繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同故障處理技術(shù)研究

陳 明

（國(guó)能神福（晉江）熱電有限公司，福建 晉江 362200）

良好的可靠性是配電網(wǎng)的重要性能指標(biāo)，受環(huán)境、設(shè)備老化等因素的綜合影響，配電網(wǎng)容易出現(xiàn)故障，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備、線路損毀。繼電保護(hù)措施用于切斷故障線路，保護(hù)一次設(shè)備。但其整定值不合理或保護(hù)缺乏配合，有可能導(dǎo)致越級(jí)動(dòng)作，沒(méi)出現(xiàn)故障的區(qū)段也會(huì)被切斷供電。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，使配電自動(dòng)化和繼電保護(hù)高度整合并進(jìn)行故障協(xié)同處理是解決上述問(wèn)題的有效途徑，因此本文對(duì)此進(jìn)行了探究。

1 繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同故障處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

常見(jiàn)的配電網(wǎng)故障類型包括單相對(duì)地故障、兩相對(duì)地故障、三相故障以及兩相故障。根據(jù)故障成因，可將其分為相間短路故障和小電流接地故障，下文將具體介紹針對(duì)這2類故障的繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同故障處理技術(shù)。

1.1 相間短路故障協(xié)同處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

1.1.1 基本思路

某配電網(wǎng)采用“電壓-時(shí)間”型饋線自動(dòng)化配電技術(shù)，利用斷路器實(shí)現(xiàn)分段開(kāi)關(guān)和分支開(kāi)關(guān)的功能，并為斷路器配置電流繼電保護(hù)措施。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)相間短路故障時(shí)，故障電流超過(guò)繼電保護(hù)措施的電流整定值，進(jìn)而觸發(fā)跳閘并自動(dòng)切除故障線路。如果出現(xiàn)越級(jí)跳閘，系統(tǒng)將通過(guò)重合閘為非故障區(qū)域恢復(fù)供電。在上述過(guò)程中，配電自動(dòng)化技術(shù)與繼電保護(hù)相互配合，進(jìn)單相接地故障協(xié)同處理。

1.1.2 主要斷路器的保護(hù)配置和整定

1.1.2.1 變電站出口斷路器保護(hù)配置

對(duì)變電站出口斷路器采取的保護(hù)措施為三段式電流保護(hù)和二次重合閘，具體配置方案如下。

三段式電流保護(hù)分為電流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)。在電流I段保護(hù)中，按照躲過(guò)線路末端最大短路電流設(shè)計(jì)整定值，如果該線路中存在配電變壓器，整定值有可能偏低，導(dǎo)致保護(hù)越級(jí)動(dòng)作[1]。為了實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和配電自動(dòng)化協(xié)同，出口斷路器的I段保護(hù)電流定值應(yīng)該配合主變二次側(cè)Ⅱ段保護(hù)電流定值。當(dāng)變壓器出口發(fā)生三相短路故障時(shí)，將相應(yīng)的額定短路電流記為Ik.s.N。如果母線發(fā)生兩相短路故障，該故障對(duì)應(yīng)的短路電流為母線上的最小短路電流，記為Ik.s.min。Ik.s.min和Ik.s.N間的關(guān)系應(yīng)滿足公式（1）。

為主變二次側(cè)Ⅱ段保護(hù)電流定值，將保護(hù)動(dòng)作的靈敏系數(shù)設(shè)置為1.5，則整定值應(yīng)符合公式（2）。

在繼電保護(hù)和配電自動(dòng)化的協(xié)同配合中，變壓器出口電流I段保護(hù)應(yīng)為的10/11倍。因此，變電站出口斷路器的電流I段保護(hù)整定值IIset.1的計(jì)算結(jié)果為公式（3）。

在實(shí)際工作中，為了便于管理，需要統(tǒng)一所有配電線路的I段保護(hù)電流整定值。以10kV配電線路為例，發(fā)生相間短路故障時(shí)，主變出口額定短路電流為15kA，即Ik.s.N約為15kA，則的整定結(jié)果約為0.53×15=7.95kA。工程實(shí)踐中將I段保護(hù)電流整定值設(shè)置為7kA。配電自動(dòng)化系統(tǒng)檢測(cè)短路電流，一旦發(fā)現(xiàn)超過(guò)整定值，即自動(dòng)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作[2]。

對(duì)變電站出口斷路器電流Ⅱ段保護(hù)的整定要求為躲過(guò)下級(jí)配電變壓器二次最大短路電流和線路冷啟動(dòng)電流。在實(shí)際工作中將其整定值統(tǒng)一取為3kA，該段保護(hù)動(dòng)作的時(shí)限設(shè)置為0.6s，該保護(hù)動(dòng)作需要配合下游保護(hù)。

