110 kV電網(wǎng)故障問題分析及繼電保護(hù)整定計算研究

許 君

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司 永州供電分公司，湖南 永州 425000）

0 引 言

目前，我國電網(wǎng)處于飛速發(fā)展態(tài)勢。隨著新老設(shè)備的交替與繼電保護(hù)裝置的大規(guī)模投入，電網(wǎng)故障分析的準(zhǔn)確性與處理效率有了明顯提升。繼電保護(hù)整定計算是定值計算工作的執(zhí)行核心，可以全面分析電網(wǎng)故障，及時處理故障。繼電保護(hù)整定計算軟件經(jīng)由10余年的發(fā)展已逐漸成熟，實用水平較高，可以滿足各地區(qū)電網(wǎng)生產(chǎn)的實際需求，為定值的統(tǒng)一管理提供了完備條件。

1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計算程序應(yīng)用的重要意義

電力系統(tǒng)運行的安全性與繼電保護(hù)整定計算結(jié)果有著緊密聯(lián)系。應(yīng)用裝置的可靠性是維持電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定的基礎(chǔ)。正確的保護(hù)定值能夠降低電網(wǎng)事故發(fā)生風(fēng)險，避免故障范圍擴(kuò)大。電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，繼電保護(hù)整定值的計算量也在逐漸增多[1]。110 kV電網(wǎng)的整定計算過程較為復(fù)雜，具有平行線路零序互感等電網(wǎng)特點，使得繼電保護(hù)的日常管理工作復(fù)雜。隨著工作量的加大，僅依靠人力計算無法匹配實際工作要求。為使電網(wǎng)穩(wěn)定運行，應(yīng)用專業(yè)的軟件系統(tǒng)配合計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為繼電保護(hù)整定計算提供事故分析的基礎(chǔ)依據(jù)，保證計算的準(zhǔn)確性和及時性[2]。繼電保護(hù)整定計算將電網(wǎng)管理人員從繁重的工作中解脫出來，具有極強(qiáng)的技術(shù)價值與經(jīng)濟(jì)價值。

2 電網(wǎng)故障電流計算

通過準(zhǔn)確計算故障電路，確定繼電保護(hù)整定值并科學(xué)校驗其產(chǎn)生動作，明確線路中各節(jié)點故障電流值與分支系數(shù)，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

發(fā)生電力系統(tǒng)故障的原因為相與地的短路或不同相之間短路，在電路中檢測到遠(yuǎn)超正常運行狀態(tài)的短路，進(jìn)而降低節(jié)點電壓以免影響負(fù)荷工作狀態(tài)，危害各類電氣設(shè)備運行安全[3]。由于短路故障的特殊性，系統(tǒng)穩(wěn)定性將產(chǎn)生解列現(xiàn)象，造成各區(qū)域大規(guī)模停電。若有不對稱短路情況或會由于較大零電流分流，使得相鄰?fù)ㄐ啪€路遭受嚴(yán)重干擾。

為避免短路故障的危害，在設(shè)計電力系統(tǒng)時需計算短路電流。發(fā)生短路故障時，根據(jù)預(yù)先明確的系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值確定短路電流與接點電壓。按照短路故障的風(fēng)險從大到小排列依次為單相短路故障、兩相接地、兩相短路故障以及三相對稱短路故障。三相對稱短路發(fā)生概率較小，但應(yīng)用三相短路故障可作為檢驗電氣設(shè)備能力的方法，因為該短路故障產(chǎn)生的后果最嚴(yán)重。

筆算和直流計算臺等是傳統(tǒng)短路電路或故障計算的常用計算方法，但電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大使其逐漸無法滿足龐大的計算量需求。多數(shù)設(shè)備容量存在限制，影響電力系統(tǒng)的多重故障計算準(zhǔn)確性和計算效率[4]。計算機(jī)的出現(xiàn)使得運算速度和容量相較傳統(tǒng)工具均有了明顯提升，配合使用矩陣法、分塊法等科學(xué)計算方法，可以滿足龐大電力系統(tǒng)的復(fù)雜故障計算需求，實現(xiàn)了完備的故障分析與解決。

電力系統(tǒng)中的短路故障經(jīng)常伴隨著電磁與機(jī)電暫態(tài)，使得在故障發(fā)生的時間段內(nèi)電流和電壓均隨時間改變，如工頻周期分量和非周期分量（隨時間衰減）等，因此使用微積分方程或代數(shù)方程組計算短路電路與復(fù)雜故障[5]。繼電保護(hù)整定與裝置運行分析環(huán)節(jié)，需計算故障在某一瞬間的電壓周期分量，無須重復(fù)計算其變化過程，省略了諸多計算步驟。

