點狀網(wǎng)絡(luò)繼電保護配置方案分析與改進

蔄曉琨， 徐丙垠， 仉志華， 張新慧， 范開俊

(1．山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091；2. 中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580；3.山東大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 濟南 250100)

傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)中，電源進線由相同中壓母線供電[1]，保護控制配置簡單.但是當電源側(cè)發(fā)生故障時，會造成負荷短時停電[2]難以保證供電可靠性.在美國等國家點狀網(wǎng)絡(luò)多應(yīng)用于低壓箱變或配電室[3]，電源進線來自不同電網(wǎng)，采用線路-變壓器單元接線方式在低壓側(cè)直接并聯(lián)供電，且低壓側(cè)母聯(lián)開關(guān)常閉運行[4].點狀網(wǎng)絡(luò)能夠有效提高供電可靠性，網(wǎng)絡(luò)靈活性較高，能夠有效降低運行成本[5]，適于向高層寫字樓、郊區(qū)商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、高供電可靠性要求的機構(gòu)大樓供電[6].

本文介紹了點狀網(wǎng)絡(luò)概念及其特點，通過分析其保護方案研究現(xiàn)狀，指出其主要存在兩方面問題，一方面是低壓進出線之間配合不當，易造成后備保護誤動或動作時間過長；另一方面是低壓進線之間配合不當，易造成非故障進線保護誤動.本文根據(jù)傳統(tǒng)保護方案中保護配合不當?shù)葐栴}提出了改進方案，并通過PSCAD對改進方案進行了仿真驗證.

1 點狀網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)繼電保護方案

美國電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)在IEEE Std 1547.2TM_2008文件中給出的點狀網(wǎng)絡(luò)繼電保護配置方案包括電流保護、橫差保護、變壓器接地保護、逆功率保護等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 點狀網(wǎng)絡(luò)保護配置圖

1)變壓器配置橫差保護與瓦斯保護作為主保護，配置變壓器接地保護作為后備保護.主保護動作邏輯：當檢測到并聯(lián)運行的多臺變壓器輸出功率差超過整定值時，橫差保護向斷路器發(fā)出跳閘信號.當檢測到氣體排除速度超過整定值時，瓦斯保護向斷路器發(fā)出跳閘信號.后備保護動作邏輯：當變壓器接地保護檢測到電流值過其他電氣量超出整定值時，開始計時，當時間超過設(shè)定值時，說明主保護未動作，變壓器接地保護向斷路器發(fā)出跳閘信號.

2)變壓器低壓出線上配置電流速斷保護與逆功率保護作為主保護，配置過電流保護為后備保護.主保護動作邏輯：當檢測到線路上電流值超過整定值或者功率方向與設(shè)定正方向相反時[7]，變壓器低壓出線保護向斷路器發(fā)出跳閘信號.后備保護動作邏輯：當電流速斷保護摳動時，過電流保護動作切除故障.

3)低壓母線上不配置保護，只裝設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān).當母線發(fā)生故障時，由變壓器低壓出側(cè)保護與400V出線保護配合隔離故障區(qū)域.

4)400V出線上配置電流速斷保護.一般選用熔斷器代替斷路器.

與IEEE協(xié)會提出的點狀網(wǎng)絡(luò)繼電保護配置方案相比，美國Cutler-Hammer公司在其Spot Network System一文中提出的三變壓器點狀網(wǎng)絡(luò)繼電保護配置方案中要簡單很多.變壓器只配置瓦斯保護為主保護，變壓器低壓出線上只配置主保護，主保護與網(wǎng)絡(luò)中其他保護配置方案均與IEEE給出的配置方案相同.

上述保護方案存在三方面不足：

1)不利于快速切除故障.當母線發(fā)生故障時，變壓器低壓側(cè)出線保護檢測到過電流保護，通過一定的延時，電流仍超出整定值時，保護發(fā)出跳閘信號，從而避免因400V低壓出線上發(fā)生故障引起的誤動作.此種方法能夠保證變壓器低壓側(cè)出線保護不誤動作，但是不利于快速切除故障，降低損失.

2)非故障電源進線保護易誤動作.由于低壓母聯(lián)開關(guān)常閉，當一回電源進線發(fā)生故障時，非故障電源進線與故障點之間產(chǎn)生環(huán)流，造成非故障電源進線保護誤跳.

3)逆功率死區(qū)問題.當逆功率保護測量點附近發(fā)生三相短路故障時，會導(dǎo)致逆功率保護電壓測量量為零，無法識別故障方向，導(dǎo)致保護拒動.

