配電網(wǎng)繼電保護(hù)配合與故障處理關(guān)鍵技術(shù)研究

國網(wǎng)河北省電力有限公司威縣供電分公司 唐宏業(yè) 潘鵲羽

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和升級，配電網(wǎng)的可靠性越來越高，但是由于各種因素的影響，如天氣變化、人為操作失誤等，仍然存在一些難以預(yù)測或控制的問題，導(dǎo)致了設(shè)備損壞或者系統(tǒng)失效。

因此，在保證供電安全的同時(shí)，如何有效地應(yīng)對這些問題成為當(dāng)前亟待解決的重要課題之一。基于此，配電網(wǎng)繼電保護(hù)配合與故障處理是至關(guān)重要的一環(huán)。通過對配電網(wǎng)中的重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并判斷出潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，從而采取相應(yīng)的措施以避免事故發(fā)生。

1 繼電保護(hù)與配電自動(dòng)化配合的配電網(wǎng)故障處理

1.1 配電網(wǎng)多級保護(hù)配合的可行性

在配電網(wǎng)中，由于不同設(shè)備和線路之間的連接方式不同，導(dǎo)致了不同的故障模式。因此，為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要采用多種類型的保護(hù)裝置進(jìn)行配合工作。其中，常用的是三相四線制系統(tǒng)中的雙回路環(huán)型接地器（DGCT）和單回路接地器（SGCT）。這些保護(hù)裝置可以分別對主電路和母線進(jìn)行保護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的多級保護(hù)配合[1]。

在配電網(wǎng)中，常見的故障類型包括短路、欠壓、過載等多種情況。對于短路故障，DGCT能夠通過電流互感原理檢測到短路位置并及時(shí)斷開電源，以避免進(jìn)一步擴(kuò)大事故的影響范圍；而對于欠壓或過載故障，SGCT則可以通過電壓互感原理來檢測到負(fù)載的變化，并在一定程度上控制負(fù)荷，防止因負(fù)荷過高而引發(fā)的安全問題。

此外，配電網(wǎng)中還存在一些特殊情況下，如大面積停電時(shí)，需要采取聯(lián)合保護(hù)的方式才能確保供電可靠性。在這種情況下，DGCT和SGCT可以在各自的工作范圍內(nèi)獨(dú)立完成任務(wù)，但當(dāng)發(fā)生較大規(guī)模的故障時(shí)，其會(huì)自動(dòng)協(xié)同工作，共同保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[1]。

1.2 多級級差保護(hù)與配電自動(dòng)化配合的配電網(wǎng)故障處理

1.2.1 兩級級差保護(hù)的配置原則

在配電網(wǎng)中，兩級級差保護(hù)是一種常見的保護(hù)方式。其主要目的是通過兩個(gè)不同級別的保護(hù)裝置來實(shí)現(xiàn)對同一線路的雙重保護(hù)。該方法可有效提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)也能夠降低設(shè)備成本。然而，由于兩級級差保護(hù)需要考慮多個(gè)因素的影響，因此其配置也需要注意一些原則。

首先，要確保兩級級差保護(hù)之間的協(xié)調(diào)性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，兩級級差保護(hù)之間可能會(huì)出現(xiàn)沖突或干擾的情況。為了避免這種情況發(fā)生，必須保證之間的協(xié)調(diào)性和一致性。例如，在設(shè)置時(shí)應(yīng)該考慮到其保護(hù)時(shí)間、保護(hù)范圍以及保護(hù)功能等方面的要求，以確保兩者之間的協(xié)調(diào)性和有效性。

其次，要注意兩級級差保護(hù)之間的相互影響。在實(shí)際應(yīng)用中，兩級級差保護(hù)之間的相互影響也是一個(gè)重要的問題。如果二者之間的相互作用過于強(qiáng)烈或者不正確地控制，那么就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至無法正常運(yùn)行。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮這兩者之間的關(guān)系，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