對(duì)于變電站出口斷路器的電流Ⅲ段保護(hù)，應(yīng)按照躲過(guò)最大負(fù)荷電流進(jìn)行整定。在實(shí)際工作中，將該段的電流整定值設(shè)置為1.2kA，相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)限設(shè)置為1.8s。

二次重合閘是變電站出口斷路器保護(hù)配置的重要技術(shù)措施。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生相間短路故障后觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，先進(jìn)行一次重合閘，此時(shí)故障通常會(huì)自動(dòng)消除，再進(jìn)行二次重合閘，即可恢復(fù)供電。

1.1.2.2 分段斷路器保護(hù)配置

配電網(wǎng)主干線路較長(zhǎng)，當(dāng)任意一段主干線路出現(xiàn)故障時(shí)，有可能引起全線停電。為了保證非故障段的正常供電，需要為分段斷路器設(shè)置繼電保護(hù)，具體措施為兩段電流保護(hù)和一次重合閘。在電力工程實(shí)踐中，為了簡(jiǎn)化繼電保護(hù)系統(tǒng)、提高可靠性，可利用“電壓-時(shí)間”型饋線自動(dòng)化系統(tǒng)隔離發(fā)生故障的主干線路，以代替分段斷路器的保護(hù)配置，實(shí)現(xiàn)原理與保護(hù)配置相同[3]。根據(jù)保護(hù)配置的原理，分段斷路器的繼電保護(hù)分為電流Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)。

在電流Ⅱ段保護(hù)中，將動(dòng)作時(shí)限設(shè)置為0.6m，并且該保護(hù)動(dòng)作需要配合下游分支線與分界開(kāi)關(guān)。在工程實(shí)踐中，隨著線路的延長(zhǎng)，采用遞減方式確定各分段斷路器的Ⅱ段保護(hù)電流定值。第一個(gè)分段斷路器設(shè)置為2kA，第二個(gè)和第三個(gè)分別為1.2kA、0.8kA。

在電流Ⅲ段保護(hù)中，整定要求為躲過(guò)最大負(fù)荷電流，按照0.2s的級(jí)差設(shè)置動(dòng)作時(shí)限。將變壓器出口斷路器的電流Ⅲ段保護(hù)定值作為基礎(chǔ)，分段斷路器的整定值在這一基礎(chǔ)上依次按照30%進(jìn)行遞減[4]。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，分段斷路器可以迅速切斷電流，防止故障擴(kuò)大。故障排除后，分段斷路器需要進(jìn)行重合閘以恢復(fù)供電。要想設(shè)置分段斷路器的重合閘動(dòng)作，需要引入一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——?jiǎng)幼鲿r(shí)限。在本次研究中，相關(guān)工作人員根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際情況，將動(dòng)作時(shí)限設(shè)為1.0s，以確保在故障發(fā)生后分段斷路器能夠迅速合閘，恢復(fù)供電。

1.1.3 相間短路保護(hù)配置整體方案

對(duì)于一個(gè)典型的放射式三分段線路相間短路故障，按照10kV的電壓等級(jí)，配電網(wǎng)各級(jí)斷路器的繼電保護(hù)配置和整定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 相間短路保護(hù)配置方案和整定結(jié)果

1.1.4 相間短路故障點(diǎn)下游非故障區(qū)供電恢復(fù)方案

當(dāng)繼電保護(hù)發(fā)揮作用后，故障點(diǎn)下游的非故障區(qū)域應(yīng)盡快恢復(fù)電力供應(yīng)。此時(shí)主要通過(guò)配電自動(dòng)化系統(tǒng)控制跳閘和重合閘來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)。在一個(gè)典型的單聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)線路中，假設(shè)該線路前、后端分別連接A變電站母線和B變電站母線，線路上設(shè)置有2個(gè)斷路器和5個(gè)開(kāi)關(guān)。斷路器QF1位于A變電站母線端，斷路器QF2位于B變電站母線端，Q1、Q2、Q3、Q4和Q5均為開(kāi)關(guān)，位于QF1和QF2間的線路，并按照順序依次布置，其中Q3為常開(kāi)的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。QF1和Q1間發(fā)生永久性故障k1，Q1和Q2間發(fā)生永久性故障k2，Q2和Q3間發(fā)生永久性故障k3。

