DQZHAN技術訊：繼電保護配合提高配電自動化故障處理性能
據(jù)統(tǒng)計，超過85%的故障停電是配電網(wǎng)故障造成的，隨著配電自動化系統(tǒng)的建設，采用自動化手段進行故障快速處理，對于提高供電可靠性已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。
配電自動化系統(tǒng)一般采用集中智能，在收集由配電自動化終端設備上報的故障信息的基礎上，采用故障定位規(guī)則進行故障定位和隔離，然后進行網(wǎng)絡重構，*大限度地恢復健全區(qū)域供電。但是一般都會引起健全區(qū)域的短暫停電，即使故障僅僅發(fā)生在輻射狀分支或用戶側也是如此。
根據(jù)國家電網(wǎng)公司已經(jīng)建成的城市配電自動化系統(tǒng)故障處理記錄統(tǒng)計，超過80%的故障發(fā)生在分支線或用戶側的架空部分，并且以兩相相間短路居多。主干線大多已經(jīng)電纜化或采用絕緣導線，故障率較低，故障的主要原因是外力破壞。
繼電保護配合能夠迅速切除故障，恢復健全部分供電而不造成短暫停電，但是由于城市配電網(wǎng)級聯(lián)開關數(shù)較多、供電半徑較短而沿線短路電流差別不大、運行方式多變等特點，配電網(wǎng)繼電保護配合很困難。
本文結合相關標準，深入分析多級級差配合的配電網(wǎng)繼電保護的可行性和適應范圍，討論不具備多級級差保護配合條件時的處理和分布式電源接入帶來的影響，論證采用繼電保護配合提高配電自動化故障處理性能的觀點。
配電網(wǎng)多級保護配合的可行性
對于供電半徑較長、分段數(shù)較少的開環(huán)運行農(nóng)村配電線路，在線路發(fā)生故障時，故障位置上游各個分段開關處的短路電流水平差異比較明顯時，可以采取電流定值與延時級差配合的方式(如3段式過流保護或反時限過流保護)實現(xiàn)多級保護配合，有選擇性地快速切除故障。
對于供電半徑較短的開環(huán)運行城市配電線路或分段數(shù)較多的開環(huán)運行農(nóng)村配電線路，在線路發(fā)生故障時，故障位置上游各個分段開關處的短路電流水平往往差異比較小，無法針對不同的開關設置不同的電流定值，此時僅能依靠保護動作延時時間級差配合實現(xiàn)故障有選擇性的切除。
多級級差保護配合是指：通過對變電站10 kV出線斷路器和 10 kV饋線開關過流保護設置不同的動作延時時間來實現(xiàn)保護配合。
(1) 變電站出線斷路器不裝設瞬時電流速斷保護的情形
在線路短路不會造成發(fā)電廠廠用母線或重要用戶母線電壓低于額定電壓的60%、線路導線截面較大允許帶時限切除短路、并且過電流保護的時限不大于0.5~0.7 s的情形，可不裝設瞬時電流速斷保護，而采用延時電流速斷保護或過電流保護，從而為多級級差保護配合提供了條件。
(2) 變電站出線斷路器裝設瞬時電流速斷保護的情形
瞬時速斷保護定值一般按躲過線路末端*大三相短路電流和勵磁涌流整定，可靠系數(shù)一般大于1.3。而在配電網(wǎng)上發(fā)生的相間短路故障中，絕大部分是兩相相間短路故障。
因此，瞬時速斷保護不能保護饋線全長，其保護范圍一般僅僅局限在相距母線較近的饋線段，定義變電站出線斷路器瞬時電流速斷保護范圍的臨界點為lC，饋線以lC 為界分為兩個部分：上游部分不具備多級級差保護配合的條件;下游部分發(fā)生兩相相間短路故障時(末端甚至三相相間短路故障時)，將不引起變電站出線斷路器的瞬時電流速斷保護動作，而只是啟動其延時電流速斷保護或過電流保護，從而具備了多級級差保護配合的條件。
具備多級級差保護配合條件的區(qū)域示意圖
由于10 kV饋線都從主變電站供出，一般情況下一條饋線的供電范圍大致呈扇形，越向下游分支越多，因此對于變電站出線斷路器裝設了瞬時電流速斷保護的饋線，其具備多級級差保護配合條件的區(qū)域恰好落于分支比較多的范圍，對于實施即將描述的變電站出線開關-分支開關-次分支開關(或用戶開關)的多級級差配合非常有利。
