10kV配電系統(tǒng)綜合繼電保護(hù)的實(shí)現(xiàn)研究

西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 肖 羽

1 實(shí)現(xiàn)綜合繼電保護(hù)的主要途徑

1.1 安裝繼電保護(hù)裝置

當(dāng)前，能夠應(yīng)用于配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的裝置，主要以電流互感器和高壓隔離開關(guān)為主。電流互感器能夠在滿足測(cè)試儀表功能的前提下，將繼電器等二次設(shè)備與高壓實(shí)現(xiàn)隔離，從而有效確保人身安全。同時(shí)，也能夠避免電路中出現(xiàn)短路電流時(shí)，由于短路電流直接通過測(cè)試儀表，以及繼電器而導(dǎo)致相應(yīng)設(shè)備受到電流沖擊發(fā)生故障。

對(duì)于電流互感器的檢測(cè)，以絕緣電阻、交流耐壓、級(jí)性檢查、退磁檢查為主[1]。高壓隔離開關(guān)在配電系統(tǒng)中的作用，以隔離高壓電源為主，在對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行安全檢修過程中，應(yīng)注重考慮是否存在帶負(fù)載操作現(xiàn)象，以切斷短路電流為主要目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)10kV配電系統(tǒng)的有效保護(hù)。

1.2 優(yōu)化配電系統(tǒng)運(yùn)行與檢查維護(hù)系數(shù)

為保障10kV配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在系統(tǒng)運(yùn)行中安裝繼電保護(hù)裝置的同時(shí)，也需要結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行的整體情況，明確系統(tǒng)運(yùn)行中各項(xiàng)參數(shù)的變化是否符合系統(tǒng)安全狀況下的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。無論是在系統(tǒng)的正常運(yùn)行檢查還是故障維修處理中，都可應(yīng)用這一方式來作為判斷系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生故障的依據(jù)。對(duì)于配電系統(tǒng)運(yùn)行與檢查維護(hù)中涉及的各項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)，以加強(qiáng)繼電保護(hù)的可靠性為主要目標(biāo)，通常會(huì)涉及可靠度、可用度、故障率、修復(fù)率、計(jì)劃檢修率、切換時(shí)間等具體的指標(biāo)內(nèi)容[2]。而這些系數(shù)指標(biāo)需要通過系統(tǒng)運(yùn)行中的電流、電壓大小對(duì)于系統(tǒng)整體運(yùn)行的影響顯示出來。在實(shí)際對(duì)10kV配電系統(tǒng)進(jìn)行繼電保護(hù)時(shí)，主要可基于整定計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn)提升加強(qiáng)繼電保護(hù)的效果。

1.3 應(yīng)用PLC技術(shù)

將PLC應(yīng)用到10kV配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)當(dāng)中，能夠基于PLC系統(tǒng)各種豐富的I/O功能擴(kuò)展模塊來滿足用戶對(duì)于保障配電系統(tǒng)運(yùn)行安全的需求。結(jié)合當(dāng)前推動(dòng)配電系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，可應(yīng)用PLC系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于10kV配電系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、測(cè)量與保護(hù)。借助PLC系統(tǒng)，可讓配電系統(tǒng)安裝的繼電保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，對(duì)繼電保護(hù)裝置的總受樞、變壓器配出樞，以及三相電流是否過流等情況進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)的元件存在異常或故障問題時(shí)，能夠直接基于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來啟動(dòng)報(bào)警裝置。

2 實(shí)現(xiàn)10kV配電系統(tǒng)綜合繼電保護(hù)的具體措施分析

基于保障10kV配電系統(tǒng)安全運(yùn)行的需求，以提升綜合繼電保護(hù)的水平效果為主要目的，在10kV配電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，主要可采取以下幾個(gè)方面措施來保障配電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和效率。

2.1 科學(xué)設(shè)置繼電保護(hù)裝置

為提升10kV配電系統(tǒng)綜合繼電保護(hù)的實(shí)際效果，需要對(duì)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)用的各類保護(hù)裝置進(jìn)行科學(xué)設(shè)置和選擇。電流電壓互感器、高壓斷路器隔離開關(guān)是當(dāng)前10kV配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)時(shí)應(yīng)用的主要裝置類型。對(duì)于電流電壓互感器的設(shè)置，應(yīng)要求相關(guān)人員能夠基于10kV配電系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況，按照電流互感器變比為300:5的比例標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的電流與電壓互感器類型。應(yīng)用電壓與電流互感器，能夠?qū)⑵渥鳛槔^電保護(hù)與信號(hào)裝置電源，進(jìn)而發(fā)揮隔離高壓電路與繼電保護(hù)裝置的作用。在實(shí)際選擇和設(shè)置電壓電流互感器時(shí)，需要在盡可能避免應(yīng)用過長的二次測(cè)電纜線基礎(chǔ)上，結(jié)合10kV配電系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際需求來推動(dòng)電壓電流傳感器朝著智能化的方向發(fā)展。

