繼電保護(hù)與配電自動化協(xié)同故障隔離技術(shù)分析

中海油惠州石化有限公司 白楊陽

配電網(wǎng)運(yùn)行中常發(fā)生各種故障，影響配電系統(tǒng)安全。為減少故障造成的損失，必須優(yōu)化系統(tǒng)。系統(tǒng)優(yōu)化后，一旦局部發(fā)生故障，即可啟動隔離功能斷開故障部位與系統(tǒng)的連接，從而將故障影響控制在一定范圍內(nèi)。應(yīng)用該隔離技術(shù)，可保證用戶側(cè)故障或者系統(tǒng)分支故障時(shí)，主干線路可正常供電，降低斷電風(fēng)險(xiǎn)。繼電保護(hù)協(xié)同配電自動化，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，有效應(yīng)對系統(tǒng)故障。

1 配電網(wǎng)故障發(fā)生機(jī)制

配電網(wǎng)故障主要分為兩種，一種是斷線故障，另一種是絕緣故障。導(dǎo)體斷開誘發(fā)斷線故障，導(dǎo)體對地、三相導(dǎo)體與三相導(dǎo)體絕緣失效引起絕緣故障。元件發(fā)生故障后，繼電保護(hù)自動切除該元件，避免系統(tǒng)受損，維持系統(tǒng)供電穩(wěn)定。自動化系統(tǒng)可迅速定位故障點(diǎn)，將其隔離，然后恢復(fù)正常區(qū)域供電。在兩種故障中，絕緣受損發(fā)生率較高，斷線故障通常合并對地絕緣受損。

1.1 故障原理分析

配電網(wǎng)常見故障類型與原理見表1。

表1 配電網(wǎng)故障分析

1.2 故障識別技術(shù)難點(diǎn)

配電網(wǎng)故障發(fā)生率較高，故障電流參數(shù)較低，其中60%～80%為單相接地故障，15%為兩相故障，三相故障＜5%。國內(nèi)接地系統(tǒng)通常為小電流接地，供電企業(yè)單相接地故障表現(xiàn)為幾十安培以內(nèi)不穩(wěn)定小電流，故障定位是技術(shù)難點(diǎn)。大城市線路多為小電阻接地中性點(diǎn)，故障電流高達(dá)數(shù)千或數(shù)百安培，技術(shù)難點(diǎn)是出口斷路器保護(hù)協(xié)同變電器熔斷器保護(hù)。架空絕緣導(dǎo)線故障率較低，傳統(tǒng)架空線路故障率較高。通過改造線路，可降低50%左右故障率。狂風(fēng)、雷擊是引起瞬時(shí)性故障的主要原因。故障電弧通常不穩(wěn)定，1kΩ以上故障電阻發(fā)生率為2%～5%。電阻＞1kΩ的10kV配電網(wǎng)中高阻故障電流參數(shù)較低，常規(guī)保護(hù)方法反應(yīng)速度遲緩，供電企業(yè)需要重點(diǎn)解決故障檢測難題。電壓峰值100m區(qū)域是故障高發(fā)區(qū)，故障中超過50%發(fā)生于該區(qū)域。電壓過零附近故障電流發(fā)生率接近于0%[1]。

1.3 故障防控方法

為有效防范故障發(fā)生，必須科學(xué)配置繼電保護(hù)裝置，優(yōu)化保護(hù)性能，出口區(qū)域斷路器保護(hù)系統(tǒng)需要有效配合系統(tǒng)分支開關(guān)、系統(tǒng)分段和分界開關(guān)等部位保護(hù)裝置。在故障發(fā)生后，系統(tǒng)應(yīng)選擇性切斷隔離故障，確保出口保護(hù)不會越級保護(hù)，維持系統(tǒng)其他部分供電不會受其影響，合理控制斷電范圍。集中型配網(wǎng)自動控制可維護(hù)主干線路運(yùn)行，一旦發(fā)生主干線路故障，可恢復(fù)下游正常供電。單聯(lián)絡(luò)架空線路可進(jìn)行專網(wǎng)通信，無此條件時(shí)，分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)可進(jìn)行就地配合恢復(fù)線路供電。整定計(jì)算不適用于固定保護(hù)電流定值計(jì)算。

2 相間短路故障保護(hù)

