配電自動(dòng)化模式下配電網(wǎng)保護(hù)的模式選擇和整定計(jì)算

李 斌，單中闖，閆志強(qiáng)，趙 卓,辛璐璐

(國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114000)

基于當(dāng)前配電網(wǎng)繼電保護(hù)的配置情況、配電自動(dòng)化設(shè)備的實(shí)際布局[1-2]以及配電網(wǎng)網(wǎng)架[3]的實(shí)際配置情況，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行短路電流計(jì)算，利用短路電流數(shù)據(jù)配置繼電保護(hù)，發(fā)揮配電自動(dòng)化的作用，促進(jìn)和完善智能配電網(wǎng)的建設(shè)[4]。

1 配電網(wǎng)現(xiàn)階段繼電保護(hù)配置情況

配電網(wǎng)保護(hù)包括線(xiàn)路出口三段式電流保護(hù)、配電變壓器限流熔斷器保護(hù)、線(xiàn)路跌落式開(kāi)關(guān)保護(hù)以及負(fù)荷出線(xiàn)微機(jī)保護(hù)。變電站10 kV線(xiàn)路出口通常配置0 s速斷保護(hù)、0.15 s延時(shí)的限時(shí)速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和過(guò)負(fù)荷保護(hù)，而速斷保護(hù)定值通?？梢员Ｗo(hù)線(xiàn)路全長(zhǎng)，造成保護(hù)越級(jí)跳閘，擴(kuò)大停電范圍。

根據(jù)本文選取的2條10 kV線(xiàn)路，查詢(xún)對(duì)應(yīng)的變電站出口繼電保護(hù)定值，全電纜線(xiàn)路出口保護(hù)定值如表1所示，架空線(xiàn)路出口保護(hù)定值如表2所示。

表1 10 kV全電纜線(xiàn)路出口保護(hù)定值

表2 10 kV架空線(xiàn)路出口保護(hù)定值

全電纜線(xiàn)路出口保護(hù)電流互感器變比為600/5，架空線(xiàn)路出口保護(hù)電流互感器變比為800/5，電纜線(xiàn)路未配置重合閘，架空線(xiàn)路配置三相一次不對(duì)應(yīng)重合閘，重合閘時(shí)間為2 s。

2 配電網(wǎng)短路電流計(jì)算

2.1 配電網(wǎng)短路電流計(jì)算方法的確定

配電網(wǎng)短路電流計(jì)算有近似計(jì)算和計(jì)算機(jī)算法2種[5]，近似計(jì)算的條件為假定線(xiàn)路三相參數(shù)對(duì)稱(chēng)并且忽略負(fù)荷、線(xiàn)路分布電容的影響及其并聯(lián)補(bǔ)償電容器的影響。由于近似計(jì)算公式簡(jiǎn)單，便于工程實(shí)際計(jì)算，同時(shí)考慮到配電網(wǎng)短路電流計(jì)算數(shù)據(jù)的獲取程度、配電網(wǎng)繼電保護(hù)和自動(dòng)化的實(shí)際配置情況，利用配電網(wǎng)短路電流的近似計(jì)算方法完全可以滿(mǎn)足配電自動(dòng)化設(shè)備的繼電保護(hù)整定計(jì)算以及與上級(jí)繼電保護(hù)的配合。配電線(xiàn)路三相穩(wěn)態(tài)短路電流的計(jì)算公式為

(1)

式中：UN為系統(tǒng)額定電壓；c為電壓系數(shù)，電壓等級(jí)為10 kV時(shí)電壓系數(shù)的取值如表3所示，cUN為系統(tǒng)等效電壓源電壓；Zs1為變電站中壓母線(xiàn)后的系統(tǒng)正序阻抗；ZL1為變電站母線(xiàn)到故障點(diǎn)之間的線(xiàn)路與參考地構(gòu)成回路的正序阻抗；Rk為故障電阻。10 kV配電網(wǎng)額定短路容量為100～500 MVA，三相短路電流的有效值為6～30 kA，系統(tǒng)正序阻抗值為0.2～1 Ω。

表3 10 kV電壓等級(jí)電壓系數(shù)

當(dāng)最小短路電流發(fā)生在兩相短路時(shí)，其短路電流是三相短路電流的0.86倍，根據(jù)計(jì)算最大最小短路電流時(shí)的電壓系數(shù)可知，在10 kV配電網(wǎng)中，同一運(yùn)行方式下，最小短路電流是最大短路電流的0.78倍。