最后，還需要注意兩級級差保護(hù)之間的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)。

1.2.2 三級級差保護(hù)的配置原則

以某地配電網(wǎng)為例，采用三級級差保護(hù)的典型配置一般有以下幾種方案。

方案1：變電站10kV出線開關(guān)、饋線分支開關(guān)與用戶開關(guān)采用斷路器并配置保護(hù)功能形成三級級差保護(hù)，如圖1（a）所示，其中用戶開關(guān)B～B4保護(hù)動(dòng)作延時(shí)時(shí)間設(shè)定為0s；變電站10kV出線斷路器的延時(shí)時(shí)間為1s，可計(jì)算該S/T保護(hù)動(dòng)作在短線路范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)[2]。

圖1 三級級差保護(hù)典型配置方案

方案2：變電站10kV出線開關(guān)、某個(gè)饋線分段開關(guān)與饋線分支開關(guān)采用斷路器并配置保護(hù)功能形成三級級差保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)繼電保護(hù)的有效控制。該方案采用主接線形式，通過斷路器跳閘原理，在滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行要求下保證了10kV出線母線上所設(shè)置的故障線路供電可靠性。當(dāng)變電站負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)（如變壓器、發(fā)電機(jī)等）需采取自動(dòng)重合閘裝置進(jìn)行相應(yīng)隔離切除，如圖1（b）所示。

方案3：變電站10kV出線開關(guān)與環(huán)網(wǎng)柜出線開關(guān)以及中間某一級環(huán)網(wǎng)柜的進(jìn)線開關(guān)采用斷路器并配置保護(hù)功能形成三級級差保護(hù)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，通過繼電保護(hù)裝置快速反應(yīng)，快速切除線路。該方案的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、靈活性高和可靠性好，如圖1（c）所示[3]。

2 各種類型分布式電源的控制策略及故障電流特性

2.1 電機(jī)類型DR

同步電機(jī)。同步電機(jī)其轉(zhuǎn)子速度必須與并網(wǎng)點(diǎn)的電壓同步轉(zhuǎn)速相同，才能保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。然而，在配電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置中，由于線路阻抗存在問題，致使其無法實(shí)現(xiàn)同步供電。同步發(fā)電機(jī)短路電流按照時(shí)間順序分為次暫態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)三個(gè)階段，空載條件下機(jī)端發(fā)生短路時(shí)，短路全電流表示見公式（1）：

鼠籠異步發(fā)電機(jī)。鼠籠異步發(fā)電機(jī)是一種常見的非勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，也稱為感應(yīng)發(fā)電機(jī)。其轉(zhuǎn)子上包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體桶，通常由鋁或銅制成。定子繞組通過與轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)體桶產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電能輸出。鼠籠異步發(fā)電機(jī)廣泛用于小型和中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、水力發(fā)電機(jī)組以及其他分散式發(fā)電系統(tǒng)中，其優(yōu)點(diǎn)是具有高效、穩(wěn)定、低維護(hù)成本等特點(diǎn)。鼠籠異步發(fā)電機(jī)的短路全電流表示見公式（2）：

2.2 變流器類型DR

變流器類型DR的基本特性。DR電機(jī)由于不需要稀有磁材料，因此成本更低，而且在高速運(yùn)行時(shí)具有較高的效率和更好的能量回收特性，DR變流器不需要使用傳統(tǒng)電機(jī)中的刷子或永磁體等易損件，因此具有更高的可靠性和更長的使用壽命。電壓源變流器（VSC）采用全控器件和 PWM控制技術(shù)，典型的電路結(jié)構(gòu)有兩電平 VSC、三電平VSC和級聯(lián)多電平VSC，圖2為分布式電源中常用的兩電平VSC電路。

圖2 分布式電源中常用的兩電平VSC電路

不考慮VSC控制方式與限流保護(hù)條件下DR的短路電流。電網(wǎng)系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置一般在配電網(wǎng)中設(shè)置了，而實(shí)際情況是，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)電流出現(xiàn)最大值后才會(huì)進(jìn)行切除。這就導(dǎo)致當(dāng)保護(hù)接地回路當(dāng)中存在短路或者不動(dòng)作等問題。如果DR只向配電網(wǎng)發(fā)送有功功率，此時(shí)DR提供的最大短路電流見公式（3）：

