110 kV電網故障問題分析及繼電保護整定計算研究

許 君

（國網湖南省電力有限公司 永州供電分公司，湖南 永州 425000）

0 引 言

目前，我國電網處于飛速發展態勢。隨著新老設備的交替與繼電保護裝置的大規模投入，電網故障分析的準確性與處理效率有了明顯提升。繼電保護整定計算是定值計算工作的執行核心，可以全面分析電網故障，及時處理故障。繼電保護整定計算軟件經由10余年的發展已逐漸成熟，實用水平較高，可以滿足各地區電網生產的實際需求，為定值的統一管理提供了完備條件。

1 電力系統繼電保護整定計算程序應用的重要意義

電力系統運行的安全性與繼電保護整定計算結果有著緊密聯系。應用裝置的可靠性是維持電力系統運行穩定的基礎。正確的保護定值能夠降低電網事故發生風險，避免故障范圍擴大。電網規模不斷擴大，繼電保護整定值的計算量也在逐漸增多[1]。110 kV電網的整定計算過程較為復雜，具有平行線路零序互感等電網特點，使得繼電保護的日常管理工作復雜。隨著工作量的加大，僅依靠人力計算無法匹配實際工作要求。為使電網穩定運行，應用專業的軟件系統配合計算機網絡技術，為繼電保護整定計算提供事故分析的基礎依據，保證計算的準確性和及時性[2]。繼電保護整定計算將電網管理人員從繁重的工作中解脫出來，具有極強的技術價值與經濟價值。

2 電網故障電流計算

通過準確計算故障電路，確定繼電保護整定值并科學校驗其產生動作，明確線路中各節點故障電流值與分支系數，保證結果的準確性。

發生電力系統故障的原因為相與地的短路或不同相之間短路，在電路中檢測到遠超正常運行狀態的短路，進而降低節點電壓以免影響負荷工作狀態，危害各類電氣設備運行安全[3]。由于短路故障的特殊性，系統穩定性將產生解列現象，造成各區域大規模停電。若有不對稱短路情況或會由于較大零電流分流，使得相鄰通信線路遭受嚴重干擾。

為避免短路故障的危害，在設計電力系統時需計算短路電流。發生短路故障時，根據預先明確的系統參數數值確定短路電流與接點電壓。按照短路故障的風險從大到小排列依次為單相短路故障、兩相接地、兩相短路故障以及三相對稱短路故障。三相對稱短路發生概率較小，但應用三相短路故障可作為檢驗電氣設備能力的方法，因為該短路故障產生的后果最嚴重。

筆算和直流計算臺等是傳統短路電路或故障計算的常用計算方法，但電網規模的擴大使其逐漸無法滿足龐大的計算量需求。多數設備容量存在限制，影響電力系統的多重故障計算準確性和計算效率[4]。計算機的出現使得運算速度和容量相較傳統工具均有了明顯提升，配合使用矩陣法、分塊法等科學計算方法，可以滿足龐大電力系統的復雜故障計算需求，實現了完備的故障分析與解決。

電力系統中的短路故障經常伴隨著電磁與機電暫態，使得在故障發生的時間段內電流和電壓均隨時間改變，如工頻周期分量和非周期分量（隨時間衰減）等，因此使用微積分方程或代數方程組計算短路電路與復雜故障[5]。繼電保護整定與裝置運行分析環節，需計算故障在某一瞬間的電壓周期分量，無須重復計算其變化過程，省略了諸多計算步驟。

3 繼電保護整定計算

3.1 目的與任務

整定計算是繼電保護工作的關鍵任務，是確保電力生產穩定運行的重要基礎。電力系統中設定各級別調度部門，執行整定計算任務的對象是已經配置完全的繼電保護裝置，依照電力系統對應參數與實際運行要求獲取需要的整定值，從而保證各類繼電保護有機協調布置，充分發揮其應用優勢[6]。以110 kV電網為例，若能夠獲取電力設計部門的配合條件，即可在校對繼電保護整定計算配置相關數據后開發出具有實際應用價值的整定計算軟件。

根據保護給出整定值是繼電保護整定計算的核心任務，可根據電網運行實際條件制定有效的繼電保護整定方案。制定方案具體內容的依據包括系統電壓等級和設備類型等。依照不同的繼電保護功能，分解為不同的整定方案，保證工作完成效果，提高工作效率。分解的各類整定方案具有獨立性特點，相互之間的配合關系使方案的實際落實可匹配電力系統的運行需求[7]。繼電保護整定方案并非固定的。由于系統運行變化能力限制，超出預定范圍便需重新整定繼電保護，以匹配運行實際需要。保護裝置性能有限，變化限度超出的情況下，將使得保護裝置失去其保護功能。

繼電保護的整定計算需充分分析自身整定問題，考慮繼電保護的配置情況與選型情況，確定系統結構與運行效果，實現整定計算的綜合運用目標。具體的整定計算步驟為：第一，以繼電保護功能為基礎，確定短路計算具體方式，包括對短路類型的選擇和分值系數計算條件等；第二，計算短路故障；第三，整定計算同一功能保護，確定整定值[8]；第四，比較整定結果，制定合適的整定計算方案，通過歸納問題提出匹配運行條件的實際要求；第五，生成定值單，包含編制之間、系統概況、變化原則、變化限度、整定原則、問題與對策、保護規定以及對選定運行方式限制要求等內容。