2.1 核心技術(shù)方案

基于主變壓器安全和配合上級主變壓器保護(hù)要求，縮短Ⅰ段保護(hù)區(qū)使Ⅰ段保護(hù)區(qū)＜1.5km，同時(shí)提高其保護(hù)電流定值，降低無選擇性動作可操作幅度，通過分段、分支、分界等開關(guān)與變電站出口斷路器配合，選擇性切除非Ⅰ段保護(hù)區(qū)故障。優(yōu)化現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)，通過斷路器與電流保護(hù)優(yōu)化分段和分支開關(guān)，使用定值配合方法跳閘切除故障。針對越級跳閘故障，非故障區(qū)使用重合閘解除斷電，盡可能保證非故障區(qū)穩(wěn)定供電，降低線路重復(fù)開關(guān)或者短時(shí)停電風(fēng)險(xiǎn)。故障下游無故障區(qū)域，可通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘解除斷電狀態(tài)。以開關(guān)所處區(qū)域?yàn)橐罁?jù)，設(shè)定電流定值，設(shè)計(jì)整定時(shí)限，而非采用整定計(jì)算方法。

2.2 保護(hù)配置、整定處理

2.2.1 變電站出口斷路器

該處斷路器采用三段式電流保護(hù)以及二次重合閘，與故障重合縮短跳閘耗時(shí)，提高斷電效率。

電流Ⅰ段保護(hù)環(huán)節(jié)中，常規(guī)繼電保護(hù)出口電流Ⅰ段保護(hù)，根據(jù)避讓自身線路末端短路電流峰值設(shè)置整定值進(jìn)行整定。線路沿線與多個(gè)配電變壓器相互連接，上述整定方法應(yīng)用后顯示整定值偏低，較易導(dǎo)致出口保護(hù)裝置越級保護(hù)。Ⅰ段保護(hù)電流整定分析后認(rèn)為，主變壓器二次側(cè)Ⅱ段可配合前述Ⅰ段保護(hù)。以Ik.s.min描述系統(tǒng)母線兩相短路電流，以Ik.s.N描述變壓器出口三相短路額定電流，此時(shí)兩電流關(guān)系符合如下關(guān)系式[2]：

采用1.5保護(hù)動作靈敏系數(shù)，Ⅱ段保護(hù)電流定值描述為IⅡsct.s，母線短路電流谷值描述為Ik.s.min，其相互關(guān)系應(yīng)為：

為保證Ⅰ段、Ⅱ段有效配合，Ⅱ段應(yīng)為1.1倍Ⅰ段保護(hù)電流定值。綜合分析后可知，Ⅰ段保護(hù)電流定值是：

在具體系統(tǒng)操作時(shí)，整定依據(jù)可采用50%母線額定短路電流值，Ⅱ段保護(hù)電流定值可采用0.6倍母線額定短路電流參數(shù)。變壓器二次側(cè)電流定值分別描述為P變二Ⅰ和P變二Ⅱ，此種整定實(shí)施后，變壓器二次側(cè)電流情況為：

此時(shí)，母線短路時(shí)變電器二次側(cè)Ⅱ段保護(hù)斷電靈敏系數(shù)為1.45，顯示配合良好。為降低故障隔離難度，Ⅱ段保護(hù)電流定值采取相同參數(shù)。在10kV配電線路中主變壓器出口額定短路電流約為15kA，因此設(shè)置Ⅱ段保護(hù)電流定值參數(shù)為7kA。電流定值參數(shù)提升，此時(shí)保護(hù)區(qū)范圍約1.5km，避免出口電流Ⅰ段大范圍越級保護(hù)。斷電隔離保護(hù)運(yùn)行時(shí)，一旦配電網(wǎng)出現(xiàn)短路，故障電流強(qiáng)度與故障距離呈顯著負(fù)相關(guān)，變電站1km間距故障區(qū)域，短路電流通常僅為50%母線短路電流值。主變壓器繞組中，設(shè)短路電流為P短路，在此過程中短路電流發(fā)熱值為W發(fā)熱，電動力為W點(diǎn)動力，則W發(fā)熱、W電動力隨著P2短路增高而同步增高，隨著P2短路降低而降低。P短路降低至一定水平，W發(fā)熱、W點(diǎn)動力對變壓器通常無顯著實(shí)質(zhì)性損傷。不僅如此，整定出口電流時(shí)設(shè)置為50%母線額定短路電流值進(jìn)行Ⅰ段保護(hù)，通常可保證電壓暫降時(shí)維持在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，有效緩解電壓暫降對系統(tǒng)造成的損傷[3]。

設(shè)置Ⅱ段保護(hù)時(shí)，因?yàn)榫€路出口斷路器已經(jīng)進(jìn)行Ⅰ段保護(hù)，所以設(shè)置0.6s Ⅱ段保護(hù)動作時(shí)限。通過該設(shè)置可促進(jìn)上下游隔離保護(hù)相互配合，確保保護(hù)動作具有靈敏選擇性。在整定IⅡsct.s時(shí)，應(yīng)避開線路冷啟動電流、下級 P變二短路max。IⅡsct.s均設(shè)置為3kA。