對(duì)于高壓斷路器隔離開關(guān)的設(shè)置，考慮到當(dāng)前10kV配電系統(tǒng)中應(yīng)用的高壓隔離開關(guān)并未裝有滅弧裝置，在發(fā)生短路電流的情況下很難切斷，因而需要考慮通過搭配高壓斷路器的方式來提升高壓隔離開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用效果。

在10kV配電系統(tǒng)中，還應(yīng)注重對(duì)于高壓熔斷器負(fù)荷開關(guān)的科學(xué)設(shè)置。高壓熔斷器本身是一種能夠用于系統(tǒng)運(yùn)行的保護(hù)電器，如果系統(tǒng)電路受到短路過負(fù)荷等因素的影響而熔斷，就可直接應(yīng)用高壓熔斷器來將系統(tǒng)電路斷開。盡管高壓負(fù)荷開關(guān)能夠通過通斷操作的方式來隔離高壓電源，但發(fā)現(xiàn)當(dāng)前配電系統(tǒng)中應(yīng)用的高壓負(fù)荷開關(guān)內(nèi)部設(shè)置的滅弧裝置也較為簡(jiǎn)單，在設(shè)置高壓負(fù)荷開關(guān)時(shí)，也需要通過配合高壓熔斷器的方式來提升繼電保護(hù)的實(shí)際效果。結(jié)合當(dāng)前配電系統(tǒng)運(yùn)行的高效和安全需求，在科學(xué)設(shè)置繼電保護(hù)裝置的過程中，也可將其與PLC遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)配合起來，對(duì)相關(guān)人員對(duì)配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行情況、監(jiān)測(cè)和排除系統(tǒng)運(yùn)行的故障問題提供更便利的途徑。

2.2 繼電保護(hù)整定計(jì)算

以加強(qiáng)10kV配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)為主要目標(biāo)，從10kV配電系統(tǒng)運(yùn)行涉及的相關(guān)指標(biāo)和系數(shù)角度入手，可通過整定計(jì)算的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)于配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)?；?0kV配電系統(tǒng)的運(yùn)行要求，可應(yīng)用裝設(shè)微機(jī)型三階段式電流相間保護(hù)裝置的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)的過電流保護(hù)、限時(shí)電流保護(hù)以及電流速斷保護(hù)需求。

在過電流保護(hù)方面，考慮到在10kV配電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的情況下，動(dòng)作電流容易超過線路最大負(fù)載電流，可通過切除外部故障的方式來讓線路電壓恢復(fù)到正常狀態(tài)。在這一過程中，基于這一前提來進(jìn)行過電流保護(hù)定值的計(jì)算，需要基于以下公式來實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)會(huì)自啟動(dòng)且產(chǎn)生短時(shí)過載情況下的二次動(dòng)作電流：，不考慮電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)因素情況下的二次動(dòng)作電流：，式中：KK代表可靠系數(shù)，通常取值在1.15～1.20；Kzd代表電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)系數(shù)通常取值在1.5～3；Kh代表電流繼電器的返回系數(shù)通常取值為0.85；KT代表電流繼電器的變化值；IcMAX代表線路的最大負(fù)荷。將相關(guān)系數(shù)在通常情況下的取值代入到以上公式當(dāng)中，在確定電流保護(hù)時(shí)限為0.6～0.8s的前提下，可基于二次動(dòng)作電流的大小來選擇合適型號(hào)的繼電保護(hù)裝置。

在限時(shí)電流速斷保護(hù)方面，在考慮保護(hù)配電系統(tǒng)的線路全長前提下，應(yīng)考慮動(dòng)作電流不超過線路末端二相短路電流的大小，動(dòng)作電流的實(shí)現(xiàn)也需要比過電流保護(hù)小0.3s左右?；诖?，在對(duì)這一情況下的二次動(dòng)作電流進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主要可應(yīng)用以下公式：，式中：Z系統(tǒng)小代表整個(gè)配電系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下的阻抗標(biāo)值；Z線路代表配電系統(tǒng)線路全長的阻抗標(biāo)值。

結(jié)合10kV配電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)在電流速斷保護(hù)的情況下，由于10kV配電系統(tǒng)通常應(yīng)用1.5km以內(nèi)長度的進(jìn)線電纜進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致短路電流和上級(jí)短路電流沒有明顯差異，上下值定值的配合難度就會(huì)提高。在考慮10kV配電系統(tǒng)選擇性運(yùn)行要求的基礎(chǔ)上，需要通過時(shí)限控制的方式，結(jié)合以上對(duì)二次動(dòng)作電流的計(jì)算結(jié)果來構(gòu)建帶時(shí)限電流速斷保護(hù)配置。

