含分布式光伏的10 kV供電系統(tǒng)繼電保護整定分析

閆 石

[深圳市機場(集團)有限公司,廣東 深圳 518128]

0 引 言

分布式光伏以其獨特的優(yōu)勢在工業(yè)民用建筑中被廣泛使用。但分布式光伏的接入也對供配電系統(tǒng)的繼電保護產生不同程度的影響。對含有分布式光伏的供電系統(tǒng)進行合適的繼電保護配置、整定是保證供電可靠性的重要措施。

1 10 kV供電系統(tǒng)

某物流設施建筑面積為8.8萬m2,用地面積約9萬m2,設置有10 kV總變電所1座、10 kV分變電所4座?？傋冸娝捎脝文阜侄谓泳€,Ⅰ母負載為2臺配變與1回線路,Ⅱ母負載為1臺配變與1回線路,并分別從自有110 kV變電所引入1回電源,屋面分布式光伏通過升壓變接入Ⅱ母[1-2]。分變電所采用單母接線,母線負載為1臺變壓器,每2座分變電所鏈接接入總變電所。10 kV系統(tǒng)為小電阻接地方式,母線均分列運行。供電系統(tǒng)接線如圖1所示。系統(tǒng)參數如表1所示。上級電網保護定值參數如表2所示。

表1 系統(tǒng)參數

表2 上級電網保護定值參數

圖1 供電系統(tǒng)接線

2 短路電流計算

2.1 短路計算中分布式光伏的處理

分布式光伏是光伏組件通過逆變器經升壓變接入10 kV供電系統(tǒng)的,它是逆變型分布式電源。根據逆變器的控制策略,其輸出具有電流源性質。無論供電系統(tǒng)發(fā)生何種類型的短路故障,輸出電流僅有正序分量,且最大值不超過額定電流的1.5倍[2]。對于含有光伏的多電源系統(tǒng)的短路計算,光伏可簡化為恒定正序電流源,采用對稱分量法與疊加原理計算:將多電源的各序網絡簡化為多個單電源的各序網絡,每個單電源的序網絡中,其他電壓源等效為短路,其他電流源等效為開路;對電壓源和電流源序網絡分別計算各自單獨產生的短路電流,所有電源產生的短路電流之和就是總短路電流[3]。

2.2 保護處短路電流計算

因為無論供電系統(tǒng)發(fā)生何種類型的短路故障,光伏僅輸出正序電流,所以負序、零序網絡中不會出現光伏支路。若圖1中BE線末A相接地短路故障,復合序網及其簡化如圖2所示。

圖2 復合序網及其簡化

系統(tǒng)電源單獨提供短路電流時保護B104、保護A104處A相電流如下:

(1)

(2)

光伏單獨提供短路電流時保護B104、保護A104處電流如下:

(3)

(4)

保護B104處、保護A104處總電流如下:

(5)

(6)

按表1中參數進行短路電流計算。需要注意的是,該計算結果是以光伏一直輸出最大電流,且其與系統(tǒng)提供的短路電流同相位為前提的,計算結果最為保守。但實際上,光伏輸出電流受逆變器控制策略影響,與光伏出力及接入點電壓跌落程度有關[5-6]。

3 分布式光伏對繼電保護整定的影響

光伏的接入使保護處電流發(fā)生了變化。當光伏位于保護與故障點上游,光伏使保護處電流增加,如BE線末故障,接于BⅡ母線的光伏電源使B104保護處電流增加,保護靈敏度提高,此時光伏的影響是有利的。當光伏位于保護與故障點之間或下游,光伏使保護處電流減少,如BE線末故障或ABⅡ線末故障,接于BⅡ母線的光伏使A104保護處電流減少,保護靈敏度降低,此時光伏的影響是不利的。光伏最大輸出電流與系統(tǒng)短路電流相比較小,為簡便整定,短路計算時忽略光伏,調整相應整定系數,認為系統(tǒng)仍是單側電源供電,保護不經方向閉鎖。

4 繼電保護整定

4.1 變壓器保護電流定值整定

忽略光伏的影響,升壓變保護與配變保護的整定方法相同。配變作為10 kV供電系統(tǒng)的末端,其配置兩段定時限電流保護、零序電流保護,整定原則詳見文獻[7],本文不再贅述。需要注意以下幾點。

(1) 電流Ⅰ段保護躲過大方式變低三相短路,考慮光伏的影響,可靠系數取1.5,并按小方式變高兩相短路校驗靈敏度,靈敏度不小于1.5。

(2) 電流Ⅱ段保護與變低進線短延時保護配合,可靠系數必須不小于1.2。小方式變低AC兩相短路時,變低進線保護處三相電流如下:

(7)

根據Dyn11聯(lián)結的傳變關系[8],可得配變保護處三相電流:

(8)

(3) 由于光伏使得配變保護處電流增大,電流Ⅱ段保護對變低故障靈敏度仍按不小于1.5校驗。小方式變低A相接地短路時,配變保護處三相電流為

(9)

(4) 考慮上級電網限額,電流Ⅱ段保護動作時間不能太長,為避免最大負荷電流導致保護誤動,在滿足其他要求時整定值按對變低故障靈敏度為1.5整定,通常此整定值最為保守。綜合上述分析,整定值如表3所示。

