城市配電網絡繼電保護的發展和現存的技術問題分析

【摘 要】配電網故障處理是配電自動化的核心內容之一，盡管我國配電自動化和配電管理系統已經得到了初步應用，但是配電網故障處理仍存在諸多方面的問題。

【關鍵詞】配電網故障；繼電保護；安全運行；信息采集；自動控制；安全可靠；經濟合理

0 引言

我國配電網的發展是隨城市建設規模及用電負荷迅速增長和供電可靠性要求而提出的。由于城市規劃與電力規劃脫節的歷史原因，原有的配電網結構已經不能適應城市發展的需求。

1 城市配電網繼電保護自動裝置的發展

城市配電網中的電力設備和線路應裝設反映系統故障和異常運行的繼電保護和自動裝置，實現智能化和一體化，以保證配電網的安全運行。由于中低壓配電網規模大、結構層次復雜、信息采集點多，因此繼電保護自動裝置的分布于城市配電網中的不同層次，范圍包括變電站內與配電系統相關的設備、中壓配電饋線、開閉所、配變站以及低壓配電網等。

配電系統中的繼電保護裝置與整個電力系統的繼電保護一樣，歷經了電磁型、晶體管型、集成電路型、微機型的發展過程，不同形式的保護至今還在配電系統中廣泛存在并發揮作用。微機型繼電保護裝置由于性能優越、運行可靠，越來越得到用戶的認可而在配電系統中大量使用。同時，由于用戶對供電質量要求不斷提高和制造廠家的努力，繼電保護技術在配網中得到很大的發展，并且超越原有的行業范圍，走向多功能智能化。而傳統意義上的獨立的繼電保護裝置正在消失。繼電保護裝置和設備必須遵循配電系統的發展規劃和建設要求，具有合適的環境適應能力，同時配置有必要的通訊接口，支持多種介質的通訊方式，實現運行監視控制和數據采集，具備與調度控制中心通信的功能。

隨著微機繼電保護在高壓電網推廣成功，其優良的性能、方便的操作和簡單的維護在電力系統中深得人心。隨后，制造工藝成熟、性能優越、價格適宜的繼電保護產品逐步在中低壓電網推廣，并在實踐應用過程中不斷發展。

（1）微機型繼電保護擴展成綜合測控裝置

近年來微電子技術的高速發展，高性能、低價格的 CPU 及外圍器件不斷推出，CPU 強大的計算能力在完成繼電保護功能之外，還有較多的能力去處理傳統上由另外一些裝置完成的或者過去沒有實現的功能，形成了一個融合保護、測量、控制、通訊等功能在一起的綜合裝置。在這種裝置里，保護功能得到較大的發展，并可能會發展并研究出更適用于配網的保護方法。 這種趨勢和要求反過來也對裝置制造提出了很高的要求。

目前，在城市配電系統新建的開閉所和配電站中，中低壓開關設備就地安裝并通過通信構成自動化系統已成為一個潮流。

（2）10kV 柱上開關及配電開關智能化

目前已有開發并使用的有兩大類柱上裝置：一類是 FTU（現場遠方終端）和柱上開關分離，各自獨立工作，完成自身功能；另一類是將 FTU（現場遠方終端）與柱上開關組合在一起，成為一個機電一體化的設備。使用這些具有良好通信能力的智能化設備，可以完成許多在以前無法完成或者要有很多裝置才能完成的任務，同時也給配電網絡繼電保護系統注入新的內容，即保護的設計和整定需要考慮饋線開關的控制方法。

（3）繼電保護自動裝置的就地化

繼電保護自動裝置的就地化使接線簡化、間隔清晰、操作更可靠。就地裝置通過通信與集控中心聯系，大大減輕了集控中心的空間壓力和接線復雜性。而且隨著電子器件和電路設計技術不斷更新，裝置硬件已經能夠適應戶外環境的要求。可以預見，就地化的繼電保護自動裝置將向較高電壓等級發展。

