階段電流保護(hù)在10kV線路中分析與應(yīng)用

國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司齊齊哈爾供電公司 張延福

短路電流是整定計(jì)算的基礎(chǔ)，其是由各序分量依據(jù)對(duì)稱分量法計(jì)算而成故障量，依據(jù)電力系統(tǒng)短路故障電流分析，當(dāng)供電系統(tǒng)產(chǎn)生三相相間故障發(fā)生短路時(shí)[1]，短路電流的計(jì)算公式如下：

公式（1）中EΦ表示電源的電動(dòng)勢(shì)；Zd表示故障點(diǎn)到保護(hù)安裝位置短路阻抗；Zd.min表示在大運(yùn)行方式下系統(tǒng)最小等值電源阻抗。

供電系統(tǒng)大方式表示是電源點(diǎn)到短路故障位置等值阻抗最小而短路電流最大的方式，供電系統(tǒng)小方式原理相反表示，是電源點(diǎn)到短路故障位置等值阻抗最大而短路電流最小的方式。

10kV線路短路電流的大小將隨故障點(diǎn)位置的遠(yuǎn)近而變化，當(dāng)故障點(diǎn)遠(yuǎn)離電源時(shí)系統(tǒng)等值阻抗較大計(jì)算短路電流較小，其短路電流與位置關(guān)系如圖1所示，成反比例曲線，當(dāng)?shù)戎惦娫醇跋到y(tǒng)故障方式改變時(shí)，短路電流將隨之變化。

圖1 電流變化曲線

1 配電網(wǎng)特點(diǎn)

配電網(wǎng)電流保護(hù)的傳統(tǒng)原理是通過電流值及時(shí)間值使保護(hù)動(dòng)作，目前我國大力發(fā)展新能源發(fā)電，致使配電網(wǎng)存在一些問題，如配網(wǎng)使用線路很短、級(jí)聯(lián)開關(guān)、柱上開關(guān)及環(huán)網(wǎng)柜較多，致使電流保護(hù)原理難以滿足城市配網(wǎng)發(fā)展需要，因此對(duì)階段電流保護(hù)原理和整定計(jì)算的配合提出更多要求，如一旦線路發(fā)生故障，電流保護(hù)不能快速選擇性切除故障，致使頻繁停電增加居民用戶的損失，使人民電力獲得感降低[2]。

配網(wǎng)短路故障多是不可預(yù)見性隨時(shí)隨地都可發(fā)生的，其主要特點(diǎn)為：故障發(fā)生時(shí)往往伴隨多級(jí)開關(guān)跳閘或是越級(jí)停電現(xiàn)象，主要由于短路電流計(jì)算時(shí)分段電流保護(hù)配置不全所致，其次當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)搶救不及時(shí)、技術(shù)方法不嫻熟導(dǎo)致故障并未完全排除再次送電，致使用戶多次停電降低用電可靠性。對(duì)此，對(duì)于完善配電網(wǎng)整定計(jì)算原理、提高故障定位能力提出更高要求。

當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，要使短路電流對(duì)電力系統(tǒng)沖擊最小，故障點(diǎn)最近的保護(hù)能第一時(shí)間跳閘切除短路電流，往往選擇斷路器作為10kV線路的饋線開關(guān)，但是城區(qū)配網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，是由多方面原因造成的如同桿架設(shè)多條線路伴隨著多級(jí)跳閘的問題，導(dǎo)致不能快速識(shí)別故障產(chǎn)生的原因和類型，如一條線路瞬時(shí)性故障搭接到另一條線路或者是單條線路永久性故障。

配電網(wǎng)是電力傳輸?shù)匠菂^(qū)最終分配線路，電力設(shè)備簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)多為放射性布局，層級(jí)分布，當(dāng)配網(wǎng)線路發(fā)生異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，保護(hù)裝置能迅速反應(yīng)突變量變化判斷故障狀態(tài)的發(fā)生，但整定計(jì)算定值設(shè)置的不合理可導(dǎo)致保護(hù)的誤動(dòng)及拒動(dòng)，整定計(jì)算定值是繼電保護(hù)裝置保護(hù)電網(wǎng)安全運(yùn)行的最后一道屏障起著至關(guān)重要的作用，由于配電網(wǎng)建設(shè)的薄弱，對(duì)配電繼保配合及整定計(jì)算方案制定提出更高的要求，保障配網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行[3]。

