配電自動化模式下配電網(wǎng)保護的模式選擇和整定計算

李 斌，單中闖，閆志強，趙 卓,辛璐璐

(國網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114000)

基于當前配電網(wǎng)繼電保護的配置情況、配電自動化設備的實際布局[1-2]以及配電網(wǎng)網(wǎng)架[3]的實際配置情況，對配電網(wǎng)進行短路電流計算，利用短路電流數(shù)據(jù)配置繼電保護，發(fā)揮配電自動化的作用，促進和完善智能配電網(wǎng)的建設[4]。

1 配電網(wǎng)現(xiàn)階段繼電保護配置情況

配電網(wǎng)保護包括線路出口三段式電流保護、配電變壓器限流熔斷器保護、線路跌落式開關(guān)保護以及負荷出線微機保護。變電站10 kV線路出口通常配置0 s速斷保護、0.15 s延時的限時速斷保護、過流保護和過負荷保護，而速斷保護定值通常可以保護線路全長，造成保護越級跳閘，擴大停電范圍。

根據(jù)本文選取的2條10 kV線路，查詢對應的變電站出口繼電保護定值，全電纜線路出口保護定值如表1所示，架空線路出口保護定值如表2所示。

表1 10 kV全電纜線路出口保護定值

表2 10 kV架空線路出口保護定值

全電纜線路出口保護電流互感器變比為600/5，架空線路出口保護電流互感器變比為800/5，電纜線路未配置重合閘，架空線路配置三相一次不對應重合閘，重合閘時間為2 s。

2 配電網(wǎng)短路電流計算

2.1 配電網(wǎng)短路電流計算方法的確定

配電網(wǎng)短路電流計算有近似計算和計算機算法2種[5]，近似計算的條件為假定線路三相參數(shù)對稱并且忽略負荷、線路分布電容的影響及其并聯(lián)補償電容器的影響。由于近似計算公式簡單，便于工程實際計算，同時考慮到配電網(wǎng)短路電流計算數(shù)據(jù)的獲取程度、配電網(wǎng)繼電保護和自動化的實際配置情況，利用配電網(wǎng)短路電流的近似計算方法完全可以滿足配電自動化設備的繼電保護整定計算以及與上級繼電保護的配合。配電線路三相穩(wěn)態(tài)短路電流的計算公式為

(1)

式中：UN為系統(tǒng)額定電壓；c為電壓系數(shù)，電壓等級為10 kV時電壓系數(shù)的取值如表3所示，cUN為系統(tǒng)等效電壓源電壓；Zs1為變電站中壓母線后的系統(tǒng)正序阻抗；ZL1為變電站母線到故障點之間的線路與參考地構(gòu)成回路的正序阻抗；Rk為故障電阻。10 kV配電網(wǎng)額定短路容量為100～500 MVA，三相短路電流的有效值為6～30 kA，系統(tǒng)正序阻抗值為0.2～1 Ω。

表3 10 kV電壓等級電壓系數(shù)

當最小短路電流發(fā)生在兩相短路時，其短路電流是三相短路電流的0.86倍，根據(jù)計算最大最小短路電流時的電壓系數(shù)可知，在10 kV配電網(wǎng)中，同一運行方式下，最小短路電流是最大短路電流的0.78倍。

2.2 配電網(wǎng)實例系統(tǒng)參數(shù)

本文以實際10 kV配電線路`為依據(jù)，選取不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)，進行短路電流計算，為繼電保護的整定計算、配電自動化設備的合理化布局以及繼電保護保護配合奠定基礎(chǔ)。為保證繼電保護整定方案的全面性、系統(tǒng)性和代表性，抓取典型配電線路數(shù)據(jù)進行計算。