2 配電網常用保護及存在的問題

根據電氣與電子工程師協會電力系統繼電保護分會配電保護工作組的調查報告，供電企業在配電網的變壓器和饋線上正廣泛使用多功能保護裝置，幾乎所有的此類保護裝置中均配置了三相速斷保護、接地速斷保護、時間-過流保護。但是，瞬時跳閘的相電流過流保護的應用面減少，一般傾向于只允許單次瞬時跳閘。在饋線保護的整定問題上多采用整套的時間-電流特性的相電流保護整定配合方式。 按照保護針對的故障類型來劃分，配電網保護主要包括短路保護和接地保護兩大類。

2.1 短路保護

一般情況下，短路故障的故障電流大于負荷電流，較易檢測，通常采用定時限的相電流過流保護，通過延時實現變壓器、母線、饋線之間的相互配合。采用距離保護則可以在檢測短路故障的同時測量故障電流和故障電壓計算故障阻抗，實現故障定位。

2.2 接地保護

電網故障絕大部分是接地故障或由接地故障發展而來的其它故障，接地電阻可能比較大，需要用專門的接地保護來檢測。接地保護不需監視正常的相電流，定值整定可以不考慮負荷電流的影響，靈敏度有了提高。但是根據不同原理，需要檢測的量可能比較小，信號檢測難度增大。

對一些小電阻接地系統的接地故障，多采用時間-電流繼電器來檢測故障。而對于高阻故障（可能達到幾千歐），則利用反時限、零序量（功率、電流、電壓）、距離、中性點電壓等原理來檢測。保護延時動作也可以減少瞬時性接地故障時的饋線開關分斷。

電流保護是配電網最常用的保護方式，目前最常見的是過流保護，根據保護的動作量分類，可以劃分為單相過流、殘流過流、負序過流等。它們作為主保護和后備保護被廣泛用于電力系統中。

單相過流保護是線路的常用保護，可以節省熔斷器投資、避免設備損傷、縮短停電時間和電壓跌落過程，且整定方法簡單。為了和下方保護配合，其定值必須高于最大負荷電流，因而降低了保護的靈敏度。

與單相過流保護不同，負序過流保護不受三相平衡的負荷電流的影響，其定值可遠低于負荷電流的水平。但是負序過流保護不能反應三相對稱的短路故障。

過流保護有速斷、定時限、變時限等多種動作特性，微機保護更可以提供多種時間-電流特性，便于和其它保護及熔斷器配合。瞬時過流保護（速斷）在一個周波（20ms）左右出口，其保護區的大小受系統阻抗（尤其是背后系統阻抗和下方負荷側阻抗的比值）影響。定時限過流保護引入延時，保護之間按時間階梯配合，距離電源越遠則保護延時越短，不足之處是近電源處發生故障時，故障電流水平高、保護延時長，不能及時保護一次設備，保護與下端的熔斷器配合時也存在困難。采用變時限的過流保護可以根據故障電流水平決定保護動作延時，能夠很好地解決近電源點保護的快速動作問題，反時限過流保護即是最常用的一種變時限保護。

隨著自適應技術在繼電保護中的應用，微機過流保護可以優化保護定值以適應系統的實際運行狀態，而不必采用傳統方法，按最惡劣的運行方式進行保護整定。這也就是繼電保護的自適應問題，至今仍有很多學者在不斷地探索。

另外，過流保護還存在一些較難解決的問題，如：勵磁涌流、電容器的投切會引起保護誤跳閘的事件；冷負荷啟動（持續幾秒鐘至幾分鐘）也會引起相電流過流和接地過流保護誤動作；以及高阻接地問題。對前一類問題，通常要采取提高速斷保護定值、給速斷加延時、安裝抑制諧波的相電流過流保護或接地過流保護等措施。而對于第二類問題，通常采取負荷分批啟動、提高保護定值、閉鎖保護等措施來避開此過程。過流保護對高阻接地問題的對策一直未能得到很好的解決。

3 結束語

總之，我國配電網自動化水平較低，實現配電自動化，提高檢測、隔離短路故障和接地故障的快速性和靈敏度，是提高供電質量和供電可靠性亟待解決的問題。

【參考文獻】

[1]王成山，王賽一，葛少云，等.中壓配電網不同接線模式經濟性和可靠性分析[J].電力系統自動化，2002，26（24）：34-39.

[2]潘鋒，張宇俊，周敏.一種基于接線模式的中壓配電網綜合評價方法[J].電力系統保護與控制，2009，37（19）：19-21.

[責任編輯：湯靜]