如果要求DR向電網(wǎng)提供額定容量的無功功率，因此，最大可能的短路電流見公式（4）：

3 配電自動(dòng)化配合的故障處理

3.1 全電纜饋線的故障處理

全電纜饋線作為一種高壓輸電線路，其故障處理需要特殊的技術(shù)和方法。在工作實(shí)踐中，全電纜饋線常見故障的處理技術(shù)如下。

感應(yīng)耦合檢測（TDR）：通過測試端口輸入一個(gè)短脈沖信號，由故障導(dǎo)體反射回來的信號經(jīng)過處理可以確定故障點(diǎn)位置。這是一種快速、準(zhǔn)確的故障預(yù)定位技術(shù)；小波分析技術(shù)：利用小波變換技術(shù)對電纜中的信號進(jìn)行處理，可以分析出不同頻率的成分并判斷跳閘、接地故障等類型的故障；熱像儀檢測：利用熱像儀檢測故障段表面溫度變化情況，根據(jù)缺陷周圍的溫度不同，確定故障位置，并進(jìn)一步確定缺陷的性質(zhì)和類型；微波干擾法：利用高頻微波在故障區(qū)域的反射特征不同于正常區(qū)域來定位故障。該方法可準(zhǔn)確探測到絕緣層、金屬護(hù)套和接頭等故障。

3.2 分支線路的故障處理

分支線路是電力系統(tǒng)中常見的一種輸電方式，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故障處理也比較煩瑣。在工作實(shí)踐中，常見分支線路故障處理技術(shù)如下。故障點(diǎn)定位：首先需要進(jìn)行故障點(diǎn)定位，根據(jù)斷路器跳閘位置、現(xiàn)場檢查以及測試儀器等，確定故障位置；隔離故障段：將故障部分與正常部分隔離開來，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大，并保證其他分支線路正常運(yùn)行；具體故障排除：對于不同類型的故障，可采取相應(yīng)的排除措施。如顯性故障（如短路）可通過安裝新設(shè)備、維修或更換元件等方式進(jìn)行恢復(fù)；隱性故障（如接觸不良）可通過對接觸表面進(jìn)行清洗、加固或更換來排除；恢復(fù)正常運(yùn)行：故障被排除后，需要進(jìn)行全面的測試和驗(yàn)收工作，確保線路能夠正常運(yùn)行。

3.3 主干線路的故障處理

在配電網(wǎng)中，主干線路是供電系統(tǒng)的重要組成部分。由于其承載能力大、負(fù)荷穩(wěn)定性好等因素，因此在發(fā)生故障時(shí)對整個(gè)系統(tǒng)具有重要的影響。為了保障電力供應(yīng)安全和穩(wěn)定運(yùn)行，需要采取有效的措施進(jìn)行主干線路的故障處理工作。目前，常用的主干線路故障處理方法主要包括斷路、隔離、換線接回等多種方式。其中，斷路是最基本的方法之一，通過切斷電源來防止電流過流或短路，從而避免了設(shè)備損壞及人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。其可以通過將故障點(diǎn)隔開來實(shí)現(xiàn)對該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備的隔離，以確保其他區(qū)域不受到影響。相比之下，換線接回則是一種更為高效的故障處理方法。其原理是在故障位置上設(shè)置一個(gè)接回裝置，并將故障點(diǎn)連接至另一端的接回裝置上，這樣就可以將故障點(diǎn)從主干線路上移除，并恢復(fù)正常供電。

4 結(jié)語

本文主要對配電網(wǎng)繼電保護(hù)配合與故障處理進(jìn)行了深入的研究，并提出了一些新的理論和方法。通過對相關(guān)問題的綜述和分析，發(fā)現(xiàn)在配電網(wǎng)中存在較多問題，如電力質(zhì)量差、線路老化等問題導(dǎo)致了設(shè)備故障率不斷上升。因此，提高配電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性成為當(dāng)前亟待解決的問題之一。總之，本研究所做了一定的工作，為配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行提供了一定的參考價(jià)值。在未來的研究工作中，可以進(jìn)一步完善現(xiàn)有的技術(shù)方案，探索更加高效、安全的方法來保障配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。