當(dāng)k1故障發(fā)生后，電力系統(tǒng)中的斷路器繼電保護(hù)裝置立即工作。保護(hù)裝置在檢測(cè)到故障信號(hào)后，觸發(fā)跳閘動(dòng)作，將故障部位從系統(tǒng)中隔離，防止故障擴(kuò)散到其他區(qū)域。在故障切除過(guò)程中，Q3開(kāi)關(guān)發(fā)揮了重要作用。當(dāng)Q3開(kāi)關(guān)檢測(cè)到單側(cè)失壓故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行合閘，嘗試恢復(fù)供電。但是在繼電器合閘前，Q1和Q2開(kāi)關(guān)檢測(cè)到k1故障引發(fā)的過(guò)電流即跳閘，因此Q1和Q2開(kāi)關(guān)的跳閘操作起到了保障供電安全的作用。在故障處理過(guò)程中，Q2和Q1開(kāi)關(guān)分別執(zhí)行重合閘和延時(shí)重合閘操作，延時(shí)重合閘是為了防止故障再次發(fā)生，在一定時(shí)間內(nèi)延遲合閘操作。這2種操作方式各有側(cè)重，共同保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 小電流接地故障協(xié)同處理技術(shù)

1.2.1 基本思路

根據(jù)國(guó)內(nèi)、國(guó)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于小電流接地故障、永久性單相接地故障，現(xiàn)階段最常用的處理方法是就近快速隔離，相應(yīng)的隔離措施為自動(dòng)跳閘。根據(jù)暫態(tài)原理為小電流接地故障配置方向保護(hù)，保護(hù)配置針對(duì)出口斷路器、分段斷路器、分支斷路器以及分界斷路器，各級(jí)自動(dòng)跳閘的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)相互配合，因此采取階梯式動(dòng)作[4]。如果成功隔離小電流接地故障點(diǎn)，則聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)重合閘以恢復(fù)供電。

1.2.2 小電流接地故障的保護(hù)配置與整定

1.2.2.1 配電系統(tǒng)故障模型

針對(duì)變電站出口斷路器和線路上的分段、分支、分界開(kāi)關(guān)，將暫態(tài)方向保護(hù)措施設(shè)置在配電終端，當(dāng)繼電系統(tǒng)檢測(cè)到接地故障的方向時(shí)，保護(hù)措施進(jìn)行延時(shí)動(dòng)作。在故障模型中，QFA和QFB為斷路器，F(xiàn)TU為配電開(kāi)關(guān)的監(jiān)控終端，Q1’、Q2’、Q3’、Q4’和Q5’均為開(kāi)關(guān)，k1’～k3’為線路上的小電流接地故障點(diǎn)，R’為斷路器通電回路電阻值。FTU數(shù)量為5個(gè)，分別用于監(jiān)控Q1’～Q5’。線路為單聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)，故障點(diǎn)k1’位于QFA和Q1’間，故障點(diǎn)k2’位于Q1’和Q2’間，故障點(diǎn)k3’位于Q2’和Q3’間，并且Q3’為常開(kāi)的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。

1.2.2.2 針對(duì)小電流接地故障的保護(hù)配置方案

針對(duì)小電流接地故障，設(shè)計(jì)2種繼電保護(hù)措施，分別為普通零序過(guò)電流保護(hù)和高靈敏度零序過(guò)電流保護(hù)，各級(jí)斷路器的保護(hù)電流整定值和動(dòng)作時(shí)限見(jiàn)表2。

表2 小電流接地系統(tǒng)單相接地保護(hù)配置方案

1.2.3 小電流接地故障點(diǎn)下游非故障區(qū)供電恢復(fù)方案

在1.2.2節(jié)建立的故障模型中，當(dāng)k1’永久故障發(fā)生后，觸發(fā)斷路器QFA的繼電保護(hù)動(dòng)作，數(shù)秒后切除故障區(qū)域。此時(shí)，常開(kāi)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)Q3’檢測(cè)到一側(cè)失壓，進(jìn)而自動(dòng)合閘[5]。由于k1’觸發(fā)的繼電保護(hù)措施切除了故障，因此開(kāi)關(guān)Q1’、Q2’失電，相應(yīng)的繼電保護(hù)措施通過(guò)跳閘切除故障，然后由Q2’先進(jìn)行重合閘操作，1s后Q1’再進(jìn)行重合閘操作，故障點(diǎn)下游的線路即恢復(fù)到正常供電狀態(tài)。

