楊洪波，薛 莉，劉淑娟

（濱州供電公司，山東 濱州 256600）

特殊情況下孤立電網(wǎng)電流保護(hù)整定計(jì)算

楊洪波，薛 莉，劉淑娟

（濱州供電公司，山東 濱州 256600）

針對油田、礦場等孤立電力系統(tǒng)在保護(hù)裝置整定計(jì)算過程中出現(xiàn)的一些問題，提出了相應(yīng)的改進(jìn)整定方法，使得在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，有相應(yīng)的保護(hù)裝置可以將故障部分及時(shí)從系統(tǒng)中切除，以保證非故障部分繼續(xù)正常工作。實(shí)踐證明，該整定方法可以在很大程度上提高電網(wǎng)的運(yùn)行的安全性、可靠性。另外也詳細(xì)給出了相應(yīng)的改造方案，以進(jìn)一步保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

電流保護(hù)；配電網(wǎng)；靈敏度；保護(hù)裝置

0 引言

電流保護(hù)是我國35 kV中低壓配電網(wǎng)最常用的保護(hù)，它是反應(yīng)于電流增大而動作的保護(hù)裝置 。傳統(tǒng)的電流保護(hù)定值是按系統(tǒng)最大運(yùn)行方式整定，靈敏度按最小運(yùn)行方式校核。但是由于油田、礦場等孤立電力系統(tǒng)一般無外網(wǎng)依托，并且隨著油田，礦場等規(guī)模的擴(kuò)大，用電負(fù)荷的增加，電力系統(tǒng)發(fā)電容量以及接線方式也會發(fā)生很大變化，并且網(wǎng)架結(jié)構(gòu)也比較特殊，如變電站數(shù)量多，分布廣；環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，樹狀運(yùn)行；短線路；雙端電源供電但是沒有方向元件等特殊情況，并且供電可靠性要求高。如果在進(jìn)行電流保護(hù)整定時(shí)僅僅按照傳統(tǒng)的三段式電流保護(hù)整定原則進(jìn)行整定計(jì)算就會出現(xiàn)靈敏度不滿足要求的情況，并且上下級之間的配合也會有很大的困難。如線路較短時(shí)，因?yàn)榫€路阻抗小，線路首端和線路末端的故障電流相差不大，此時(shí)線路的靈敏度就很難滿足要求，并且對于油田，礦場等孤立電網(wǎng)中存在雙端電源供電支路、并行供電的線路和環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的電廠聯(lián)絡(luò)線中沒有開放方向元件的電流保護(hù)裝置，僅投入無方向的電流保護(hù)，單依靠繼電保護(hù)整定值，正、反向故障時(shí)保護(hù)之間很難配合，這使得當(dāng)故障發(fā)生在這些線路上時(shí)，容易發(fā)生保護(hù)拒動、誤動，并且動作速度慢。

針對電網(wǎng)中存在的這些實(shí)際問題，通過分析研究，找到相應(yīng)的合適的解決方案。為了明確的說明對孤立電力系統(tǒng)進(jìn)行整定計(jì)算時(shí)會遇到的問題，我們以某油田為例，更具體說明實(shí)際遇到的問題及解決方案。

1 實(shí)際整定過程中遇到的實(shí)際問題以及采取的相應(yīng)措施

1.1 雙端電源的支路

按照電力系統(tǒng)電流保護(hù)的一般原理，雙端電源的支路（線路或變壓器）在小電源側(cè)理應(yīng)裝設(shè)方向元件。但是，如果現(xiàn)行電網(wǎng)電流保護(hù)無方向元件，那么小電源側(cè)的保護(hù)會因?yàn)闆]有方向元件而在反向外部故障時(shí)因無法判別方向而誤動。因此為了確保保護(hù)的選擇性要求和防止斷路器誤動作，雙端電源的支路（線路或變壓器）的兩側(cè)保護(hù)的起動電流應(yīng)選得相同，且按照較大的一側(cè)短路電流進(jìn)行整定。