2.2.1 10 kV全電纜線路

本文選取的10 kV全電纜線路有1-10號共計10個環(huán)網(wǎng)單元，5號、6號、9號、10號為DTU自動化環(huán)網(wǎng)柜，8號環(huán)網(wǎng)單元所帶負荷為小區(qū)開關(guān)站，電纜型號為YJLV22-3×240×2，電纜長度為450 m，開關(guān)站配出線路至一至六組環(huán)網(wǎng)單元，環(huán)網(wǎng)單元配出線路至變壓器，具體線路長度和電纜型號如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)接線圖

自動化環(huán)網(wǎng)柜均為2進2出，進線為負荷開關(guān)出線為斷路器，其中1號、3號、7號裝有遠傳型故障指示器[6]。線路計算參數(shù)如表4所示。

表4 全電纜線路參數(shù)

2.2.2 10 kV架空線路

本文選取的10 kV架空線路，1號桿、16加1號桿、49號桿、52號桿、90號桿、101號桿裝有柱上開關(guān)，其中101號桿柱上開關(guān)為聯(lián)絡開關(guān)，以及48號有分歧線路，同時在分歧線路的1號首端裝有柱上開關(guān)。目前為止16加1號柱上開關(guān)為自動化三遙開關(guān)，分歧線路的1號三遙開關(guān)，柱上開關(guān)為架空線路相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 架空線路參數(shù)

2.3 配電網(wǎng)短路電流計算

根據(jù)配電網(wǎng)短路電流計算方法分別計算全電纜線路和架空線路的短路電流，10 kV全電纜線路所在系統(tǒng)，最大運行方式下系統(tǒng)阻抗為0.157 Ω，最小運行方式下系統(tǒng)阻抗為0.313 Ω，正常運行方式下，系統(tǒng)變壓器采用分裂方式運行，在主變檢修狀態(tài)下，兩段10 kV母線由1臺主變壓器運行，因此在計算短路時系統(tǒng)阻抗選擇最小運行方式下的阻抗。此處計算忽略故障電阻，10 kV全電纜線路短路電流計算結(jié)果如表6所示，10 kV架空線路短路電流計算結(jié)果如表7所示。

表6 10 kV全電纜線路短路電流值 kA

表7 10 kV架空線路短路電流值 kA

由于選取的10 kV全電纜線路和10 kV架空線路隸屬不同的66 kV變電站，10 kV架空線路最大運行方式下系統(tǒng)阻抗為0.157 Ω，最小運行方式下系統(tǒng)阻抗為0.313 Ω。

3 配電網(wǎng)繼電保護整定計算

本文根據(jù)全電纜線路和架空線路短路電流數(shù)據(jù)進行繼電保護整定計算，利用三段電流式保護[7]，同時考慮到實際線路的復雜性，為滿足配電網(wǎng)保護的可靠性、速動性、選擇性和靈敏性，還要結(jié)合重合閘保護方式、架空線路FTU邏輯判斷保護模式[8]，通過相關(guān)整定計算，得出配電網(wǎng)繼電保護的相關(guān)規(guī)律。

3.1 配電網(wǎng)繼電保護整定方法

DTU終端配置三段式電流保護，F(xiàn)TU終端配置三段式電流保護以及邏輯順序重合閘模式，由于邏輯順序重合閘模式的設定較為簡單，而且此類保護需要多次重合閘配合，增加了敏感電力用戶的停電感知[9]。本文針對基于短路電流計算的三段式保護進行研究，同時為了充分發(fā)揮自動化開關(guān)對配電網(wǎng)的保護作用，研究制定一種綜合性的保護方案。三段式電流保護包括瞬時電流速斷保護、限時電流速斷保護、定時限過電流保護，F(xiàn)TU的保護除了常規(guī)三段式電流保護外，還有選線模式和選段模式。考慮到66 kV變電站配出10 kV線路數(shù)量規(guī)模大，同一變電站不同的10 kV線路參數(shù)也有很大差別，并且考慮與現(xiàn)有變電站保護配置和整定的配合難度，在不改變變電站繼電保護配置和整定的基礎(chǔ)上，提出一種適用于10 kV線路配電自動化配電網(wǎng)中的繼電保護配置和整定方法。

