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的保護(hù)作用。

所有的中壓熔斷器在熔體熔斷后都會(huì)通過一定周期的故障電流，限流熔斷器一般是內(nèi)置一個(gè)很長(zhǎng)的高熔點(diǎn)熔體（銀或銅），纏繞在一個(gè)絕緣支撐芯上，熔體上設(shè)置有多個(gè)鏤空點(diǎn)，全部密封于高強(qiáng)度纖維外殼內(nèi)，使得總體尺寸較為緊湊，在其內(nèi)填充石英砂材料。

當(dāng)較高的故障電流（千安級(jí)）發(fā)生時(shí)，熔體在多個(gè)斷點(diǎn)開始熔斷，會(huì)形成一個(gè)高阻抗并主動(dòng)導(dǎo)入到故障回路中，從而迫使電流迅速回到零點(diǎn)，阻止了故障電流有機(jī)會(huì)達(dá)到可能的峰值點(diǎn)，這也是為何稱其為“限流”的原因。

2.選擇使用限流熔斷器主要考慮以下幾個(gè)因素。

可以顯著降低流過的故障能量；

在較短時(shí)間內(nèi)（四分之一周波內(nèi)）清除故障；

較高的開斷電流（可達(dá)50千安）；

隔離故障設(shè)備從而保護(hù)系統(tǒng)；

所以在一些必要分支線路和變壓器高壓側(cè)加裝限流熔斷器可以在5 毫秒內(nèi)熔斷，從而實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)的選擇性保護(hù)配合，更能使變壓器免受長(zhǎng)時(shí)間短路電流沖擊造成繞組絕緣老化或損壞。

總結(jié)

呼和浩特地區(qū)10 千伏配電網(wǎng)設(shè)備保護(hù)配合，一直備受關(guān)注。清楚了解設(shè)備現(xiàn)狀，分析處理問題，可使各級(jí)保護(hù)達(dá)到更加完美的配合。通過理論和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行分析對(duì)比，更能不斷提升保護(hù)配合的精度，再結(jié)合近幾年大力發(fā)展的配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，能充分發(fā)揮繼電保護(hù)在10千伏配網(wǎng)的作用。

呼和浩特地區(qū)配電網(wǎng)設(shè)備大面積投入保護(hù)，能有效減小故障停電范圍，縮短故障巡線時(shí)間，節(jié)約人力、物力、財(cái)力，極大提高配網(wǎng)供電可靠性。