下面以具體算例來說明：

圖1 電廠發(fā)電機(jī)出口升壓變壓器屬雙端電源的變壓器

對圖1中發(fā)電機(jī)出口升壓變壓器的電流保護(hù)，由于出口升壓變壓器為雙端電源供電，需在其小電源側(cè)裝設(shè)方向元件，但因?yàn)楝F(xiàn)有電網(wǎng)采用無方向性電流元件，為此在進(jìn)行保護(hù)整定時(shí)可以作如下處理。

如圖1所示，當(dāng)變壓器兩側(cè)的最大短路電流電流有Id2.max>1d1.max時(shí)，則兩側(cè)電流速斷保護(hù)（Ⅰ段）的定值取為 IIset.1＝IIset.2＝KIrelId2.max； 電流Ⅱ段與Ⅲ段采用相同的方法進(jìn)行處理。

這樣整定可以防止在變壓器反向故障時(shí)，小電源側(cè)保護(hù)誤動，但是也會使位于小電源側(cè)保護(hù)的保護(hù)范圍縮小，甚至可能導(dǎo)致速斷沒有保護(hù)范圍，從而故障不能快速切除，此時(shí)就只能依靠限時(shí)速斷或過流保護(hù)來切除故障。并且兩端電源容量的差別越大，對保護(hù)的影響就越大。

1.2 并行供電的線路

并行供電線路，實(shí)質(zhì)上是雙端電源的線路，其兩端的無方向性電流保護(hù)定值也取同樣的定值，整定方法與上述雙端電源的支路的相同。按照這樣的保護(hù)整定方法，為了保證外部故障時(shí)保護(hù)不誤動，線路兩端保護(hù)的定值都按照躲開外部短路最大電流整定，但在內(nèi)部故障時(shí)小電流一端可能因靈敏度不足而無法切除故障，只能靠限時(shí)速斷或過流保護(hù)延時(shí)切除故障。如果故障發(fā)生在大電流側(cè)的末端，大電流側(cè)的速斷不動作，靠限時(shí)速斷切除故障。然而兩條并行線的限時(shí)電流速斷整定值與時(shí)限完全一樣，理論上將導(dǎo)致故障的與非故障的兩條并行線路的限時(shí)電流速斷同時(shí)動作，將兩條并行線路同時(shí)切除。但實(shí)際中保護(hù)動作時(shí)間將有誤差，并行線不會同時(shí)跳開，這樣就失去了選擇性，如果先跳的線路正好為故障線路，故障將被切除，另一條線路可繼續(xù)運(yùn)行。如果跳開的是非故障線，故障繼續(xù)存在，還是會被切除，使得兩條線都切除。

圖2 對雙端電源的變壓器進(jìn)行電流速斷保護(hù)的整定

例如圖3a所示，在T2處發(fā)生一短路故障，這時(shí)故障線路上側(cè)電流速斷保護(hù)將立刻動作，動作后情況如圖3b所示。此時(shí)故障并未切除，故障線路與另一回線路下側(cè)的限時(shí)電流速斷將同時(shí)啟動。由于時(shí)間繼電器存在誤差，若故障線路下側(cè)保護(hù)的時(shí)限較短，則故障正確切除；否則兩條線路均被切除。對于這樣的并行供電線路，故障時(shí)有一定的正確切除幾率。

圖3 并行供電線路的電流保護(hù)整定

1.3 環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的線路（電廠聯(lián)絡(luò)線）

實(shí)際電網(wǎng)中會有不同時(shí)期建立的電廠，如果電廠之間的距離比較近，其聯(lián)絡(luò)線就會比較短（圖4所示，1號、2號、3號電廠之間的聯(lián)絡(luò)線不超過1 km）。如果按照常規(guī)電流保護(hù)整定原則整定，電廠聯(lián)絡(luò)線上的電流保護(hù)I段就幾乎沒有保護(hù)范圍。當(dāng)聯(lián)絡(luò)線內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，只能依靠限時(shí)電流速斷來切除故障，但是在最小運(yùn)行方式下，線路末端兩相短路電流太小，故限時(shí)速斷按與下一級速斷配合來整定時(shí)則靈敏度不滿足要求，若線路故障限時(shí)速斷會拒動無法及時(shí)切除故障。因此我們在對限時(shí)速斷整定時(shí)可以采取以下的處理措施：