我國對(duì)一次電網(wǎng)的設(shè)計(jì)與可研方面大多數(shù)重視發(fā)電及輸電和變電的建設(shè)，往往輕視配電網(wǎng)對(duì)城區(qū)供電的需求，傳統(tǒng)配電網(wǎng)構(gòu)建形式為線路從變電站低壓側(cè)母線出線柜引出，經(jīng)桿塔專供給用戶的專用線路和經(jīng)T接及環(huán)網(wǎng)柜拉手的公用負(fù)荷線路，多為輻射型單電源供電線路，在電源側(cè)安裝線路保護(hù)，保護(hù)原理為三段式電路保護(hù)，分別為電流速斷保護(hù)、瞬時(shí)電流速斷保護(hù)及過電流保護(hù)，由于城區(qū)配網(wǎng)多為瞬時(shí)性故障，所以保護(hù)自帶重合閘功能?，F(xiàn)如今，我國城市配電網(wǎng)故障自愈能力多數(shù)依靠自動(dòng)重合閘裝置，配網(wǎng)線路只重合一次，重合不成功線路三跳，這樣通過重合閘糾正能力對(duì)多T接線路及串聯(lián)線路實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的判斷，提升城區(qū)配網(wǎng)自適應(yīng)能力。

2 重合閘

在配網(wǎng)繼電保護(hù)裝置中自動(dòng)重合閘是其主要功能之一，其目的是當(dāng)配網(wǎng)線路發(fā)生短路故障時(shí)將斷路器跳開，保護(hù)裝置通過此功能重合斷路器，減少瞬時(shí)性故障對(duì)供電可靠性的影響。配網(wǎng)線路中80%以上故障都為非永久性故障，多數(shù)發(fā)生為鳥害或者樹木危害，以及空中物體掛在線路上等問題，引起電流增大保護(hù)裝置判斷跳閘，但此種情況多數(shù)為瞬時(shí)發(fā)生，并非影響線路絕緣水平，故障會(huì)瞬時(shí)消失，所以需要保護(hù)裝置自行重合開關(guān)送電，這樣減少供電員工因查找短路問題而影響送電時(shí)間，提高電網(wǎng)的供電能力[4]。

自動(dòng)重合閘應(yīng)用到配網(wǎng)線路中主要為三相一次重合閘，除了可以重合瞬時(shí)線路引起的故障，還可重合因開關(guān)機(jī)構(gòu)內(nèi)部問題或保護(hù)偷跳引起開關(guān)誤動(dòng)而重合，其主要工作原理如圖2所示。

圖2 重合閘工作原理

圖中重合閘啟動(dòng)原理為保護(hù)跳閘啟動(dòng)和開關(guān)偷跳通過TWJ位置繼電器啟動(dòng)，經(jīng)過延時(shí)時(shí)間t重合閘出口動(dòng)作，斷路器合閘。

3 階段電保護(hù)

3.1 電流速斷保護(hù)

對(duì)于電流快速增大而保護(hù)零秒動(dòng)作的瞬時(shí)電流保護(hù)，由于其具有選擇性，只能保護(hù)線路的一部分，其整定方式為躲本線路末端故障大方式下最大短路電流[5]，其公式為：

公式（2）中：Krel為可靠系數(shù)，其取值感應(yīng)保護(hù)時(shí)1.5，電磁保護(hù)時(shí)1.3。

因?yàn)殡娏魉贁啾Ｗo(hù)只能保護(hù)部分線路，所以用保護(hù)范圍來反應(yīng)速斷的靈敏性，最小的保護(hù)范圍為系統(tǒng)等值阻抗最大時(shí)兩相相間短路的情況，其保護(hù)范圍為全線路的15%～20%的長度。其公式如下：

最大保護(hù)范圍為：

3.2 延時(shí)電流速斷保護(hù)

因?yàn)殡娏魉贁啾Ｗo(hù)只能保護(hù)部分線路，當(dāng)線路末端發(fā)生故障時(shí)不能快速切除故障，進(jìn)而引出一段時(shí)間△t的延時(shí)電流保護(hù)作為電流速斷保護(hù)的后備保護(hù)，當(dāng)線路故障超出電流速斷的保護(hù)范圍時(shí)，延時(shí)電流速斷保護(hù)可以保護(hù)本線路全長且滿足靈敏性要求，其主要整定原則為保護(hù)本線路末端故障時(shí)有足夠的靈敏，其公式如下：