2.2 配電網(wǎng)實(shí)例系統(tǒng)參數(shù)

本文以實(shí)際10 kV配電線(xiàn)路`為依據(jù)，選取不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)，進(jìn)行短路電流計(jì)算，為繼電保護(hù)的整定計(jì)算、配電自動(dòng)化設(shè)備的合理化布局以及繼電保護(hù)保護(hù)配合奠定基礎(chǔ)。為保證繼電保護(hù)整定方案的全面性、系統(tǒng)性和代表性，抓取典型配電線(xiàn)路數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 10 kV全電纜線(xiàn)路

本文選取的10 kV全電纜線(xiàn)路有1-10號(hào)共計(jì)10個(gè)環(huán)網(wǎng)單元，5號(hào)、6號(hào)、9號(hào)、10號(hào)為DTU自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)柜，8號(hào)環(huán)網(wǎng)單元所帶負(fù)荷為小區(qū)開(kāi)關(guān)站，電纜型號(hào)為YJLV22-3×240×2，電纜長(zhǎng)度為450 m，開(kāi)關(guān)站配出線(xiàn)路至一至六組環(huán)網(wǎng)單元，環(huán)網(wǎng)單元配出線(xiàn)路至變壓器，具體線(xiàn)路長(zhǎng)度和電纜型號(hào)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)接線(xiàn)圖

自動(dòng)化環(huán)網(wǎng)柜均為2進(jìn)2出，進(jìn)線(xiàn)為負(fù)荷開(kāi)關(guān)出線(xiàn)為斷路器，其中1號(hào)、3號(hào)、7號(hào)裝有遠(yuǎn)傳型故障指示器[6]。線(xiàn)路計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 全電纜線(xiàn)路參數(shù)

2.2.2 10 kV架空線(xiàn)路

本文選取的10 kV架空線(xiàn)路，1號(hào)桿、16加1號(hào)桿、49號(hào)桿、52號(hào)桿、90號(hào)桿、101號(hào)桿裝有柱上開(kāi)關(guān)，其中101號(hào)桿柱上開(kāi)關(guān)為聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，以及48號(hào)有分歧線(xiàn)路，同時(shí)在分歧線(xiàn)路的1號(hào)首端裝有柱上開(kāi)關(guān)。目前為止16加1號(hào)柱上開(kāi)關(guān)為自動(dòng)化三遙開(kāi)關(guān)，分歧線(xiàn)路的1號(hào)三遙開(kāi)關(guān)，柱上開(kāi)關(guān)為架空線(xiàn)路相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 架空線(xiàn)路參數(shù)

2.3 配電網(wǎng)短路電流計(jì)算

根據(jù)配電網(wǎng)短路電流計(jì)算方法分別計(jì)算全電纜線(xiàn)路和架空線(xiàn)路的短路電流，10 kV全電纜線(xiàn)路所在系統(tǒng)，最大運(yùn)行方式下系統(tǒng)阻抗為0.157 Ω，最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)阻抗為0.313 Ω，正常運(yùn)行方式下，系統(tǒng)變壓器采用分裂方式運(yùn)行，在主變檢修狀態(tài)下，兩段10 kV母線(xiàn)由1臺(tái)主變壓器運(yùn)行，因此在計(jì)算短路時(shí)系統(tǒng)阻抗選擇最小運(yùn)行方式下的阻抗。此處計(jì)算忽略故障電阻，10 kV全電纜線(xiàn)路短路電流計(jì)算結(jié)果如表6所示，10 kV架空線(xiàn)路短路電流計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表6 10 kV全電纜線(xiàn)路短路電流值 kA

表7 10 kV架空線(xiàn)路短路電流值 kA

由于選取的10 kV全電纜線(xiàn)路和10 kV架空線(xiàn)路隸屬不同的66 kV變電站，10 kV架空線(xiàn)路最大運(yùn)行方式下系統(tǒng)阻抗為0.157 Ω，最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)阻抗為0.313 Ω。

3 配電網(wǎng)繼電保護(hù)整定計(jì)算

本文根據(jù)全電纜線(xiàn)路和架空線(xiàn)路短路電流數(shù)據(jù)進(jìn)行繼電保護(hù)整定計(jì)算，利用三段電流式保護(hù)[7]，同時(shí)考慮到實(shí)際線(xiàn)路的復(fù)雜性，為滿(mǎn)足配電網(wǎng)保護(hù)的可靠性、速動(dòng)性、選擇性和靈敏性，還要結(jié)合重合閘保護(hù)方式、架空線(xiàn)路FTU邏輯判斷保護(hù)模式[8]，通過(guò)相關(guān)整定計(jì)算，得出配電網(wǎng)繼電保護(hù)的相關(guān)規(guī)律。