每條線路兩端的保護(hù)按照雙端供電線路取為相同定值。以圖4中1號、2號電廠聯(lián)絡(luò)線為例，限時(shí)電流速斷值取為虛擬的極端情況下（比如1號電廠開二備一，2號電廠開二備一，3號電廠不開機(jī)）線路可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流。在此情況下計(jì)算聯(lián)絡(luò)線極限負(fù)荷電流IL.max，取IⅡset=IL.max。 如果流過線路的電流大于IL.max，則說明線路發(fā)生故障，限時(shí)速斷可動作將其切除。另外一方面，對于聯(lián)絡(luò)線的動作時(shí)限，可以這樣選擇：統(tǒng)一取環(huán)網(wǎng)限時(shí)速斷動作時(shí)限為環(huán)網(wǎng)所有連接線中限時(shí)電流速斷最大時(shí)限再升高Δt，即：t1=t2=t3=max{ti}+Δt。

但是由于沒有方向性保護(hù)，電廠聯(lián)絡(luò)線組成的環(huán)網(wǎng)中三條線路的限時(shí)電流速斷值均按本線路最大負(fù)荷電流整定，并統(tǒng)一升高Δt時(shí)限。這樣整定的結(jié)果，理論上將導(dǎo)致三條線路中任一條發(fā)生故障時(shí)三條線同時(shí)跳開。但實(shí)際中保護(hù)動作時(shí)間將有誤差，三條線不會同時(shí)跳開，這樣如果先跳的線路正好為故障線路，故障將被切除，另兩條線路可繼續(xù)運(yùn)行，使得有一定幾率正確切除故障。例如，若在2號、3號電廠聯(lián)絡(luò)線內(nèi)部發(fā)生一短路故障，三條線路的限時(shí)電流速斷均啟動；由于時(shí)限誤差，若該聯(lián)絡(luò)線恰為時(shí)限最短線路，故障被正確切除，否則三條線路全部跳開，可見該環(huán)網(wǎng)故障時(shí)有一定的正確切除幾率。

圖4 電廠聯(lián)絡(luò)線形成環(huán)網(wǎng)

盡管發(fā)生故障時(shí)流過聯(lián)絡(luò)線的電流比正常負(fù)荷電流大的多，環(huán)網(wǎng)線路的定值使保護(hù)反應(yīng)于電流增大而動作的電流保護(hù)時(shí)仍存在以下問題：其一是保護(hù)的選擇性難于保證，其二是動作速度太慢。特別是電廠間的短聯(lián)絡(luò)線，即便使用方向性電流保護(hù)僅僅能區(qū)分故障的方向，依靠電流定值無法區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，由于原理的限制會出現(xiàn)越級誤動，合理的整定值僅僅能減少誤動的概率而不能完全避免誤動的發(fā)生。

1.4 短線路

對于階段式保護(hù)（電流、距離、電壓等），長短線的配合在原理上就存在困難。實(shí)際電網(wǎng)中具有一些距離較短線路，線路阻抗小（如圖4所示的電廠聯(lián)絡(luò)線）線路首、末端短路時(shí)電流相差極小，在電流定值上無法區(qū)分。不僅使得這些電流保護(hù)速斷在最小運(yùn)行方式下會出現(xiàn)沒有保護(hù)范圍的情況，甚至導(dǎo)致上一級線路的限時(shí)電流速斷與下一級的限時(shí)電流速斷的配合方式依然無法滿足選擇性要求。

即使采用限時(shí)電流速斷整定時(shí)定值依靈敏度進(jìn)行整定，保證最小運(yùn)行方式下相間短路靈敏度不小于1.5，時(shí)限整定依據(jù)逐級配合的原則，但是，這樣可能會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口附近線路的限時(shí)電流速斷時(shí)限較長，從而影響了保護(hù)的速動性。

2 改造方案

2.1 雙端電源支路和并行供電線路的保護(hù)