從以上介紹可以看出，國外已經(jīng)提出了多種點狀網(wǎng)絡(luò)的繼電保護的配置方案[8-9]，但每種方案都有其局限性，保護配置的實際運行情況也證實了這一點.由于點狀網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)的使用率還不高，國內(nèi)還未對其系統(tǒng)的提出保護的配置方案.

現(xiàn)階段建筑施工當中仍然存在管理不規(guī)范的現(xiàn)象。比如：施工人員沒有依照相應(yīng)的用電與節(jié)電標準進行，并且在施工現(xiàn)場相應(yīng)的安全警示標志較少，使施工現(xiàn)場的整體狀況仍處于不規(guī)范的情形當中。除此以外還有很多建筑企業(yè)在制定施工方案以及制度的時候仍存在很多不規(guī)范的地方，特別是施工方技術(shù)交底情況，并且在這樣的不規(guī)范情況下作業(yè)人員也無法記錄真實的施工活動，最終使得施工安全管理工作受到影響。

2 優(yōu)化方案分析

2.1 優(yōu)化方法

本文通過以下方法改進點狀網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)保護方案以提高供電可靠性.

1)閉鎖非故障線路.當?shù)蛪耗妇€出線上保護檢測到故障電流時，向斷路器發(fā)出跳閘信號，同時閉鎖變壓器低壓側(cè)出線保護，防止其誤動導(dǎo)致停電范圍擴大.當一回電源進線發(fā)生故障時，故障處保護向變壓器兩側(cè)斷路器發(fā)出跳閘信號，同時閉鎖其它電源進線保護，防止其誤動導(dǎo)致停電范圍擴大.

2)通過編程控制保護裝置記錄故障瞬間前一刻電壓值，從而避免逆功率保護死區(qū)問題.

由于國內(nèi)變壓器保護鮮有配置橫差保護，故本保護方案不配置橫差保護，變壓器配置瓦斯保護為主保護，配置變壓器接地保護為后備保護；變壓器出線配置電流速斷保護與逆功率保護為主保護，配置過電流保護為后備保護；400V低壓出線配置電流速斷保護為主保護，變壓器出線上配置的過電流保護為400V低壓出線后備保護.保護功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 改進后保護功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 保護動作分析

通過分析點狀網(wǎng)絡(luò)不同位置發(fā)生故障時保護動作情況及停電區(qū)域，并與傳統(tǒng)保護方案進行對比.故障位置圖如圖3所示.假設(shè)變壓器低壓側(cè)出線上過電流保護延時時間為0.5s，接收到其他保護閉鎖信號時間為0.1s.

圖3 點狀網(wǎng)絡(luò)故障圖

1)低壓出線發(fā)生故障.本段線路電流速斷保護動作，將故障線路切除，本段線路負荷停電.同時本段保護向所有變壓器出線保護發(fā)出閉鎖信號[10].當本段線路保護拒動時，變壓器低壓出線過電流保護經(jīng)過設(shè)定的延時時間后，向變壓器低壓出線斷路器發(fā)出信號動作，同時打開母聯(lián)開關(guān).

例如：當故障發(fā)生在F1點時，CB7跳閘，閉鎖CB4、CB5、CB6，防止誤跳.當CB7拒動時，CB4跳，同時打開CBT1.傳統(tǒng)保護方案中，當電流速斷保護拒動時，上級過電流保護至少需要0.5s后才能動作.而改進方案中，當0.1s后上級過電流保護仍能檢測到故障電流時，即可發(fā)出跳閘信號，大大降低了保護拒動造成的損失.

例如：當故障點在F2時，CBT1、CBT2、CB5同時打開.傳統(tǒng)保護方案中，當變壓器出線側(cè)保護檢測到故障電流時，無法準確判斷故障位置，需經(jīng)過0.5s延時后才能發(fā)出跳閘信號.改進方案中，經(jīng)過0.1s延時后，即可發(fā)出跳閘信號，故障區(qū)域隔離時間大幅度提高.

3)變壓器出線故障.逆功率保護監(jiān)測到反向功率后，閉鎖除本段線路外其他線路變壓器出線保護[11]，同時向本段線路斷路器發(fā)出跳閘信號.傳統(tǒng)保護方案中，本段線路發(fā)生故障易引起非故障線路逆功率保護誤動.改進方案中，通過閉鎖避免了誤動的發(fā)生.