公式（5）中Klm表示靈敏度取1.3～1.5。

次要整定原則為與下一級(jí)線路電流速斷保護(hù)配合，公式為：

公式（6）中Kfz為分支系數(shù)，IdzI為相鄰線路電流速斷定值。其動(dòng)作時(shí)間比相鄰線路速斷保護(hù)動(dòng)作高一個(gè)時(shí)間極差△t=0.3s，公式為：

3.3 過電流保護(hù)

過電流保護(hù)作為相鄰線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)，不僅能保護(hù)本線路，還能保護(hù)下級(jí)線路全長，當(dāng)相鄰線路末端故障開關(guān)拒動(dòng)時(shí)，由本保護(hù)快速切除故障。其整定計(jì)算原則之一為躲本線路最大允許負(fù)荷電流，其公式為：

公式（8）中Kzqd為啟動(dòng)系數(shù)，按負(fù)荷性質(zhì)而定多數(shù)為1，Kf為返回系數(shù)微機(jī)保護(hù)取0.95，Ifh.max為最大允許負(fù)荷電流。

其原則之二為與相鄰線路過電流保護(hù)配合，公式為：

保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為：

階段式電流保護(hù)共分為三段過流保護(hù)，按選擇性和靈敏性共同保護(hù)本線路及相鄰下一級(jí)線路，其保護(hù)范圍及保護(hù)動(dòng)作時(shí)間如圖3所示，對(duì)保護(hù)線路安全穩(wěn)定運(yùn)行起絕對(duì)作用。

圖3 動(dòng)作時(shí)間

4 算例分析與應(yīng)用

某110kV變電站10kV線路結(jié)構(gòu)如圖4所示，其線路長度為2.823km，線路型號(hào)為JKLYJ-240架空線路，幾何均距Dcp=1.07，線路單位電阻值R=0.125Ω/km，單位電抗值X=0.3174Ω/km，電纜長度為1.575km，單位電阻值R=0.163Ω/km，電抗值X=0.093Ω/km，線路所帶3臺(tái)變壓器，其中#1、#2變壓器容量為1600kVA，兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行短路電壓分別為Uk%=6.07和Uk%=6.05，#3變壓器容量為630kVA，短路電壓為Uk%=6.01，上級(jí)110kV變電站10kV側(cè)等值阻抗大方式Zd.min=j0.4380，小方式Zd.max=j0.7621，線路CT變比為600/5A，所帶負(fù)荷為專用負(fù)荷，線路保護(hù)型號(hào)為CSC-211北京四方線路保護(hù)裝置。

圖4 一次系統(tǒng)圖

依據(jù)圖4一次系統(tǒng)，繪制出10kV線路等值阻抗計(jì)算圖如圖5所示。

圖5 阻抗計(jì)算圖

根據(jù)圖5阻抗圖可以計(jì)算出10kV線路電流速斷、瞬時(shí)電流速斷、過電流保護(hù)定值。其計(jì)算過程如下。

一是電流速斷保護(hù)按躲線路末端最大故障電流整定。

按保證線路出口有靈敏度整定：

取Idz=4920A，Idzj為4920/（600/5）=41A，時(shí)間t1=0s。小方式下電流速斷保護(hù)的范圍為如下：

大方式時(shí)：

二是延時(shí)電流速斷保護(hù)按保證線路末端故障有1.3倍靈敏度整定。

取Idz=1800A，二次值為1800/120=15A，時(shí)間為：t2=t1+0.3s=0.3s。

三是過電流保護(hù)躲線路最大負(fù)荷電流。

線路最大負(fù)荷電流為221.13A，公式為：

取Idz=360A，二次值為360/120=3A，時(shí)間t3=t2+0.3s=0.6s。

對(duì)#1、#2變低壓側(cè)靈敏度為2.7，對(duì)#3變低壓側(cè)靈敏度為1.34，滿足靈敏度要求。由于本線路為架空線路故投重合閘，重合閘時(shí)間取3s。

5 結(jié)語

10kV線路是配電網(wǎng)的主要供電方式，保護(hù)多層多級(jí)別分布，階段電流保護(hù)的三段式電流保護(hù)原理可以滿足選擇性與靈敏性的要求，其整定原則符合10kV線路發(fā)生短路時(shí)分段式切除故障，并通過算例分析，為配網(wǎng)科學(xué)有效運(yùn)行提供理論支撐。