有如下兩種改進(jìn)方案可供選擇：

1）啟用雙端電源支路和并行供電線路中的方向元件?？梢栽陔娋W(wǎng)原有的電流保護(hù)加裝方向元件，構(gòu)成方向性電流保護(hù)，可改善雙端電源支路和并行供電線路的保護(hù)性能。發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)功率方向由母線流向線路（正方向）時(shí)才動作。這樣，線路兩端的保護(hù)分別與各自的下一級線路配合，便可以快速、有選擇性地切除故障。方向性電流保護(hù)既利用了電流的幅值特征，又利用功率方向的特征。

2）在并行供電線路上采用距離保護(hù)。距離保護(hù)同時(shí)利用了短路時(shí)電壓、電流的變化特征，通過測量故障阻抗來確定故障所處的范圍，保護(hù)區(qū)穩(wěn)定、靈敏度高，保護(hù)范圍穩(wěn)定，動作情況受電網(wǎng)運(yùn)行方式變化的影響小，能夠用在多側(cè)電源，短線路復(fù)雜電網(wǎng)中應(yīng)用。而且距離保護(hù)還能夠作為母線的后備保護(hù)，在母線保護(hù)拒動時(shí)切除母線故障。并且由于距離保護(hù)只利用了線路一側(cè)短路時(shí)電壓、電流的變化特征，距離保護(hù)I段的整定范圍為線路全長的80%～85%，這樣在雙側(cè)電源線路中，有30%～40%的區(qū)域內(nèi)故障時(shí)，只有一側(cè)的保護(hù)能無延時(shí)地動作，另一側(cè)保護(hù)需經(jīng)0.5 s的延時(shí)后跳閘。但對于配電線路，這種延時(shí)是可以接受的。

相對于方向性電流保護(hù)的I段，距離保護(hù)I段的保護(hù)范圍顯著增大，使故障無延時(shí)地從電網(wǎng)中切除，從而增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性的概率增大。此外，距離保護(hù)的保護(hù)范圍受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響小。因此雖然增設(shè)距離保護(hù)需要一定投資，但是與方向式電流保護(hù)相比，有更好的保護(hù)性能，更有利于電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

2.2 環(huán)網(wǎng)運(yùn)行線路（電廠聯(lián)絡(luò)線）的保護(hù)

1號電廠、2號電廠、3號電廠之間聯(lián)絡(luò)線因?yàn)榫嚯x過短（如圖4所示，1號-2號電廠之間為0.42 km，2號-3號電廠之間0.3 km，1號-3號電廠之間0.637 km），使得電流速斷保護(hù)沒有保護(hù)范圍，只能依靠限時(shí)電流保護(hù)和過流保護(hù)進(jìn)行保護(hù)。一旦聯(lián)絡(luò)線中發(fā)生故障，需經(jīng)過較長時(shí)間故障線路保護(hù)才能動作，由于聯(lián)絡(luò)線離發(fā)電機(jī)電氣距離很近，可能發(fā)電機(jī)的保護(hù)提前動作，發(fā)電機(jī)退出運(yùn)行，導(dǎo)致故障危害加劇。

對此，不宜采用單端的電流保護(hù)，而應(yīng)采用線路縱聯(lián)保護(hù)，它是在線路發(fā)生故障時(shí)，使兩側(cè)開關(guān)同時(shí)快速跳閘的一種保護(hù)裝置，常作為線路的主保護(hù)。線路縱聯(lián)保護(hù)以線路兩側(cè)判別量的特定關(guān)系作為判據(jù)，即兩側(cè)均將判別量借助通道傳送到對側(cè)，然后兩側(cè)分別按照對側(cè)與本側(cè)判別量之間的關(guān)系來判別區(qū)內(nèi)故障或區(qū)外故障。

因此，建議發(fā)電廠間聯(lián)絡(luò)線采用短線光差縱聯(lián)保護(hù)，使得聯(lián)絡(luò)線不需要與其他線路保護(hù)配合，在聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生故障時(shí)可以在最短時(shí)間切除故障的聯(lián)絡(luò)線。

2.3 短線路的保護(hù)