3.1 配電網(wǎng)繼電保護(hù)整定方法

DTU終端配置三段式電流保護(hù)，F(xiàn)TU終端配置三段式電流保護(hù)以及邏輯順序重合閘模式，由于邏輯順序重合閘模式的設(shè)定較為簡(jiǎn)單，而且此類(lèi)保護(hù)需要多次重合閘配合，增加了敏感電力用戶(hù)的停電感知[9]。本文針對(duì)基于短路電流計(jì)算的三段式保護(hù)進(jìn)行研究，同時(shí)為了充分發(fā)揮自動(dòng)化開(kāi)關(guān)對(duì)配電網(wǎng)的保護(hù)作用，研究制定一種綜合性的保護(hù)方案。三段式電流保護(hù)包括瞬時(shí)電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)，F(xiàn)TU的保護(hù)除了常規(guī)三段式電流保護(hù)外，還有選線(xiàn)模式和選段模式?？紤]到66 kV變電站配出10 kV線(xiàn)路數(shù)量規(guī)模大，同一變電站不同的10 kV線(xiàn)路參數(shù)也有很大差別，并且考慮與現(xiàn)有變電站保護(hù)配置和整定的配合難度，在不改變變電站繼電保護(hù)配置和整定的基礎(chǔ)上，提出一種適用于10 kV線(xiàn)路配電自動(dòng)化配電網(wǎng)中的繼電保護(hù)配置和整定方法。

3.2 實(shí)際線(xiàn)路繼電保護(hù)定值整定

架空線(xiàn)路繼電保護(hù)整定：根據(jù)選取的實(shí)際架空線(xiàn)路自動(dòng)化開(kāi)關(guān)配置情況，結(jié)合配電自動(dòng)化繼電保護(hù)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備布局的要求，提出現(xiàn)有線(xiàn)路配電自動(dòng)化設(shè)備的合理優(yōu)化布局方式。全架空線(xiàn)路中，應(yīng)將主干線(xiàn)路分為三段配置自動(dòng)化設(shè)備，聯(lián)絡(luò)處裝設(shè)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)，分歧線(xiàn)路首端裝設(shè)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)。

根據(jù)三段式電流保護(hù)的特點(diǎn)，對(duì)架空線(xiàn)路保護(hù)定值進(jìn)行整定，第一種方法是退出線(xiàn)路出口瞬時(shí)速斷保護(hù)，保留其他保護(hù)形式，整定結(jié)果為變電站出口保護(hù)配置：將瞬時(shí)速斷保護(hù)退出，將限時(shí)電流速斷保護(hù)時(shí)限提高為0.3 s，盡量減少對(duì)變電站整定值的修改。16加1號(hào)開(kāi)關(guān)速斷定值為9.06 kA，限時(shí)電流速斷為5.25 kA，時(shí)限為0.15 s，過(guò)負(fù)荷定值為610 A，時(shí)間為6 s。分歧線(xiàn)路速斷定值為4 kA，過(guò)負(fù)荷定值為610 A，時(shí)間為3 s。52號(hào)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)速斷定值為3.5 kA，過(guò)負(fù)荷定值為610 A，時(shí)間為3 s。自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)置二次重合閘，一次重合閘時(shí)間為1 s，二次重合閘時(shí)間為3 s。

