探析220kV變電站及線路繼電保護設計和整定計算

1 220kV 變電站及線路繼電保護設計

繼電保護概述。繼電保護是整個電網中極為關鍵的組成部分，在電網運行過程中一旦出現異常情況該設備會在第一時間發(fā)出信號，并根據計算機系統實現設定的程序，將出現故障情況的位置實施隔離處理以控制故障干擾的范圍，避免影響到整個電網的正常供電。該保護裝置包括主設備以及系統設備，其中前者主要負責變壓裝置、發(fā)電裝置等元件問題，而后者是對線路的故障實施處理，同時二者間也需互相配合。

設計要求。近年國內出現大量220kV 變電站，對其保護設備設計過程中需保證基本的可靠、靈敏等特征。借助有效的保護設備實現保護設備價值最大化，確保其能為電網運行提供一項基礎保障。簡單而言，若此級別的變電站和連接電路較為緊密，需達到可靠及速動性的標準；若二者的關聯性較差則需在確保滿足上述兩項標準的基礎上，提高變電站與線路的選擇性。

各裝置配置。在整個電網中，主保護裝置可確保整體的穩(wěn)定性及設施的安全指數，并在較短時間內及時準確地切除異常情況的保護設備。若在故障影響范圍較廣或較為嚴重時需進行全線的切除工序，需選擇性地保護。如：縱聯保護屬于絕對保護裝置，若該設備出現問題相應的保護動作無法完成時后備保護裝置便會發(fā)揮作用，由此可知其屬于相對選擇的范疇中。后備保護裝置包括遠及近兩種，在此級別的變電站中通常會使用后者，借助各變電站自身達到確保后備裝置的使用性能。輔助裝置屬于一項替補環(huán)節(jié)，同時對于問題較為簡單、嚴重程度較低的故障具有一定的保護作用。

線路保護設計。此部分的設計目的在于提高主保護裝置的實際價值，并合理簡化后備裝置。借助提高主裝置的實際價值，有助于提升保護動作的高效性，針對各項異常情況可在極短時間內完成切除動作。目前此級別線路采取分相操作，要求相應的保護設備擁有選相的能力。若線路中的單相接地問題不超過100歐，應在條件允許的情況下選用效果更佳的規(guī)范作業(yè)動作。經過合理簡化的后備裝置，使主裝置雙重化且與之相連的各主裝置應具備多項功能，接地距離控制、零序電流把控等，以確保保護動作的有效性，同時無需配備其他的后備裝置。整個線路中需配有兩個全線速動保護裝置。電網運行過程中，即使僅有其中一套速動保護也可確保電網的正常運行。另外，二者應相互獨立并都具備及時準確切除異常情況的能力。為達到上述保護效果，各保護裝置都應具備選相的能力，各自作用在短路裝置中的某一跳閘構件，并可各自實現遠程傳輸數據信息。對于接地問題而言，應設有合理的接地距離以及相應的零序電流。若接地故障產生的電阻小于100歐，需確保全面準確切除。而相間短路的后備設備需控制具體的裝置。若光纖線路采取全線速動保護，需應用電流差動達到保護的效果，同時與后備裝置相互配合[1]。

母線保護設計。母線屬于整個電網中的節(jié)點構件，220kV 變電站應安設兩套專項保護設備，以免在倒閘切換期間出現問題，在此種情況下切實提高母線切除動作的靈活性。對于雙套接線母線需裝有相應的電壓閉鎖，該種母線保護裝置在縱聯保護系統中可借助合理的措施使斷路裝置能夠及時跳閘，以保護整個電網的穩(wěn)定運行。

斷路器保護設計。該裝置的異常情況通常被劃分至近后備設備，出現異常情況時會進行故障切除。另外，該裝置和互感裝置之間出現的異常問題能夠借助失靈保護實現切除。在220kV 變電站及線路中斷路裝置屬于分相作業(yè)，而失靈保護僅能對單相發(fā)揮出應有的作用。

2 220kV 變電站及線路繼電保護整定計算

2.1 主要裝置的整定計算

計算變壓裝置的各端在一百千伏安中的二次電流量以及相應的互感裝置選用的變比。具體計算為：定額電壓220kV 的情況下，相應的電流為A；電流互感裝置的變比為600/5；二次電流為A；短路電流的計算。220kV 系統中提供的短路電流值為，相應的受其分量有效值是千安培；電流的最值是千安培（由于與發(fā)電位置較遠，因此K 取2.55）[2]。

差動保護動作啟動門檻為躲過線路合閘期間的最大電流值，并躲過區(qū)外異常情況的最大不平衡電流。一般情況下，用電容電流與相應的系數相乘，在補償期間相應的系數值會偏低選取，反之亦反；對于制動系數的計算，目前該項系數的取值范圍在0.5～0.8。經過整定后通常整定范圍在0.1～0.2。若各側的電壓互感變比有所差異，其整定便可改為0.3；經過整體的設計后應對最終呈現的靈敏度進行檢測，出現短路情況的電流等于A，由此可推演出后續(xù)的AN。