在實(shí)際電網(wǎng)中的短線路，因?yàn)槠渌贁鄾]有保護(hù)范圍，故在故障時(shí)不能動作及時(shí)將故障切除，因此線路的保護(hù)需要靠限時(shí)速斷來實(shí)現(xiàn)。這樣就延長了故障的切除時(shí)間，對直接相聯(lián)的電廠發(fā)電機(jī)的保護(hù)是不利的。因此，為了可靠的快速的切除短線路的故障，建議在短線路上也采用縱聯(lián)電流差動保護(hù)。

3 實(shí)際算例

采用某油田電網(wǎng)為算例說明本文提出的整定方法可行。圖5為某油田電網(wǎng)模型正常運(yùn)行狀態(tài)的一部分。

3.1 正常運(yùn)行狀態(tài)的校核

系統(tǒng)運(yùn)行方式：最大運(yùn)行方式（即1號、2號、3號電廠機(jī)組均開二備一），由PSASP搭建網(wǎng)絡(luò)經(jīng)潮流計(jì)算。

尕斯北變電站最大運(yùn)行方式下線路有功功率為8250kW；由“某油田電網(wǎng)35kV變電站負(fù)荷情況”表查得尕斯北變電站正常運(yùn)行負(fù)荷為8100 kW。

運(yùn)行數(shù)據(jù)略小于計(jì)算數(shù)據(jù)是由于實(shí)際運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)方式略小于計(jì)算時(shí)給定的最大運(yùn)行方式，因此計(jì)算結(jié)果是合理的。

3.2 故障狀態(tài)校核

圖5 故障模擬校核

系統(tǒng)運(yùn)行方式為最大運(yùn)行方式（即1號、2號、3號電廠機(jī)組均開二備一），模擬某油田提供的《8月19日停電情況簡介》中故障，在尕斯北變電站北1回線發(fā)生BC相間短路故障。

由PSASP搭建的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出尕斯北變電站1號線進(jìn)線一次短路電流標(biāo)幺值為0.804折算為一次有名值而由油田提供的事故紀(jì)錄微機(jī)保護(hù)現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)為，尕斯北變電站1號線進(jìn)線故障電流為30.07 A，CT變比為40，由此得短路電流一次有名值為IBC=30.07×40＝1202.8 A。實(shí)測數(shù)據(jù)略小于計(jì)算數(shù)據(jù)是由于運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)略小于最大運(yùn)行方式且實(shí)際故障點(diǎn)并非金屬性故障，可見計(jì)算結(jié)果是合理的。如圖5所示，尕斯北變電站兩臺變壓器，一條進(jìn)線，1號、2號主變速斷定值為920 A，但進(jìn)線保護(hù)速斷定值為896 A。當(dāng)變壓器末端發(fā)生故障時(shí)，會出現(xiàn)主變保護(hù)拒動，進(jìn)線保護(hù)同時(shí)誤動。擴(kuò)大故障影響范圍。經(jīng)重新整定后，主變速斷定值為1085.6 A，進(jìn)線保護(hù)速斷定值為1253.5 A。這就可以避免當(dāng)變壓器末段發(fā)生故障時(shí)，主變保護(hù)拒動，進(jìn)線保護(hù)誤動的可能。

4 結(jié)論

首先分析了油田、礦場等孤立電力系統(tǒng)的特殊網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)，接著介紹了在對其進(jìn)行電流保護(hù)整定時(shí)遇到的特殊問題，并且提出了改進(jìn)整定方法。另外也給出了更有利于系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的改進(jìn)方案。最后，還給出了以實(shí)際油田電力系統(tǒng)為算例進(jìn)行了仿真計(jì)算，以闡明本文所說明的方法。

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Isolated Power System in the Protection Setting Calculation under Special Circumstances

This reality，for the oil，mining and other isolated power system in the protection setting calculation of some of the problems occurred during the corresponding improvement proposed tuning method，makes the power system failure，there is a corresponding fault protection device can be removed from the system some time to ensure that non-fault part of continuing work.And proven，the tuning method can greatly improve the security of grid operation and reliability.Another article also details the transformation of the corresponding program，to further ensure network security and reliable operation.

current protection；distribution network；sensitivity；protector

book=5,ebook=31

TM711

B

1007－9904（2010）04－05－05

2010－04－06

楊洪波（1981-），男，從事電網(wǎng)繼電保護(hù)整定計(jì)算工作。