架空線(xiàn)路三段式電流保護(hù)的第二種方法是保留線(xiàn)路出口保護(hù)配置，根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果提高出口保護(hù)定值，組成各級(jí)線(xiàn)路的三段式電流保護(hù)的分級(jí)配合。具體整定結(jié)果為52號(hào)開(kāi)關(guān)的瞬時(shí)速斷保護(hù)定值設(shè)為3.77 kA，瞬時(shí)速斷保護(hù)時(shí)限為0 s，用以保護(hù)52號(hào)開(kāi)關(guān)以后線(xiàn)路全段，過(guò)電流保護(hù)定值設(shè)為910 A，過(guò)電流保護(hù)時(shí)限為1.0 s；16加1號(hào)開(kāi)關(guān)瞬時(shí)電流保護(hù)需要躲開(kāi)分歧線(xiàn)路故障電流，因此設(shè)為8.31 kA，瞬時(shí)速斷保護(hù)時(shí)限為0 s，限時(shí)速斷保護(hù)考慮到保護(hù)16號(hào)至52號(hào)線(xiàn)路，定值設(shè)為5.26 kA，限時(shí)速斷保護(hù)時(shí)限設(shè)為0.15 s，過(guò)電流保護(hù)定值設(shè)為910 A，過(guò)電流保護(hù)時(shí)限為1.5 s；分歧線(xiàn)路瞬時(shí)速斷保護(hù)定值設(shè)為4.16 kA，瞬時(shí)速斷保護(hù)時(shí)限為0 s，過(guò)電流保護(hù)定值設(shè)為910 A，過(guò)電流保護(hù)時(shí)限為1.0 s；變電站出口瞬時(shí)速斷保護(hù)定值為14.52 kA，瞬時(shí)速斷保護(hù)時(shí)限為0 s，限時(shí)速斷保護(hù)定值為9.97 kA，限時(shí)速斷保護(hù)時(shí)限設(shè)為0.15 s，過(guò)電流保護(hù)定值設(shè)為910 A，過(guò)電流保護(hù)時(shí)限為2 s。自動(dòng)化開(kāi)關(guān)設(shè)置二次重合閘，一次重合閘時(shí)間為1 s，二次重合閘時(shí)間為3 s。

分析第一種和第二種保護(hù)整定的結(jié)果，第二種整定方案更為合理，線(xiàn)路出口故障時(shí)，故障電流對(duì)設(shè)備的沖擊和影響更小[10]，能夠更快的切斷故障電流。

電纜線(xiàn)路繼電保護(hù)整定分兩種情況，一種是開(kāi)關(guān)站同樣配置自動(dòng)化設(shè)備或者采用斷路器微機(jī)保護(hù)裝置[11]，此時(shí)的整定計(jì)算結(jié)果為：8號(hào)環(huán)網(wǎng)柜至開(kāi)閉所高壓柜保護(hù)裝置整定值速斷4.807 kA，限時(shí)速斷保護(hù)定值為3.278 kA，時(shí)間為0.15 s，開(kāi)關(guān)站出線(xiàn)間隔保護(hù)裝置定值為速斷保護(hù)定值為2.8 kA，過(guò)負(fù)荷定值為400 A，時(shí)間為3 s。變電站出口定值，退出速斷保護(hù)，將限時(shí)電流速斷時(shí)間提高到0.30 s。第二種情況是開(kāi)關(guān)站無(wú)微機(jī)保護(hù)裝置，開(kāi)關(guān)站及下屬設(shè)備配置高分段能力的熔斷器。8號(hào)環(huán)網(wǎng)柜至開(kāi)閉所高壓柜保護(hù)裝置整定值為速斷4.807 kA，瞬時(shí)速斷保護(hù)時(shí)限設(shè)為0 s，變電站出口定值，退出速斷保護(hù)，限時(shí)電流速斷時(shí)間為0.15 s。

當(dāng)變壓器保護(hù)和開(kāi)關(guān)站出線(xiàn)保護(hù)采用熔斷器進(jìn)行保護(hù)時(shí)，需要對(duì)熔斷器動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行檢驗(yàn)[12]，熔斷器的動(dòng)作時(shí)間需要與上級(jí)繼電保護(hù)時(shí)間相配合，確保各級(jí)保護(hù)能正確動(dòng)作，避免故障時(shí)保護(hù)越級(jí)動(dòng)作。熔斷器采用K型熔斷件，只需要校驗(yàn)開(kāi)關(guān)站出線(xiàn)柜熔斷件在最小短路電流下的動(dòng)作時(shí)間即可。630 kVA變壓器配置額定電流為65 A的熔斷件，開(kāi)關(guān)站配置100 A的熔斷件，只需要對(duì)此進(jìn)行校驗(yàn)即可，當(dāng)五組環(huán)網(wǎng)單元線(xiàn)路末端發(fā)生兩相短路電流時(shí)，短路電流最小為2.98 kA，100 A的熔斷件在2.98 kA時(shí)弧前時(shí)間為0.03 s，再加上幾十毫秒的燃弧時(shí)間，故障可在0.1 s內(nèi)切除。

4 配電網(wǎng)繼電保護(hù)方案確定

目前配電網(wǎng)的繼電保護(hù)配置，只在線(xiàn)路出口配置保護(hù)，并且配置重合閘，對(duì)于絕大多數(shù)故障都可利用線(xiàn)路重合閘躲開(kāi)故障，在幾秒內(nèi)就可以恢復(fù)全線(xiàn)路送電，對(duì)于全電纜線(xiàn)路，由于不配置線(xiàn)路重合閘，因此在故障跳閘時(shí)，線(xiàn)路跳閘失電，直至人員巡視到故障時(shí)，隔離故障恢復(fù)非故障部分線(xiàn)路。