2.2 相間距離保護的整定計算

2.2.1 相間距離保護的特點

該種保護屬于對線路中母線電壓和被保護構件電流之間比的一項抵抗阻。電網正常工作過程中該部分內的測量元件是負荷阻抗，若被保護構件出現短路問題相應的阻抗便是保護裝置與異常位置之間的距離。若故障位置與該裝置較近時則測量的阻抗相對更小，且保護動作的時間較短；在二者相距較遠的情況下，相應的阻抗以及持續(xù)時間也會隨之提高，達到選擇性的特點。距離與時間的關系是t=∫(I),其中t 表示動作持續(xù)的時長，I 是指二者間的距離。為確保繼電裝置達到既定的工作標準，需使用三段距離保護。其中第一段負責整個線路的83%左右，第二段則涉及到全程，第三部分屬于后備裝置[3]。

該裝置表示阻抗值，和常規(guī)的電流保護相較該項保護裝置的穩(wěn)定性相對較高，不易受到電網變化的干擾且具有較好的躲負荷水平。若出現短路問題，該裝置中第一段的負責范圍不會因電網工作模式的變化出現影響。若異常情況發(fā)生在相鄰線路位置，該裝置的第二及第三段工作范圍會根據電網工作的方式有所改變；該設備的啟動構件主要負責在出現異常情況時能及時啟動該設備的各保護段，其中前兩段開啟的時間較短且相應負責的范圍以及工作時間較短，僅需處理好本段負責的內容，而最后一段則需在全部故障處理完成后方可關閉。

2.2.2 距離保護計算

第一段的整定計算需按公式計算：Zdz-1=KK×Zxl，其中的KK為對應的系數，在此處為0.85。在第二段的整定計算中，根據有關計算公式分析可得，若動作區(qū)域的長度達到50km 時呈現的靈敏度達到1.5；而若區(qū)域長度處于50～200km 之間則靈敏度超過1.4；長度超過200km 靈敏度則超過1.3。隨著長度增加相應的靈敏度會有所下降，其中第三段的計算為：與第二段相互配合Zdz-3=KK×Zxl+Kfzmin×Zdz-2，最小負荷值計算，動作時間為t3=t2+Δt。

該裝置第三段的動作持續(xù)時長計算：首先，電網中常規(guī)的振蕩時間是1.1～1.5秒，其第三段的保護持續(xù)保護時長至少要達到2秒甚至要高于該數值。若與之相鄰的線出現閉鎖控制，為確保相應基本的保護效果，可將該段的動作時間延長至3.5秒以上；其次，在環(huán)狀電力系統中應根據階梯式的特點實施相應的配合，但若全部采取配合的方式極易出現循環(huán)配合的問題。對此應選取電網某條線路中的該段和與之相鄰的第二段相互配合，通過多項措施確保該裝置中第三段保持較高的靈敏度，且合理縮短動作運行的時長。

2.2.3 分支系數

若保護裝置點與發(fā)生故障的位置之間存在分支系數，會使測量阻抗與相應電路中的阻抗總量值不符，若存在電源分支則Kfz大于1，若存在負荷分支則小于1。電源分支會造成測量距離超過線路中的實際長度，而負荷分支會出現短于實際長度的情況。在電網運行期間，其投切以及具體運行模式有所改變，最終呈現的短路電流配置情況也會出現改變，導致相應的分支系數也有所波動。在該裝置的整定計算中，為確保區(qū)外出現異常情況時能保持較好的穩(wěn)定性，要求整定值低于區(qū)外測量距離的最小值，由此應計算分值系數的最小值。在進行靈敏度校驗期間，需確保該裝置的整定值超過區(qū)內在異常情況下呈現的最大測量距離，由此要求應用分支系數的最大值[4]。

以某電力企業(yè)發(fā)電裝置為例，其中包含兩個系統A 和B，在計算分支系數小值時，系統A 為最小工作模式，系統B 為最大工作模式，采取雙機工作方式，公式為：，在計算分支系數最大值時，系統A 為最大工作模式，系統B 為最小工作模式，采取單機工作形式，公式為：。

2.2.4 整定計算

第一段計算假設度過該線路中末端異常，計算公式為：Zdz-1=KK×Z=0.85×40=34（歐）；第二段計算，首先假設與之相鄰線路相互配合，計算公式為：Zdz-2=KK×Z+KK×Kfzmin×Zdz-1=34+0.8×2.879×0.85×25.28=83.49；其次，該線路中故障的靈敏程度可等于大于1.5，相應的動作時長計算為：t2=t1+Δt=0.5（秒）；第三段計算，該段與相鄰線路相互配合，計算結果為：Zdz-3=34+0.8×2.879×148.29=375.54；負荷距離最小時計算結果為：；該段的靈敏度為：。

3 結語

繼電保護裝置在國內已經實現較好的發(fā)展，對其的整體設計以及整定計算都具有較高的實際價值。近年供電網絡的建設覆蓋范圍日趨擴大，相對應用的整體結構也更為繁雜，導致整定計算量愈發(fā)加重，同時對于其最終結果的可靠性提出更高的標準，因此需強化對該方面的研究和探索。