3.2 實際線路繼電保護定值整定

架空線路繼電保護整定：根據(jù)選取的實際架空線路自動化開關(guān)配置情況，結(jié)合配電自動化繼電保護對自動化設備布局的要求，提出現(xiàn)有線路配電自動化設備的合理優(yōu)化布局方式。全架空線路中，應將主干線路分為三段配置自動化設備，聯(lián)絡處裝設自動化開關(guān)，分歧線路首端裝設自動化開關(guān)。

根據(jù)三段式電流保護的特點，對架空線路保護定值進行整定，第一種方法是退出線路出口瞬時速斷保護，保留其他保護形式，整定結(jié)果為變電站出口保護配置：將瞬時速斷保護退出，將限時電流速斷保護時限提高為0.3 s，盡量減少對變電站整定值的修改。16加1號開關(guān)速斷定值為9.06 kA，限時電流速斷為5.25 kA，時限為0.15 s，過負荷定值為610 A，時間為6 s。分歧線路速斷定值為4 kA，過負荷定值為610 A，時間為3 s。52號自動化開關(guān)速斷定值為3.5 kA，過負荷定值為610 A，時間為3 s。自動化開關(guān)設置二次重合閘，一次重合閘時間為1 s，二次重合閘時間為3 s。

架空線路三段式電流保護的第二種方法是保留線路出口保護配置，根據(jù)短路電流計算結(jié)果提高出口保護定值，組成各級線路的三段式電流保護的分級配合。具體整定結(jié)果為52號開關(guān)的瞬時速斷保護定值設為3.77 kA，瞬時速斷保護時限為0 s，用以保護52號開關(guān)以后線路全段，過電流保護定值設為910 A，過電流保護時限為1.0 s；16加1號開關(guān)瞬時電流保護需要躲開分歧線路故障電流，因此設為8.31 kA，瞬時速斷保護時限為0 s，限時速斷保護考慮到保護16號至52號線路，定值設為5.26 kA，限時速斷保護時限設為0.15 s，過電流保護定值設為910 A，過電流保護時限為1.5 s；分歧線路瞬時速斷保護定值設為4.16 kA，瞬時速斷保護時限為0 s，過電流保護定值設為910 A，過電流保護時限為1.0 s；變電站出口瞬時速斷保護定值為14.52 kA，瞬時速斷保護時限為0 s，限時速斷保護定值為9.97 kA，限時速斷保護時限設為0.15 s，過電流保護定值設為910 A，過電流保護時限為2 s。自動化開關(guān)設置二次重合閘，一次重合閘時間為1 s，二次重合閘時間為3 s。

分析第一種和第二種保護整定的結(jié)果，第二種整定方案更為合理，線路出口故障時，故障電流對設備的沖擊和影響更小[10]，能夠更快的切斷故障電流。

電纜線路繼電保護整定分兩種情況，一種是開關(guān)站同樣配置自動化設備或者采用斷路器微機保護裝置[11]，此時的整定計算結(jié)果為：8號環(huán)網(wǎng)柜至開閉所高壓柜保護裝置整定值速斷4.807 kA，限時速斷保護定值為3.278 kA，時間為0.15 s，開關(guān)站出線間隔保護裝置定值為速斷保護定值為2.8 kA，過負荷定值為400 A，時間為3 s。變電站出口定值，退出速斷保護，將限時電流速斷時間提高到0.30 s。第二種情況是開關(guān)站無微機保護裝置，開關(guān)站及下屬設備配置高分段能力的熔斷器。8號環(huán)網(wǎng)柜至開閉所高壓柜保護裝置整定值為速斷4.807 kA，瞬時速斷保護時限設為0 s，變電站出口定值，退出速斷保護，限時電流速斷時間為0.15 s。