3.2 選擇合適的整定計算方式

繼電保護整定計算環節選擇的運行方式，以不對繼電保護效果產生不良影響為原則，選擇匹配變化適應能力的方案，同時需充分考慮繼電保護的實際條件。選擇的計算方式與運行方案是否合理，直接影響繼電保護效果與配置選型準確性。運行方式的變化限度是最大與最小運行模式的確定，以常見運行方式的最大化滿足為前提，加大變化范圍。

3.2.1 將電力系統常見運行方式作為整定計算依據

正常運行與正常檢修是電力系統的常見運行方式。正常運行包含投入的全部變壓器和線路等，能夠在系統負荷范圍內選擇合適的發電設備，發揮繼電保護作用。改善正常運行情況的保護性能，在對定值做整定保護期間，將目光放在正常運行方式上，從而匹配對裝置工作性能的基本要求[9]。正常檢修方式是正常運行模式下相鄰組件或被保護設備的檢修狀態。若組件較多，則對應多種檢修模式。整定計算保護過程中應確保在正常檢修模式下，裝置的選擇性和靈敏性均符合對保護裝置運行整定的基本要求。

3.2.2 改變發電廠外部系統運行方式

我國各大電網的保護整定過程中，系統對應的發電廠始終處于最大運行狀態，以負荷需求為前提投入最多機組。它包含每個發電廠最小運行方式，僅在同一母線的連接線路中的保護整定過程中才考慮該種情況。校驗線路電路2段保護靈敏系數，只改變母線電源保護的運行方式，將其切換為最小[10]。計算線路2段與線路1段保護配合分支系數（最?。?，應首先切換末端母線電源到最小，無須改變電源運行方式。

3.2.3 正常以外檢修方式

不將特殊運行方式作為整定計算的基本依據，但仍然需要對整定方案進行補充，以起到臨時處理參考的作用。

3.2.4 變壓器中性點接地

首先確保對應變電站零序阻抗的穩定性保持不變，充分考慮接地保護的實際情況。例如，接地距離保護和零序電流保護等，零序阻抗保持不變，作為系統整定方案的前提條件。

3.2.5 比較保護電流

特定保護裝置產生整定計算點短路現象時，需保護短路電流處于最大值。整定計算環節需獲取最大或最小電流值，保證整定計算的全面性和準確性。

3.3 故障類型與方式的具體選擇

在執行繼電保護整定計算任務時，需要了解常見故障類型與故障處理方式。首先，考慮單一設備故障的常見情況，不分析復雜故障的情況下，針對接地短路的保護主要集中在單相接地和兩相短路接地，明確故障類型。其次，針對相間短路保護，故障類型的選擇依據一般為三相與兩相短路。最后，整定計算零序電路保護環節，針對三相重合閘線路類型，充分考慮斷路器的合閘情況。若線路為單相重合閘，則應考慮兩相運行情況。

3.4 整定配合原則

斷路器配置是電力系統繼電保護裝置的基礎，以斷路器分段為前提，對繼電保護做整定處理。針對繼電保護的分級基礎為保護正方向，保證正方向上下級保護的配合協調效果，滿足選擇性的基本要求。在上下保護動作特性范圍內不可存在交叉點，且應預留裕度。

整定計算環節，計算條件應為電力系統的運行過程保護，根據保護原理可將整定計算方法分為差動原理保護和階段性保護2類。差動原理保護包含了對內外故障做具體區分的能力，并維持其基本的保護方案，且相鄰保護與定值之間不存在配合關系，具有獨立特點，計算較為簡單。階段性保護要求上下（相鄰）級間應存在配合關系，且伴隨系統運行方式的改變變更其保護范圍，因此整定計算過程較為復雜，且具有較多結果可選性。

在整定階段保護環節，上下級配合需要遵循以下要求。首先，配合時間。上級與下級的保護整定時間應存在時間級差。其次，配合保護范圍。對于同一故障點來說，下一級靈敏系數一般大于上一級保護。最后，配合過程均嚴格按照保護正方向。

3.5 整定方法

一方面，整定條件與整定公式有關系數的確定，主要依據保護裝置工程原理與系統運行特點。另一方面，初始整定值的設定需充分考慮整定條件，靈敏度校驗應預先明確電力系統最小運行方式，確保靈敏度匹配運行方式的特點與實際要求，最終確定選定整定值。若發現與要求不符，則重新考慮并分析最小運行方式與整定條件，保證選擇的恰當性，從而全面核驗保護裝置的選型與裝置配置過程中存在的問題。

4 結 論

110 kV電網故障分析與繼電保護整定計算需考慮電網運行特征，在明確各類保護功能的前提下計算出整定值，具有較強的通用性。由于摒棄了傳統的整定值計算工具，更換的計算系統實現了電網繼電保護的計算自動化應用目標，具有較強的經濟價值，提高了管理水平與工作質量，應用前景廣闊。