2 繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同故障處理技術(shù)仿真分析

2.1 仿真模型搭建

本文利用ATP軟件搭建如圖1所示的仿真模型，對(duì)上文建立的故障協(xié)同處理技術(shù)進(jìn)行模擬分析。模型變電站電壓等級(jí)為110/10kV，設(shè)計(jì)了3條線路，長(zhǎng)度分別為10km、8km和4km。QF1、QF2為斷路器，S1～S8均為開(kāi)關(guān)并同時(shí)作為檢測(cè)點(diǎn)，Y/Y0為變壓器的接線方式。架空線路的模擬參數(shù)包括正序電阻、零序電阻，取值分別為0.132Ω/km、0.378Ω/km；正序電感和零序電感分別為0.319mH/km、1.4993mH/km；正序電容和零序電容分別為3.597μF/km、1.267μF/km。模型中的k1～k3為故障點(diǎn)。

圖1 仿真模型

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 相間短路故障協(xié)同處理效果分析

以k1處故障為例，通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)S1可獲得相電流和相電壓數(shù)據(jù)。在相電流數(shù)據(jù)中，A相為正常電流，B相為故障電流，在0.01s～0.02s的時(shí)段內(nèi)，A相和B電流波形、幅值基本一致，約為0A。0.02s后，B相發(fā)生相間短路故障，其電流呈波動(dòng)變化，幅值為-4500A～7800A，A相電流依然保持穩(wěn)定（約為0A）。斷路器QF1和觀測(cè)點(diǎn)S1處的相電壓變化趨勢(shì)見(jiàn)表3，出口斷路器B相電壓約為A相電壓的0.749倍，＞0.5。S1觀測(cè)點(diǎn)靠近故障發(fā)生位置，該點(diǎn)B相電壓約為A相電壓的0.5倍。S1處配置了斷路器電流Ⅱ段保護(hù)，斷路器電壓高于觀測(cè)點(diǎn)電壓，可有效觸發(fā)繼電保護(hù)，對(duì)故障完成隔離。

表3 斷路器QF1和觀測(cè)點(diǎn)S1處的B相電壓

2.2.2 小電流接地故障協(xié)同處理效果分析

當(dāng)配電網(wǎng)中發(fā)生小電流接地故障時(shí)，其上、下游的暫態(tài)零模電流會(huì)產(chǎn)生不同的相位方向。假設(shè)小電流接地故障發(fā)生在模型中的k1處，S1觀測(cè)點(diǎn)位于故障點(diǎn)的上游，S2觀測(cè)點(diǎn)位于故障點(diǎn)的下游。S1點(diǎn)的電流在初始階段整體為負(fù)值，隨后保持波動(dòng)變化。S2點(diǎn)初始階段的電流整體為正值，隨后保持穩(wěn)定（波形近似直線）[6]。根據(jù)上述變化趨勢(shì)，可通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)暫態(tài)電流的波形特點(diǎn)判斷故障點(diǎn)的位置。當(dāng)斷路器和檢測(cè)點(diǎn)S1處均檢測(cè)到正向接地故障時(shí)，由于2處的繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)限存在差異，前者為5.0s，后者為4.5s，因此配點(diǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)S1先動(dòng)作，達(dá)到了選擇性隔離故障區(qū)段的目的。

3 研究結(jié)果綜合討論

根據(jù)上文研究?jī)?nèi)容，繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化協(xié)同處理技術(shù)的主要應(yīng)用價(jià)值如下。1）通過(guò)繼電保護(hù)措施，選擇性地切除、隔離故障區(qū)段。此次主要針對(duì)相間短路故障和小電流接地故障提出繼電保護(hù)的配置方法，并明確了保護(hù)電流的整定值，仿真結(jié)果驗(yàn)證了選擇性故障隔離功能的有效性。2）繼電保護(hù)措施觸發(fā)后，利用配電自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行重合閘等操作，以恢復(fù)故障點(diǎn)下游非故障區(qū)段的供電。

4 結(jié)語(yǔ)

配電網(wǎng)的常見(jiàn)故障形式包括相間短路故障、小電流接地故障。對(duì)繼電保護(hù)措施和配電自動(dòng)化進(jìn)行整合，可實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同工作，提高系統(tǒng)對(duì)故障的應(yīng)對(duì)能力。本文根據(jù)故障協(xié)同處理的要求，將故障區(qū)段快速隔離和線路恢復(fù)作為目標(biāo)，提出了具體的繼電配置方案，對(duì)電流和動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行整定，制定了非故障區(qū)段的線路恢復(fù)方案。利用仿真工具檢驗(yàn)故障隔離效果，驗(yàn)證了協(xié)同處理技術(shù)的應(yīng)用效果。