當變壓器保護和開關(guān)站出線保護采用熔斷器進行保護時，需要對熔斷器動作時間進行檢驗[12]，熔斷器的動作時間需要與上級繼電保護時間相配合，確保各級保護能正確動作，避免故障時保護越級動作。熔斷器采用K型熔斷件，只需要校驗開關(guān)站出線柜熔斷件在最小短路電流下的動作時間即可。630 kVA變壓器配置額定電流為65 A的熔斷件，開關(guān)站配置100 A的熔斷件，只需要對此進行校驗即可，當五組環(huán)網(wǎng)單元線路末端發(fā)生兩相短路電流時，短路電流最小為2.98 kA，100 A的熔斷件在2.98 kA時弧前時間為0.03 s，再加上幾十毫秒的燃弧時間，故障可在0.1 s內(nèi)切除。

4 配電網(wǎng)繼電保護方案確定

目前配電網(wǎng)的繼電保護配置，只在線路出口配置保護，并且配置重合閘，對于絕大多數(shù)故障都可利用線路重合閘躲開故障，在幾秒內(nèi)就可以恢復全線路送電，對于全電纜線路，由于不配置線路重合閘，因此在故障跳閘時，線路跳閘失電，直至人員巡視到故障時，隔離故障恢復非故障部分線路。

基于三段式電流保護的保護整定，在短路電流計算中相關(guān)數(shù)據(jù)的不確定性，包括系統(tǒng)阻抗，會隨著66 kV變電站運行方式的改變而改變，配電網(wǎng)中線路數(shù)據(jù)的準確性，故障時故障點的故障電阻都會對短路電流的準確性產(chǎn)生影響，對繼電保護的整定計算帶來困難。

目前架空線路自動化設備保護模式包括邏輯動作模式和電流三段式保護，邏輯動作模式需要線路出口配置多次重合閘用以隔離故障區(qū)域恢復非故障區(qū)域的供電，針對瞬時故障，邏輯動作模式反而增加了二次重合閘，延長了停電時間，同時對于三分段多聯(lián)絡的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，邏輯時間配合較為復雜。根據(jù)以上情況并結(jié)合實際線路配置，提出如圖2所示的架空線路保護方案，具體方案是線路出口斷路器、1號三遙FTU柱上開關(guān)、2號三遙FTU柱上開關(guān)分別配置瞬時速斷保護、限時速斷保護和過流保護，各級保護相互配合。結(jié)合網(wǎng)架優(yōu)化和自動化設備的合理布局，本級線路分歧線路的首端不應包含在本級瞬時速斷保護范圍內(nèi)。如果線路改造有困難，而且分歧線路距離本級線路首端距離過近，則本級線路首端自動化開關(guān)配置為選段模式，上級線路首端自動化開關(guān)配置為選線模式，即當本級線路發(fā)生故障時，犧牲本級線路的選擇性，上級線路自動化開關(guān)動作，由于配置了選線模式和選段模式[13]，上級線路經(jīng)過一段時間延時后自動合閘，本級線路檢測到電壓，來電延時合閘，若故障發(fā)生在本級線路主干，本級線路失壓分閘，本級開關(guān)閉鎖，上級線路開關(guān)重合，經(jīng)過一定時間延時，本級開關(guān)分歧線路的聯(lián)絡開關(guān)重合，恢復對非故障區(qū)域的供電。

圖2 架空線路保護整定方案

對于電纜線路，自動化設備的配置方案如圖3所示，線路出口斷路器配置0.15 s限時速斷保護，用于保護線路主干，各環(huán)網(wǎng)柜配出線路采用瞬時速斷保護，其余配置如實例中配置即可。

圖3 電纜線路保護整定方案

5 結(jié)束語

針對自動化設備的布局要求，自動化設備的合理使用和布局應在配電網(wǎng)網(wǎng)架堅強結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上，并結(jié)合配電網(wǎng)短路電流分布和線路結(jié)構(gòu)合理配置。本文就實際情況進行短路電流計算，并進行繼電保護的定值配置，同時針對保護方式的要求，對自動化設備的合理布局進行探討，提出一種基于自動化設備合理布局以及合理配置的配電網(wǎng)三段式保護方案，以供參考。