(3) 時間級差的整定
對于不裝設瞬時電流速斷保護的情形，可以在整條饋線上進行多級級差保護配合，對于裝設瞬時電流速斷保護的情形，可以在lC 下游部分的分支或用戶開關與變電站出線開關之間進行多級級差保護配合。
變電站出線斷路器過流保護動作時間一般設置為0.5~0.7 s。考慮*不利的情況，為了不影響上級保護的整定值，需要在此時間內(nèi)安排多級級差保護的延時配合。
對于饋線斷路器使用彈簧儲能操動機構的情形，其分閘時間一般為60~80 ms，采用全波傅氏算法故障檢測的保護出口時間在30 ms左右，繼電器驅動時間一般為5 ms左右，考慮一定的時間裕度，延時時間級差Dtjc可以設置為250~300 ms，從而實現(xiàn)兩級級差保護配合。
對于饋線斷路器使用永磁操動機構的情形，其分閘時間可以做到20 ms左右。采用全波傅氏算法故障檢測的保護出口時間在30 ms左右(采用半波傅氏算法更快，但是不提倡，因其不能濾除偶次諧波)，若采用IGBT驅動，則時間可忽略不計，若仍采用繼電器驅動則一般在5 ms左右，考慮一定的時間裕度，延時時間級差Dtjc 可以設置為200 ms，從而實現(xiàn)三級級差保護配合。
在系統(tǒng)的抗短路電流承受能力較強的情況下，可適當延長變電站變壓器低壓側開關的過流保護動作延時時間，以便提高多級級差配合的可靠性。
由于要求變壓器、斷路器、負荷開關、隔離開關、線路以及電流互感器的熱穩(wěn)定校驗時間為2 s，因此所建議的多級級差保護配合方案并沒有對這些設備的熱穩(wěn)定造成影響。
多級級差保護的配置原則
1) 兩級級差保護的配置原則
(1) 主干饋線開關全部采用負荷開關;
(2) 用戶(或次分支)開關或分支開關采用斷路器;
(3) 變電站出線開關根據(jù)需要決定是否裝設瞬時電流速斷保護，其過電流保護的延時時間設置為一個時間級差Dtjc ;
(4) 具備多級級差保護配合條件的區(qū)域(對于不裝設瞬時電流速斷保護的饋線為其整條饋線，對于裝設瞬時電流速斷保護的饋線為其lC 下游部分的區(qū)域)的用戶(或次分支)斷路器或分支斷路器保護動作延時時間設定為0 s，電流定值按照躲開下游*大負荷以及勵磁涌流設置。
采用上述兩級級差保護配置后具有下列優(yōu)點：
(1) 分支或用戶(或次分支)故障發(fā)生后，相應分支或用戶(或次分支)開關首先跳閘，而變電站出線開關不跳閘，因此不會造成全線停電，有助于減少故障后導致停電的用戶數(shù)。
(2) 不會發(fā)生開關多級跳閘或越級跳閘的現(xiàn)象，因此故障處理過程簡單，操作的開關數(shù)少，瞬時性故障恢復時間短。
(3) 主干線采用負荷開關相比全斷路器方式降低了造價。
2) 三級級差保護的配置原則
采用三級級差保護的典型配置為：變電站10 kV出線開關、具備多級級差保護配合條件區(qū)域的饋線分支開關與用戶(或次分支)開關形成三級級差保護，其中用戶(或次分支)開關過流保護動作延時時間設定為0 s，電流定值按照躲開下游*大負荷以及勵磁涌流設置;饋線分支開關過流保護動作延時時間設定為Dtjc ，電流定值按照躲開下游*大負荷以及勵磁涌流設置;變電站出線開關過流保護動作時間設定為2Dtjc 。
與繼電保護配合的配電網(wǎng)故障處理
不發(fā)生越級跳閘時的故障處理
對于不裝設瞬時電流速斷保護的饋線，分支線或次分支(或用戶)發(fā)生故障時，將由繼電保護直接快速將故障隔離在*小范圍從而完成故障處理;對于裝設了瞬時電流速斷保護的饋線，在lC 下游部分發(fā)生兩相相間短路時一般也不會發(fā)生越級跳閘，也由繼電保護直接快速將故障隔離在*小范圍從而完成故障處理。
但是如果故障發(fā)生在主干線，主干線不配置保護(因主干線故障率遠比分支線低)，因此會引起變電站出線斷路器保護動作跳閘，需要由配電自動化系統(tǒng)根據(jù)收到的故障信息判斷出故障區(qū)域，通過遙控相應開關動作完成故障區(qū)域的隔離并恢復對健全區(qū)域的供電。