Ⅲ段保護(hù)電流定值描述為IⅡsct.s。設(shè)置電流Ⅲ段保護(hù)時(shí)，采用1.8s動作時(shí)限，整定的基本要求是避開最大負(fù)荷電流。在斷電隔離處理時(shí)，全部取值為1.2kA。

重合閘設(shè)置方法近似電壓時(shí)間型饋線自動化模式。使用二次重合閘設(shè)置出口斷路器。通過此種設(shè)計(jì)，用戶故障或者分支線故障時(shí)可保證Ⅰ段保護(hù)區(qū)域中有效解除斷電狀態(tài)，迅速恢復(fù)供電。

保護(hù)動作執(zhí)行中，變電站出口斷電保護(hù)情況如下（如圖1所示）。在該斷電保護(hù)系統(tǒng)中，主干線路開關(guān)有兩個(gè)，分別為Q1和Q2。分支線路開關(guān)包括Q3、Q4、Q5，分界開關(guān)包括Q6、Q7。Ⅰ段保護(hù)區(qū)域覆蓋虛線所劃弧線內(nèi)部，該范圍外用戶線路故障或者分支線路故障，可通過用戶側(cè)保護(hù)、分支和分界開關(guān)保護(hù)斷電隔離，避免發(fā)生越級跳閘。分段斷路器發(fā)生下游故障后，分段斷路器可進(jìn)行斷路隔離。系統(tǒng)運(yùn)行中有時(shí)可見出口斷路器越級跳閘，例如k1永久故障，此時(shí)QF、Q1可同時(shí)啟動Ⅱ段保護(hù)，導(dǎo)致QF越級跳閘。發(fā)生該現(xiàn)象后，QF先行重合閘，檢測、來電后Q1重合閘，故障中Q1重合促進(jìn)跳閘快速完成，恢復(fù)QF、Q1區(qū)間供電。k2即Ⅰ段保護(hù)區(qū)域線路分支永久性故障時(shí)，可引起QF越級跳閘，后續(xù)重合閘1次，與故障重合然后跳閘。失壓上電后，Q3檢出故障，隨之通過跳閘隔離故障。QF二次重合閘，使主干線路恢復(fù)正常供電。

2.2.2 分段斷路器

使用分段斷路器可避免該保護(hù)裝置下游主干線路發(fā)生故障，通過此種保護(hù)可降低全線停電風(fēng)險(xiǎn)。在系統(tǒng)中設(shè)置一次重合閘、兩段電流保護(hù)，與故障重合促使跳閘斷電隔離高效率執(zhí)行。在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，為簡化系統(tǒng)分段斷路器無保護(hù)，此時(shí)可采用電壓時(shí)間型饋線或者集中型配電自動化系統(tǒng)隔離主干線路故障。

設(shè)置電流Ⅱ段保護(hù)執(zhí)行時(shí)限參數(shù)為0.6s，配合下游分支開關(guān)保護(hù)和分界開關(guān)保護(hù)。整定IⅡsct.s時(shí)，首先明確出口斷路器Ⅱ段定值，在設(shè)置IⅡsct.s時(shí)間距越近值越大[4]。具體操作方法為，以變電站為開端，第1個(gè)分段斷路器IⅡsct.s設(shè)置為2kA，第2個(gè)IⅡsct.s設(shè)置為1.2kA，第3個(gè)IⅡsct.s設(shè)置為800A。

Ⅲ段保護(hù)設(shè)置時(shí)，采用階梯模式整定動作時(shí)限，兩個(gè)臨近值應(yīng)保持0.2s時(shí)間級差。IⅢsct.s應(yīng)避開負(fù)荷電流峰值，以此為基礎(chǔ)整定IⅢsct.s。基礎(chǔ)依據(jù)是出口斷路器IⅢsct.s。在后續(xù)整定中，每階梯降低30%。

在系統(tǒng)中通過設(shè)置重合閘可降低瞬時(shí)性故障危害性，降低長時(shí)間停電風(fēng)險(xiǎn)。越級跳閘發(fā)生后，促進(jìn)非故障區(qū)域迅速恢復(fù)供電。重合閘動作時(shí)限設(shè)置為1s/次。