表3 整定值

4.2 線路保護電流定值整定

線路電流保護一般為三段式。線路保護整定原則如表4所示。

表4 線路保護整定原則

線路EF、CD是終端線路,其電流Ⅰ段保護與相鄰配變電流Ⅰ段保護配合。因為線路長度很短,電流Ⅰ段保護對小方式本線末兩相短路故障靈敏度仍能滿足要求,故無須配置電流Ⅱ段保護。電流Ⅲ段保護不強制要求對配變變低故障有靈敏度,但線路EF、CD是終端線路,力爭對小方式相鄰配變(配變6、7)變低兩相短路有不小于1.2的靈敏度。

線路ABⅠ、ABⅡ、BC、BE有相鄰線路,其電流Ⅰ段保護整定原則是躲大方式本線末三相短路,但因線路長度都很短,均不滿足靈敏度要求而退出。由于光伏助增很小,保護A104、A103電流Ⅱ段、Ⅲ段的最大分支系數仍取1(11 148/11 262≈1)。

考慮光伏影響與上級電網保護限額,上下級保護間配合的可靠系數均取1.2。為避免保護誤動,最大負荷電流可結合文獻[9]中數據計算。

因接地電阻遠大于線路阻抗,線路不同位置的單相接地短路電流幅值變化不大,故只配置一段定時限零序電流保護。根據運行經驗,可統(tǒng)一整定為60 A(一次值)。即使光伏使保護A104、A103處電流減少,靈敏度仍能滿足要求,只是降低了保護耐受接地過渡電阻的能力,但通常電纜線路發(fā)生的是金屬性接地短路,接地過渡電阻不大。

4.3 變壓器、線路保護動作時間整定

根據表2中上級電網保護限額,綜合考慮配變變低進線短延時保護動作時間通常為0.4 s[10]、保護動作時間、斷路器分閘時間,保護配合的時間級差采用0.2 s。保護E104(C103)、保護F112(D111)的動作時間整定相同,因為其一次接線是線變組,保護是否選擇性動作的結果是相同的,都是導致配變6(配變7)失電。為防止避雷器動作導致保護誤動,各元件的電流Ⅰ段保護動作時間整定為40 ms,零序電流Ⅰ段保護動作時間整定為100 ms。動作時間整定如表3所示。

4.4 特殊運行方式保護整定

上述整定值是按BⅠ、BⅡ母線分列運行的方式整定的,此時保護B100無須投運。但BⅠ、BⅡ母線并列運行,保護B100投運可以縮小故障范圍,避免B變電所全停。保護B100按反映B母線短路,只配置電流Ⅱ段保護與零序電流保護,電流定值與保護A104、A103相同。受上級電網保護動作時間限制,保護B100動作時間只能與保護B103(B104)動作時間相同,但為保證選擇性,可增加保護之間的二次閉鎖回路。BE(BC)線路短路時,保護B104(B103)向保護B100發(fā)閉鎖信號150 ms,這樣既能保證選擇性又能保證保護B100在斷路器B104(B103)拒動時起到遠后備作用。

保護B102、B101按反映BⅡ、BⅠ母線短路配置電流Ⅱ段保護與零序電流保護,整定值與保護A104、A103相同,動作后僅閉鎖備自投B100。由于整定值遠大于光伏最大輸出電流,保護無須經方向閉鎖,可靠性增加,且能防止備自投B100動作投于母線故障。

4.5 故障解列整定

若圖1中線路ABⅡ短路,保護A104動作將故障點從系統(tǒng)側切除,但由于保護B102、B114不反映線路ABⅡ短路,光伏仍向故障點提供短路電流,保護B114處配置獨立的故障解列,其動作后切除光伏。

另外,當A變電所故障導致BⅡ母線與系統(tǒng)脫離,只能通過備自投B100動作恢復并網,但光伏對BⅡ母線電壓的支撐作用會導致備自投動作時間延長,甚至無法動作以及BⅡ母線孤島運行。故障解列動作切除光伏后,使BⅡ母線電壓加快降低,為備自投動作創(chuàng)造條件。故障解列包括過電壓、低電壓、過頻、低頻、零序過電壓保護。動作時間按與保護A104同接于A母線的相鄰保護的全線靈敏度段(若AⅠ、AⅡ母線并列運行,此保護即保護A103的電流Ⅱ段、零序電流Ⅱ段)配合整定,以防止相鄰保護動作時,故障解列保護誤動,并與備自投B100動作時間配合,先于備自投動作。

4.6 備自投整定

備自投B100采用分段備自投方式。有壓定值仍按0.7倍額定線電壓整定,低電壓定值可適當提高,按0.5倍額定線電壓整定以縮短備自投等待時間。為避免光伏可能導致的非同期并列,備自投動作合斷路器B100前聯(lián)跳斷路器B114。動作時間(跳閘時間)按與上級備自投A100、故障解列B114、保護B101、保護B102的動作時間配合整定。

5 結 語

含有分布式光伏的多電源供電系統(tǒng)的短路電流計算的基本思路是將分布式光伏簡化等效為恒定正序電流源,應用疊加原理計算出各電源單獨提供的短路電流之和即為總短路電流;按光伏一直輸出最大電流且與系統(tǒng)短路電流同相位計算得出的短路電流最為保守。當光伏位于保護與故障點上游,光伏使保護處電流增加,保護靈敏度提高,對保護有利。當光伏位于保護與故障點之間或保護與故障點下游,光伏使保護處電流減少,保護靈敏度降低,對保護不利。建筑光伏容量通常不大,對短路電流影響有限,為簡便整定,短路計算時不考慮光伏,而是調整可靠系數等整定系數,不配置經方向閉鎖的保護。光伏接入點系統(tǒng)側配置獨立的故障解列保護,故障時快速切除光伏,恢復系統(tǒng)供電,提高供電可靠性。