發(fā)生越級跳閘時的故障處理
對于裝設了瞬時電流速斷保護的饋線，若在lC 上游發(fā)生相間短路故障或在lC 下游部分發(fā)生三相相間短路故障，則可能導致變電站出線斷路器瞬時電流速斷保護和分支(或用戶)開關過流保護同時動作，引起越級跳閘，下面分析其影響并論述相應的故障處理策略。
(1) 兩級級差配合的情形
用戶開關或分支開關下游發(fā)生三相相間短路故障后，對于按照上節(jié)兩級級差保護的配置原則進行配置的情形，由于用戶(或次分支)開關或分支開關過流保護不帶延時，其故障檢測時間和中間繼電器驅動時間大約30 ms;而變電站出線斷路器即使裝設了瞬時電流速斷保護，其故障檢測時間和中間繼電器驅動時間大約30 ms，斷路器動作時間大約20~80 ms(與操作機構類型有關)。因此，在變電站出線斷路器完成分閘切除故障電流之前，用戶(或次分支)開關或分支開關的中間繼電器已經(jīng)出口，該開關必然會分閘。
綜上所述，對于裝設了瞬時電流速斷保護的饋線，在兩級級差配合的情形，用戶(或次分支)開關或分支開關下游發(fā)生三相相間短路故障后，可能導致變電站出線斷路器和用戶(或次分支)開關或分支開關均分閘的結果。
對于架空饋線或電纜架空混合饋線，變電站出線斷路器可以配置自動重合閘功能，由于故障已經(jīng)被用戶(或次分支)開關或分支開關隔離，變電站出線斷路器一次快速重合就可恢復健全區(qū)域供電。
對于全電纜饋線，變電站出線斷路器不宜配置自動重合閘功能，需要由配電自動化系統(tǒng)根據(jù)收到的故障信息判斷出故障位于用戶(或次分支)開關或分支開關下游，且已經(jīng)被用戶(或次分支)開關或分支開關隔離，通過遙控變電站出線斷路器合閘恢復健全區(qū)域供電。
(2) 三級級差配合的情形
1) 三級級差配合的*下游開關的下游發(fā)生相間短路故障的情形三級級差配合的*下游開關的下游發(fā)生三相相間短路故障后，對于按照三級級差保護的配置原則進行配置的情形，由于*下游開關過流保護不帶延時，其故障檢測時間和中間繼電器驅動時間大約30 ms;而變電站出線斷路器即使裝設了瞬時電流速斷保護，其故障檢測時間和中間繼電器驅動時間大約30 ms，斷路器動作時間大約20~80 ms (與操作機構類型有關)。因此，在變電站出線斷路器完成分閘切除故障電流之前，*下游開關的中間繼電器已經(jīng)出口，該開關必然會分閘。
但是，三級級差配合的中間開關由于過流保護的延時時間一般大于變電站出線斷路器的故障檢測時間、中間繼電器驅動時間和斷路器動作時間之和，因此在變電站出線斷路器完成分閘切除故障電流后該開關的保護將返回，該開關必然不會分閘。
綜上所述，對于裝設了瞬時電流速斷保護的饋線，在三級級差配合的情形下，三級級差配合的*下游開關的下游發(fā)生三相相間短路故障后，可能導致變電站出線斷路器和*下游開關均分閘，但是中間開關不分閘的結果。
對于架空饋線或電纜架空混合饋線，變電站出線斷路器配置自動重合閘功能，由于故障已經(jīng)被三級級差配合的*下游開關隔離，變電站出線斷路器一次快速重合就可以恢復健全區(qū)域供電。
對于全電纜饋線，變電站出線斷路器不宜配置自動重合閘功能，但是配電自動化系統(tǒng)主站的集中智能故障處理模塊可以根據(jù)收到的故障信息判斷出故障位于三級級差配合的*下游開關下游，且已經(jīng)被用戶開關或分支開關隔離，可通過遙控變電站出線斷路器合閘恢復健全區(qū)域供電。
2) 三級級差配合的中間開關與*下游開關之間發(fā)生相間短路故障的情形
三級級差配合的中間開關與*下游開關之間發(fā)生相間短路故障后，對于按照三級級差保護的配置原則進行配置的情形，由于三級級差配合的中間開關過流保護延時時間一般大于變電站出線斷路器的故障檢測時間、中間繼電器驅動時間和斷路器動作時間之和，因此在變電站出線斷路器完成分閘切除故障電流后該開關的保護將返回，該開關必然不會分閘。