3 繼電保護(hù)整定計算

3.1 目的與任務(wù)

整定計算是繼電保護(hù)工作的關(guān)鍵任務(wù)，是確保電力生產(chǎn)穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)中設(shè)定各級別調(diào)度部門，執(zhí)行整定計算任務(wù)的對象是已經(jīng)配置完全的繼電保護(hù)裝置，依照電力系統(tǒng)對應(yīng)參數(shù)與實際運行要求獲取需要的整定值，從而保證各類繼電保護(hù)有機(jī)協(xié)調(diào)布置，充分發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢[6]。以110 kV電網(wǎng)為例，若能夠獲取電力設(shè)計部門的配合條件，即可在校對繼電保護(hù)整定計算配置相關(guān)數(shù)據(jù)后開發(fā)出具有實際應(yīng)用價值的整定計算軟件。

根據(jù)保護(hù)給出整定值是繼電保護(hù)整定計算的核心任務(wù)，可根據(jù)電網(wǎng)運行實際條件制定有效的繼電保護(hù)整定方案。制定方案具體內(nèi)容的依據(jù)包括系統(tǒng)電壓等級和設(shè)備類型等。依照不同的繼電保護(hù)功能，分解為不同的整定方案，保證工作完成效果，提高工作效率。分解的各類整定方案具有獨立性特點，相互之間的配合關(guān)系使方案的實際落實可匹配電力系統(tǒng)的運行需求[7]。繼電保護(hù)整定方案并非固定的。由于系統(tǒng)運行變化能力限制，超出預(yù)定范圍便需重新整定繼電保護(hù)，以匹配運行實際需要。保護(hù)裝置性能有限，變化限度超出的情況下，將使得保護(hù)裝置失去其保護(hù)功能。

繼電保護(hù)的整定計算需充分分析自身整定問題，考慮繼電保護(hù)的配置情況與選型情況，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行效果，實現(xiàn)整定計算的綜合運用目標(biāo)。具體的整定計算步驟為：第一，以繼電保護(hù)功能為基礎(chǔ)，確定短路計算具體方式，包括對短路類型的選擇和分值系數(shù)計算條件等；第二，計算短路故障；第三，整定計算同一功能保護(hù)，確定整定值[8]；第四，比較整定結(jié)果，制定合適的整定計算方案，通過歸納問題提出匹配運行條件的實際要求；第五，生成定值單，包含編制之間、系統(tǒng)概況、變化原則、變化限度、整定原則、問題與對策、保護(hù)規(guī)定以及對選定運行方式限制要求等內(nèi)容。

3.2 選擇合適的整定計算方式

繼電保護(hù)整定計算環(huán)節(jié)選擇的運行方式，以不對繼電保護(hù)效果產(chǎn)生不良影響為原則，選擇匹配變化適應(yīng)能力的方案，同時需充分考慮繼電保護(hù)的實際條件。選擇的計算方式與運行方案是否合理，直接影響繼電保護(hù)效果與配置選型準(zhǔn)確性。運行方式的變化限度是最大與最小運行模式的確定，以常見運行方式的最大化滿足為前提，加大變化范圍。

3.2.1 將電力系統(tǒng)常見運行方式作為整定計算依據(jù)

正常運行與正常檢修是電力系統(tǒng)的常見運行方式。正常運行包含投入的全部變壓器和線路等，能夠在系統(tǒng)負(fù)荷范圍內(nèi)選擇合適的發(fā)電設(shè)備，發(fā)揮繼電保護(hù)作用。改善正常運行情況的保護(hù)性能，在對定值做整定保護(hù)期間，將目光放在正常運行方式上，從而匹配對裝置工作性能的基本要求[9]。正常檢修方式是正常運行模式下相鄰組件或被保護(hù)設(shè)備的檢修狀態(tài)。若組件較多，則對應(yīng)多種檢修模式。整定計算保護(hù)過程中應(yīng)確保在正常檢修模式下，裝置的選擇性和靈敏性均符合對保護(hù)裝置運行整定的基本要求。

3.2.2 改變發(fā)電廠外部系統(tǒng)運行方式

我國各大電網(wǎng)的保護(hù)整定過程中，系統(tǒng)對應(yīng)的發(fā)電廠始終處于最大運行狀態(tài)，以負(fù)荷需求為前提投入最多機(jī)組。它包含每個發(fā)電廠最小運行方式，僅在同一母線的連接線路中的保護(hù)整定過程中才考慮該種情況。校驗線路電路2段保護(hù)靈敏系數(shù)，只改變母線電源保護(hù)的運行方式，將其切換為最小[10]。計算線路2段與線路1段保護(hù)配合分支系數(shù)（最小），應(yīng)首先切換末端母線電源到最小，無須改變電源運行方式。