越級跳閘后，系統(tǒng)自動進(jìn)行恢復(fù)供電操作。根據(jù)圖1信息可知，Ⅰ段保護(hù)可覆蓋虛線內(nèi)區(qū)域，首個(gè)分段斷路器下游出現(xiàn)故障較易引起越級跳閘，即在k1區(qū)域出現(xiàn)BC段相間短路，該故障屬于永久性故障。Ⅱ段保護(hù)在QF、Q1中同時(shí)觸發(fā)，導(dǎo)致QF越級保護(hù)。電壓電流連鎖速斷保護(hù)可應(yīng)對此種情況。K1區(qū)域BC段故障后，針對QF與Q1進(jìn)行檢測，均可見故障電流Ifb存在，導(dǎo)致電流元件做出反應(yīng)。其中QF位置可見B相電壓超過50% A相電壓，此種電壓元件未發(fā)生動作。Q1位置B相為50% A相電壓，可見電壓元件執(zhí)行動作。Q1位置符合跳閘要求，因此觸發(fā)斷電隔離。

Ⅰ段保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生分支線路永久性故障時(shí)，例如k2永久性故障，此時(shí)QF將越級斷電隔離，后續(xù)初次重合故障，進(jìn)行二次跳閘。失壓上電情況發(fā)生在Q3處后，可檢出故障，因此發(fā)生斷電隔離,QF二次重合閘可使主干線路恢復(fù)供電。主干線出口與分段保護(hù)裝置安裝后，協(xié)同使用電壓電流連鎖速斷裝置，此種設(shè)計(jì)可促進(jìn)開關(guān)根據(jù)具體情況執(zhí)行保護(hù)動作，降低開關(guān)誤動作風(fēng)險(xiǎn)。分支線路發(fā)生故障后，配合使用重合閘，可縮短非故障區(qū)恢復(fù)供電時(shí)間，提高系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。

2.2.3 分支開關(guān)

設(shè)置分支開關(guān)保護(hù)后，分支線路故障時(shí)，可避免出口斷路器越級保護(hù)。在此處布設(shè)兩段式電流保護(hù)，一次故障重合提高跳閘反應(yīng)速度。電流Ⅱ段保護(hù)與上游相比，動作時(shí)限應(yīng)降低1級，均設(shè)置為0.4s。上游電流Ⅱ段保護(hù)聯(lián)合電流定值綜合發(fā)揮作用，電流定值設(shè)置為90%上游IⅡsct.s。設(shè)置變電站出口IⅡsct.s為3kA，首個(gè)分段斷路器、變電站線路分值開關(guān)IⅡsct.s設(shè)置為2.7kA。

整定IⅢsct.s時(shí)，應(yīng)避開分支冷啟動電流。在設(shè)置IⅢsct.s時(shí)取值400A。該環(huán)節(jié)動作時(shí)限與上游相比應(yīng)降低1級，可設(shè)置為0.2s。

2.2.4 分界開關(guān)

設(shè)置該環(huán)節(jié)的目的是避免用戶線路故障導(dǎo)致越級保護(hù)。采用兩段式電流保護(hù)以及故障一次重合，縮短跳閘耗時(shí)。電流Ⅱ段保護(hù)設(shè)置0.2s動作時(shí)限，配合用戶側(cè)保護(hù)裝置，預(yù)防越級保護(hù)。根據(jù)上級分支開關(guān)Ⅱ段保護(hù)整定IⅡsct.s，分界開關(guān)定值應(yīng)為90%分支開關(guān)IⅡsct.s。采用2.7kA作為IⅡsct.s時(shí)，分界開關(guān)IⅡsct.s可設(shè)置為2.4kA。IⅢsct.s整定要求為避開用戶冷啟動電流。分支開關(guān)保護(hù)Ⅲ段動作時(shí)限降低1級即為Ⅲ段保護(hù)動作時(shí)限，可均設(shè)置為1s。采用一次重合閘，動作時(shí)限設(shè)置為1s。正常情況下瞬時(shí)性故障發(fā)生后，將導(dǎo)致用戶線路長時(shí)間斷電，重合閘設(shè)置后，可有效降低此種風(fēng)險(xiǎn)[5]。

綜上所述，斷線和絕緣故障是導(dǎo)致配電網(wǎng)故障的主要原因，傳統(tǒng)斷電保護(hù)系統(tǒng)較易發(fā)生越級斷電，導(dǎo)致大范圍停電。協(xié)同配置配電自動化技術(shù)與繼電保護(hù)裝置，可提高跳閘效率，及時(shí)觸發(fā)斷電隔離，合理控制斷電范圍，減少非必要損失。應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，應(yīng)科學(xué)配置各斷路器保護(hù)和開關(guān)功能。