綜上所述，對于裝設了瞬時電流速斷保護的饋線，在三級級差配合的情形下，三級級差配合的中間開關與*下游開關之間發(fā)生三相相間短路故障后，可能會導致變電站出線斷路器分閘，但是三級級差配合的中間開關不分閘的結果。
對于架空饋線或電纜架空混合饋線，變電站出線斷路器一般會配置自動重合閘功能，由于三級級差配合的中間開關未分閘，對于長久故障的情形，變電站出線斷路器的重合閘將失敗。對于全電纜饋線，變電站出線斷路器一般不會配置自動重合閘功能。因此，無論架空饋線、電纜架空混合饋線還是全電纜饋線，都需要依靠配電自動化系統(tǒng)主站的集中智能故障處理模塊根據(jù)收到的故障信息判斷出故障位置，并通過遙控相應開關分閘隔離故障區(qū)域，遙控變電站出線斷路器合閘恢復健全區(qū)域供電。
分布式電源接入的影響
(1) 對不裝設瞬時電流速斷保護饋線的影響
對于不裝設瞬時電流速斷保護的饋線，其多級級差保護配合比較簡單，就是通過變電站出線開關和分支或用戶開關過電流保護動作時限的配合來實現(xiàn)的。此時分布式電源若是從該饋線所在母線上的相鄰饋線接入，則當在該饋線上發(fā)生故障時，分布式電源提供的助增電流將有助于提高過電流保護的靈敏度，對保護動作是有利的;若分布式電源是接入到本饋線上的，則對于分布式電源下游的開關的過電流保護，分布式電源提供的助增電流仍然有利于其保護動作;只是當分布式電源下游發(fā)生故障時，流過其上游開關的短路電流相對于分布式電源接入以前會有所減小，但是由于過電流保護的靈敏度一般較高，再加上分布式電源容量一般較小，尤其是逆變器并網(wǎng)型分布式電源提供的短路電流很小，一般不會導致分布式電源上游的開關過電流保護拒動。
因此對于不裝設瞬時電流速斷保護的饋線，分布式電源的接入一般不會破壞其多級級差保護的配合關系。
(2) 對裝設瞬時電流速斷保護饋線的影響
對于裝設瞬時電流速斷保護的饋線，若分布式電源是從該饋線所在母線上的相鄰饋線接入，則當在該饋線上發(fā)生故障時，分布式電源提供的助增電流將擴大變電站出線開關瞬時電流速斷保護的保護范圍，使得其動作區(qū)進入到按照分布式電源接入以前的條件計算得出的lC 的下游部分，從而會增加越級跳閘的可能。
而若分布式電源是接入到本饋線上的，其對于瞬時電流速斷保護則沒有這種影響，并且若是當分布式電源下游發(fā)生故障時，流過變電站出線開關的短路電流會減小，瞬時電流速斷保護的范圍會縮小，這對于確保在變電站出線開關和lC的下游部分的開關間的多級級差保護配合是有利的。
另外，無論是否裝設瞬時電流速斷保護的饋線，在接入到本饋線上的分布式電源提供的短路電流較大時，反向電流都有可能導致分支或用戶開關處未裝設方向元件的過流保護在反方向故障時誤動，破壞多級級差保護的配合關系，因此需要在必要的情況下配置方向元件。但是，對于分布式電源提供的短路電流水平較低(比如光伏等通過逆變器并網(wǎng)型分布式電源)時，這方面的影響不大，必要時適當調(diào)整過流保護定值就可以適應而不必加裝方向元件。
(3) 對自動重合閘的影響
根據(jù)Q/GDW480-2010《分布式電源接入電網(wǎng)技術規(guī)定》規(guī)定，非有意識孤島的分布式電源必須在饋線故障后2 s內(nèi)從電網(wǎng)脫離。因此，對于下游接有分布式電源的開關，其自動重合閘的延時時間應大于2 s。
實例
下圖所示為一個典型的架空配電網(wǎng)，矩形框代表變電站出線開關，方塊代表斷路器，圓圈代表負荷開關。空心代表分閘，實心代表合閘。
變電站出線開關S1和具備多級級差保護配合條件的區(qū)域的分支開關和用戶開關之間實現(xiàn)了三級級差保護配合，其中變電站出線斷路器配置瞬時電流速斷保護、過流保護以及自動重合閘功能，過流保護延時時間為2Dtjc ;大方塊代表的斷路器配置過流保護，延時時間為Dtjc ;小方塊代表的斷路器配置過流保護，延時時間為0 s。
(1) 不發(fā)生越級跳閘時的故障處理過程