在此基礎(chǔ)上，還需要對(duì)速段保護(hù)的靈敏度進(jìn)行校驗(yàn)。如果10kV配電系統(tǒng)應(yīng)用的變壓器容量不超過2000kVA，可結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況來選擇，是否需要通過縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)方式來進(jìn)行配置。基于靈敏度檢測(cè)的結(jié)果，當(dāng)系統(tǒng)高壓側(cè)過電流保護(hù)低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，需要將縱插聯(lián)動(dòng)保護(hù)裝置安裝于變壓器的性線中，并通過構(gòu)建過負(fù)荷保護(hù)、低電壓保護(hù)、單相接地保護(hù)等方面的措施，提升保障10kV配電系統(tǒng)安全運(yùn)行的效果。而如果變壓器的容量超過2000kVA，對(duì)于不符合電流速斷保護(hù)靈敏度要求的情況，需要直接設(shè)置縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置以及反時(shí)限過電流保護(hù)裝置。

2.3 設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)

以設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)的方式來實(shí)現(xiàn)10kV配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，能夠以滿足系統(tǒng)控制要求的方式來提升配電系統(tǒng)的運(yùn)行和生產(chǎn)效率。在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，首先需要明確系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)思路。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具體，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分，并能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過調(diào)試測(cè)試的方法來驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的有效性。

結(jié)合前面的分析可發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)最主要的目的就是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于10kV配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在基于PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用原理的前提下，可明確對(duì)于PLC控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)應(yīng)具體包括采集與處理、監(jiān)督、管理和控制的功能。系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)能夠?qū)?0kV配電系統(tǒng)中的總受柜、變壓器配出柜等電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，然后通過模擬量輸入模塊，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字量信號(hào)。如果在這一采集和分析的過程中出現(xiàn)欠壓或過流警報(bào)的情況，可直接通過設(shè)備自動(dòng)跳閘或手動(dòng)控制開關(guān)的方式來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。這一過程主要通過電纜，以及上位監(jiān)控管理機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于采集參數(shù)的提取和處理。

圖1 PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行流程

具體而言，在PLC系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，需要結(jié)合10kV配電系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況，選擇合適的PLC系統(tǒng)類型。著重從PLC系統(tǒng)的CPU、數(shù)字輸入點(diǎn)以及輸出點(diǎn)等指標(biāo)來確定具體的系統(tǒng)硬件型號(hào)。而對(duì)于系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)，主要以應(yīng)用一套繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單指令形式，充分發(fā)揮微處理器在PLC編制程序運(yùn)行中的作用。在結(jié)合10kV配電系統(tǒng)整體控制要求與PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的前提下，需要明確I/O分配表。

對(duì)于PLC控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)備，具體包括斷路器、電壓互感器、電流互感器、避雷器以及移相電容器等電器元件。而對(duì)于PLC控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，需要在明確系統(tǒng)運(yùn)行程序的前提下，應(yīng)用控制開關(guān)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于10kV配電系統(tǒng)的斷電控制，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的過流、欠壓保護(hù)等情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，基于自動(dòng)檢測(cè)的原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)配電系統(tǒng)運(yùn)行的有效保護(hù)。在明確PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求以及I/O分配表之后，可通過設(shè)計(jì)PLC梯形圖的方式（如圖2所示），滿足應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。

圖2 PLC梯形圖

在完成PLC系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)后，還需要通過調(diào)試測(cè)試的方法來進(jìn)行驗(yàn)證。在對(duì)PLC梯形圖程序進(jìn)行編譯確保沒有失誤之后，將該程序安裝到PR控制系統(tǒng)當(dāng)中，以開關(guān)模擬的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)于配電系統(tǒng)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控?；赑LC技術(shù)本身擁有的較強(qiáng)抗干擾能力和控制能力，控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單化等方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可將其用于對(duì)10kV配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控當(dāng)中，第一時(shí)間了解其中可能存在的故障和異常情況，在提高配電系統(tǒng)整體運(yùn)行管理水平的同時(shí)，也能夠有效保障配電系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

綜上，要想發(fā)揮綜合繼電保護(hù)在10kV配電系統(tǒng)運(yùn)行中的作用，可嘗試多種方法?？紤]到當(dāng)前配電系統(tǒng)運(yùn)行中的繼電保護(hù)存在一定的問題，對(duì)于10kV配電系統(tǒng)綜合繼電保護(hù)的優(yōu)化，可在保證科學(xué)設(shè)置繼電保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，著重從配電網(wǎng)絡(luò)故障維護(hù)的角度來優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可基于PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)配電系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化控制，提升10kV配電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和質(zhì)量。