基于三段式電流保護(hù)的保護(hù)整定，在短路電流計(jì)算中相關(guān)數(shù)據(jù)的不確定性，包括系統(tǒng)阻抗，會(huì)隨著66 kV變電站運(yùn)行方式的改變而改變，配電網(wǎng)中線(xiàn)路數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，故障時(shí)故障點(diǎn)的故障電阻都會(huì)對(duì)短路電流的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，對(duì)繼電保護(hù)的整定計(jì)算帶來(lái)困難。

目前架空線(xiàn)路自動(dòng)化設(shè)備保護(hù)模式包括邏輯動(dòng)作模式和電流三段式保護(hù)，邏輯動(dòng)作模式需要線(xiàn)路出口配置多次重合閘用以隔離故障區(qū)域恢復(fù)非故障區(qū)域的供電，針對(duì)瞬時(shí)故障，邏輯動(dòng)作模式反而增加了二次重合閘，延長(zhǎng)了停電時(shí)間，同時(shí)對(duì)于三分段多聯(lián)絡(luò)的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，邏輯時(shí)間配合較為復(fù)雜。根據(jù)以上情況并結(jié)合實(shí)際線(xiàn)路配置，提出如圖2所示的架空線(xiàn)路保護(hù)方案，具體方案是線(xiàn)路出口斷路器、1號(hào)三遙FTU柱上開(kāi)關(guān)、2號(hào)三遙FTU柱上開(kāi)關(guān)分別配置瞬時(shí)速斷保護(hù)、限時(shí)速斷保護(hù)和過(guò)流保護(hù)，各級(jí)保護(hù)相互配合。結(jié)合網(wǎng)架優(yōu)化和自動(dòng)化設(shè)備的合理布局，本級(jí)線(xiàn)路分歧線(xiàn)路的首端不應(yīng)包含在本級(jí)瞬時(shí)速斷保護(hù)范圍內(nèi)。如果線(xiàn)路改造有困難，而且分歧線(xiàn)路距離本級(jí)線(xiàn)路首端距離過(guò)近，則本級(jí)線(xiàn)路首端自動(dòng)化開(kāi)關(guān)配置為選段模式，上級(jí)線(xiàn)路首端自動(dòng)化開(kāi)關(guān)配置為選線(xiàn)模式，即當(dāng)本級(jí)線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，犧牲本級(jí)線(xiàn)路的選擇性，上級(jí)線(xiàn)路自動(dòng)化開(kāi)關(guān)動(dòng)作，由于配置了選線(xiàn)模式和選段模式[13]，上級(jí)線(xiàn)路經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延時(shí)后自動(dòng)合閘，本級(jí)線(xiàn)路檢測(cè)到電壓，來(lái)電延時(shí)合閘，若故障發(fā)生在本級(jí)線(xiàn)路主干，本級(jí)線(xiàn)路失壓分閘，本級(jí)開(kāi)關(guān)閉鎖，上級(jí)線(xiàn)路開(kāi)關(guān)重合，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延時(shí)，本級(jí)開(kāi)關(guān)分歧線(xiàn)路的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)重合，恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)域的供電。

圖2 架空線(xiàn)路保護(hù)整定方案

對(duì)于電纜線(xiàn)路，自動(dòng)化設(shè)備的配置方案如圖3所示，線(xiàn)路出口斷路器配置0.15 s限時(shí)速斷保護(hù)，用于保護(hù)線(xiàn)路主干，各環(huán)網(wǎng)柜配出線(xiàn)路采用瞬時(shí)速斷保護(hù)，其余配置如實(shí)例中配置即可。

圖3 電纜線(xiàn)路保護(hù)整定方案

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的布局要求，自動(dòng)化設(shè)備的合理使用和布局應(yīng)在配電網(wǎng)網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上，并結(jié)合配電網(wǎng)短路電流分布和線(xiàn)路結(jié)構(gòu)合理配置。本文就實(shí)際情況進(jìn)行短路電流計(jì)算，并進(jìn)行繼電保護(hù)的定值配置，同時(shí)針對(duì)保護(hù)方式的要求，對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的合理布局進(jìn)行探討，提出一種基于自動(dòng)化設(shè)備合理布局以及合理配置的配電網(wǎng)三段式保護(hù)方案，以供參考。