例如：當故障點在F3時，CB5、CB2斷開，同時閉鎖CB4和CB6.傳統(tǒng)保護方案中

4)當變壓器進線側(cè)發(fā)生故障.進線側(cè)保護控制本段線路斷路器跳閘，變壓器出線逆功率保護監(jiān)測到逆功率，閉鎖除本段線路外所有線路變壓器出線保護[12].

例如：當故障發(fā)生在F4點時，CB2和CB5跳閘，同時閉鎖CB4和CB6.

2.3 逆功率保護死區(qū)問題的解決

當逆功率保護附近發(fā)生三相短路，會導(dǎo)致繼電器拒動.為了解決繼電器這種“死區(qū)”問題，某些型號繼電器本身帶有記憶回路，通過延長對三相短路的記憶，保證繼電器正確動作[13]，但這種記憶回路的延長時間一般只有0.1s，對于帶有功率方向繼電器的限時電流保護，當保護限時在0.1s以上時，功率方向繼電器的記憶回路失效.

通過保存故障前狀態(tài)，可以有效解決逆功率保護死區(qū)問題.當故障發(fā)生時，在0.1s內(nèi)記憶回路保存故障電壓，即使保護限時在0.1s以上，也可通過記錄在保護裝置內(nèi)的信息，完成故障區(qū)域判斷，如圖4所示.

圖4 逆功率微機保護流程圖

3 仿真驗證

本文利用PSCAD仿真軟件進行仿真驗證，按三臺變壓器點狀網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)進行建模，變壓器高壓側(cè)電壓為10kV，低壓側(cè)為0.4kV，變壓器容量為640kVA.配置六回饋線，每相有功功率為80kW，無功功率為840kVar[14].如圖5所示.

圖5 三變壓器點狀網(wǎng)絡(luò)仿真模型

傳統(tǒng)保護方案中，低壓進線配過電流保護與逆功率保護，如圖6(a)所示.在保護改進方案中，在過電流逆功率保護或門與自鎖或門間添加反向輸入邏輯與運算，當?shù)蛪撼鼍€保護與其他低壓進線保護檢測到故障時，運算輸出結(jié)果為1，否則為0，起到閉鎖非故障線路保護作用，如圖6(b)所示.

(a)傳統(tǒng)保護邏輯控制圖

(b)改進后保護邏輯控制圖圖6 變壓器低壓側(cè)保護邏輯控制圖

當?shù)蛪哼M線發(fā)生故障時.由于母聯(lián)開關(guān)常閉，非故障線路向故障點傳送功率，導(dǎo)致非故障線路過電流保護誤動作，負荷側(cè)全部停電，如圖7所示.

圖7 變壓器低壓側(cè)單相接地故障傳統(tǒng)保護波形圖

當一條電源線路檢測到故障電流時，向其它線路保護發(fā)出閉鎖信號，同時該段保護向變壓器兩側(cè)繼電器發(fā)出跳閘信號，故障線路退出運行，所有負荷由剩余電源供電，如圖8所示.

圖8 變壓器低壓側(cè)單相接地故障優(yōu)化方案波形圖

當?shù)蛪撼鼍€發(fā)生接地故障時，引起低壓母線電流升高，導(dǎo)致低壓出線保護誤判斷為母線故障.通過低壓出線保護閉鎖進線保護可有效提高保護可靠性，并降低因主保護失靈后備保護延時啟動造成的損失.

圖9 低壓母線出線故障傳統(tǒng)保護波形圖

設(shè)定在0.1s時低壓出線發(fā)生單相接地故障，本段線路保護跳閘，低壓進線過電流保護檢測到突變量，保護發(fā)出跳閘信號，導(dǎo)致保護誤動作.如圖9所示.

圖10 低壓母線出線故障改進保護波形圖

通過對比仿真波形圖8與圖10表明，改進后的保護方案避免了非故障線路保護誤跳，減少了故障對線路及用戶的影響，保護選擇性得以提高.

4 結(jié)束語

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是決定用戶電能質(zhì)量的關(guān)鍵，點狀網(wǎng)絡(luò)的獨特結(jié)構(gòu)滿足機場、醫(yī)院對電能質(zhì)量的要求.

本文分析了點狀網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)繼電保護配置，通過閉鎖非故障線路保護來解決誤動作問題，提出了利用保護裝置記錄故障瞬間電壓值，從而解決逆功率逆功率保護死區(qū)問題.為點狀網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)基礎(chǔ).

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