如圖(b)所示，當用戶開關J下游發(fā)生兩相相間短路時(長久性故障)，變電站出線開關S1瞬時電流速斷保護不會啟動，只有S1、I、J過流保護啟動，由于S1、I、J過流保護之間存在延時時間級差配合，J斷路器過流保護動作跳閘切除故障就完成了故障處理。
如圖(c)所示，當分支開關G下游發(fā)生兩相相間短路時(長久性故障)，變電站出線開關S1瞬時電流速斷保護不會啟動，只有S1、G過流保護啟動，由于S1、G過流保護之間存在延時時間級差配合，G斷路器過流保護動作跳閘切除故障就完成了故障處理。
如圖(d)所示，當主干線上開關C和D之間區(qū)域發(fā)生兩相或三相相間短路時(長久性故障)，由于主干線上沒有進行多級級差保護配合，需由變電站出線開關S1跳閘切除故障，故障沒有被隔離在*小范圍之內(nèi)。之后變電站出線開關S1重合失敗，配電自動化系統(tǒng)根據(jù)故障信息上報情況和網(wǎng)絡拓撲，可以**地判斷出故障就發(fā)生在C和D間，則進行修正控制：遙控負荷開關C、D分閘、遙控變電站出線開關S1合閘、遙控聯(lián)絡開關K合閘，從而將故障隔離在*小范圍，如圖(e)所示。
由以上故障處理過程可以看出，采用繼電保護與配電自動化配合，當在具備多級級差保護配合條件的區(qū)域內(nèi)發(fā)生兩相相間短路時，則可以將分支和用戶故障限制在就地，不影響上**，僅僅是在主干線故障時才會造成全線短暫停電，需要由配電自動化系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡拓撲和收集到的故障信息進行修正控制。
(2) 發(fā)生越級跳閘時的故障處理過程
如圖(f)所示，當用戶開關J下游發(fā)生三相相間短路時(長久性故障)，則有可能會導致變電站出線開關S1瞬時電流速斷保護和用戶開關J過流保護均動作跳閘，故障雖然切除，但是沒有將故障隔離在*小范圍。之后變電站出線開關S1自動重合閘動作，由于故障已經(jīng)被用戶開關J隔離，重合成功，恢復對健全區(qū)域供電，將故障隔離在*小范圍內(nèi)，如圖(g)所示。
如圖(h)所示，當分支開關E下游發(fā)生三相相間短路故障時(長久性故障)，則有可能變電站出線開關S1瞬時電流速斷保護越級跳閘切除故障，而E斷路器不會分閘。之后變電站出線開關S1自動重合閘動作，由于故障未被分支開關E隔離，重合失敗。此時，配電自動化系統(tǒng)根據(jù)故障信息上報情況和網(wǎng)絡拓撲，可以**地判斷出故障就發(fā)生在分支開關E下游，則進行修正控制：遙控分支開關E分閘、遙控變電站出線開關S1合閘，從而將故障隔離在*小范圍，如圖(i)所示。
由以上故障處理過程可見，雖然在具備多級級差保護配合條件的區(qū)域發(fā)生三相相間短路時，繼電保護有可能越級跳閘，但是通過配電自動化的修正控制仍可以得到正確的故障處理結果。
結論
(1) 對于變電站出線斷路器未安裝瞬時電流速斷保護的情形，可以實現(xiàn)用戶(次分支)、分支、變電站出線斷路器三級級差保護配合，實現(xiàn)用戶(次分支)故障不影響分支，分支故障不影響主干線。而對于主干線故障則需要依靠集中智能配電自動化系統(tǒng)加以處理。繼電保護配合能夠提高配電自動化故障處理性能。
(2) 即使對于變電站出線斷路器安裝了瞬時電流速斷保護的情形，由于絕大多數(shù)饋線相間短路故障為兩相相間短路，饋線上仍然有一部分區(qū)域具備級差配合的條件，繼電保護配合仍有助于提高配電自動化故障處理性能。
(3) 對于不裝設瞬時電流速斷保護的饋線，分布式電源的接入一般不會破壞其多級級差保護的配合關系;對于裝設瞬時電流速斷保護的饋線，若分布式電源是從所在母線上的相鄰饋線接入，則會擴大變電站出線開關瞬時電流速斷保護的保護范圍，減少可實現(xiàn)多級級差保護配合的區(qū)域范圍。
(4) 相鄰饋線故障時，為了避免本饋線上分布式電源提供的反向故障電流導致過流保護誤動，需有選擇性地配置方向元件。
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