3.2.3 正常以外檢修方式

不將特殊運行方式作為整定計算的基本依據(jù)，但仍然需要對整定方案進(jìn)行補(bǔ)充，以起到臨時處理參考的作用。

3.2.4 變壓器中性點接地

首先確保對應(yīng)變電站零序阻抗的穩(wěn)定性保持不變，充分考慮接地保護(hù)的實際情況。例如，接地距離保護(hù)和零序電流保護(hù)等，零序阻抗保持不變，作為系統(tǒng)整定方案的前提條件。

3.2.5 比較保護(hù)電流

特定保護(hù)裝置產(chǎn)生整定計算點短路現(xiàn)象時，需保護(hù)短路電流處于最大值。整定計算環(huán)節(jié)需獲取最大或最小電流值，保證整定計算的全面性和準(zhǔn)確性。

3.3 故障類型與方式的具體選擇

在執(zhí)行繼電保護(hù)整定計算任務(wù)時，需要了解常見故障類型與故障處理方式。首先，考慮單一設(shè)備故障的常見情況，不分析復(fù)雜故障的情況下，針對接地短路的保護(hù)主要集中在單相接地和兩相短路接地，明確故障類型。其次，針對相間短路保護(hù)，故障類型的選擇依據(jù)一般為三相與兩相短路。最后，整定計算零序電路保護(hù)環(huán)節(jié)，針對三相重合閘線路類型，充分考慮斷路器的合閘情況。若線路為單相重合閘，則應(yīng)考慮兩相運行情況。

3.4 整定配合原則

斷路器配置是電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的基礎(chǔ)，以斷路器分段為前提，對繼電保護(hù)做整定處理。針對繼電保護(hù)的分級基礎(chǔ)為保護(hù)正方向，保證正方向上下級保護(hù)的配合協(xié)調(diào)效果，滿足選擇性的基本要求。在上下保護(hù)動作特性范圍內(nèi)不可存在交叉點，且應(yīng)預(yù)留裕度。

整定計算環(huán)節(jié)，計算條件應(yīng)為電力系統(tǒng)的運行過程保護(hù)，根據(jù)保護(hù)原理可將整定計算方法分為差動原理保護(hù)和階段性保護(hù)2類。差動原理保護(hù)包含了對內(nèi)外故障做具體區(qū)分的能力，并維持其基本的保護(hù)方案，且相鄰保護(hù)與定值之間不存在配合關(guān)系，具有獨立特點，計算較為簡單。階段性保護(hù)要求上下（相鄰）級間應(yīng)存在配合關(guān)系，且伴隨系統(tǒng)運行方式的改變變更其保護(hù)范圍，因此整定計算過程較為復(fù)雜，且具有較多結(jié)果可選性。

在整定階段保護(hù)環(huán)節(jié)，上下級配合需要遵循以下要求。首先，配合時間。上級與下級的保護(hù)整定時間應(yīng)存在時間級差。其次，配合保護(hù)范圍。對于同一故障點來說，下一級靈敏系數(shù)一般大于上一級保護(hù)。最后，配合過程均嚴(yán)格按照保護(hù)正方向。

3.5 整定方法

一方面，整定條件與整定公式有關(guān)系數(shù)的確定，主要依據(jù)保護(hù)裝置工程原理與系統(tǒng)運行特點。另一方面，初始整定值的設(shè)定需充分考慮整定條件，靈敏度校驗應(yīng)預(yù)先明確電力系統(tǒng)最小運行方式，確保靈敏度匹配運行方式的特點與實際要求，最終確定選定整定值。若發(fā)現(xiàn)與要求不符，則重新考慮并分析最小運行方式與整定條件，保證選擇的恰當(dāng)性，從而全面核驗保護(hù)裝置的選型與裝置配置過程中存在的問題。

4 結(jié) 論

110 kV電網(wǎng)故障分析與繼電保護(hù)整定計算需考慮電網(wǎng)運行特征，在明確各類保護(hù)功能的前提下計算出整定值，具有較強(qiáng)的通用性。由于摒棄了傳統(tǒng)的整定值計算工具，更換的計算系統(tǒng)實現(xiàn)了電網(wǎng)繼電保護(hù)的計算自動化應(yīng)用目標(biāo)，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價值，提高了管理水平與工作質(zhì)量，應(yīng)用前景廣闊。