陜西渭南市瑞泉中學(xué) 張鎮(zhèn)航

光伏接入對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)的影響分析

陜西渭南市瑞泉中學(xué) 張鎮(zhèn)航

本文介紹了我國(guó)傳統(tǒng)配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)的整定原則及計(jì)算，在此基礎(chǔ)上針對(duì)光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)位置的不同，詳細(xì)分析了其對(duì)三段式電流保護(hù)的影響，同時(shí)給出光伏并網(wǎng)后的繼電保護(hù)改進(jìn)措施。

光伏并網(wǎng)；三段式電流保護(hù)；影響分析

一、引言

近些年來(lái)，在環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題的雙重壓力下，世界各地紛紛轉(zhuǎn)向可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)利用，我國(guó)也在努力推出許多有關(guān)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的優(yōu)惠政策。光伏發(fā)電因擁有節(jié)約能源損耗和提高輸出效率的能力所被人看重，然而光伏并網(wǎng)也會(huì)給配電網(wǎng)帶來(lái)多方面影響。當(dāng)光伏接入配電網(wǎng)后，會(huì)改變?cè)信潆娋W(wǎng)的結(jié)構(gòu)，使原來(lái)簡(jiǎn)單的單電源輻射結(jié)構(gòu)變?yōu)閺?fù)雜的多電源網(wǎng)絡(luò)[1]。當(dāng)配電網(wǎng)上游有短路故障發(fā)生時(shí)，配電網(wǎng)上短路故障電流的大小和方向?qū)?huì)因?yàn)楣夥尤攵l(fā)生變化，使得繼電保護(hù)難以繼續(xù)正確可靠地保護(hù)線路，繼而影響配電網(wǎng)保護(hù)性能。例如因?yàn)殪`敏度降低、保護(hù)范圍減小而發(fā)生拒動(dòng)或因?yàn)楸Ｗo(hù)范圍增大導(dǎo)致誤動(dòng)問(wèn)題等出現(xiàn)。

目前來(lái)看，國(guó)外由于科技較發(fā)達(dá)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備更為先進(jìn)，他們對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的研究也更為深入，但很多國(guó)外文獻(xiàn)關(guān)于光伏系統(tǒng)并網(wǎng)保護(hù)的影響大部分都是基于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)來(lái)分析，而我國(guó)由于國(guó)情不同，所以不能照搬國(guó)外文獻(xiàn)的分析方案。我國(guó)傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般采用三段式電流保護(hù)，尤其是在中低壓配電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛，這類保護(hù)安裝靈活，保護(hù)方案簡(jiǎn)單，從經(jīng)濟(jì)角度和實(shí)用角度來(lái)看都非常不錯(cuò)。因此本文對(duì)光伏并網(wǎng)后的配電網(wǎng)電流保護(hù)進(jìn)行詳細(xì)的影響分析研究，并提出相應(yīng)的改進(jìn)辦法來(lái)使繼電保護(hù)在光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)中不發(fā)生過(guò)大變動(dòng)的基礎(chǔ)上依然可以可靠動(dòng)作。

二、傳統(tǒng)配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)整定及原則

圖1 單電源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.電流速斷保護(hù)

電流速斷保護(hù)是指當(dāng)線路上短路電流值大于保護(hù)整定值能瞬間反應(yīng)動(dòng)作的保護(hù)，也叫電流I段保護(hù)。為保證電流速斷保護(hù)的選擇性，設(shè)置一個(gè)使電流速斷保護(hù)發(fā)生動(dòng)作的最小電流，即為整定電流Iset。將Iset設(shè)定為大于下一出口的最大短路電流，這樣就可以從根本上避免了電流速斷保護(hù)在下一區(qū)間出口短路發(fā)生誤動(dòng)的情況。

由上述可知，保護(hù)R2的整定電流為：

考慮到非周期分量，短路故障電流帶來(lái)的誤差，動(dòng)作保護(hù)存在延遲等的影響，因此要引入可靠系數(shù)，，此時(shí)，

電流速斷保護(hù)的優(yōu)勢(shì)在于可以快速反應(yīng)故障，進(jìn)行動(dòng)作，且安裝便捷，經(jīng)濟(jì)性良好，缺陷在于保護(hù)范圍容易因系統(tǒng)運(yùn)行方式變化而產(chǎn)生大幅度變動(dòng)，也因此保護(hù)范圍不能延伸到線路末端。

2.限時(shí)電流速斷保護(hù)

電流速斷保護(hù)雖然具有選擇性，卻因無(wú)法區(qū)分末端短路電流致使無(wú)法保護(hù)線路全長(zhǎng)，因此需要增加一段帶時(shí)限的保護(hù)，隔離同一線路上電流速斷保護(hù)范圍外的故障發(fā)生點(diǎn)，同時(shí)也可以成為電流速斷保護(hù)的后備保護(hù)[2]。

限時(shí)電流速斷保護(hù)必須滿足能夠保護(hù)自身所在全部線路，而且不會(huì)先于下一級(jí)的電流速斷保護(hù)動(dòng)作，從而保證繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的選擇性。限時(shí)電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍不應(yīng)超過(guò)下級(jí)線路的電流速斷保護(hù)的保護(hù)范圍，以圖中保護(hù)R2為例，可以得到其Ⅱ段整定值為：

因?yàn)樵趯?shí)際連接中肯定會(huì)存在誤差，使得保護(hù)范圍與計(jì)算值不同，就可能導(dǎo)致保護(hù)裝置R2的Ⅱ段電流速斷保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)，故而引入可靠系數(shù)=1.1～1.2：

由于限時(shí)電流速斷保護(hù)要比下級(jí)線路的電流速斷保護(hù)反應(yīng)動(dòng)作慢，因此需要給限時(shí)電流速斷保護(hù)在電流速斷保護(hù)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)時(shí)限，即：

電流保護(hù)Ⅰ、Ⅱ段相互配合可以讓保護(hù)在0.5s內(nèi)快速切除故障，因此他們也常一起被稱為線路的主保護(hù)。

3.定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)

當(dāng)線路上的短路電流值超過(guò)最大負(fù)荷電流值時(shí)，此時(shí)過(guò)電流保護(hù)啟動(dòng)，所以啟動(dòng)電流值須大于本線路的最大負(fù)荷電流，同時(shí)也要考慮到保護(hù)能夠在切除故障后可以正?；貧w。過(guò)電流保護(hù)一般是作為下級(jí)線路電流保護(hù)拒動(dòng)時(shí)才啟動(dòng)的遠(yuǎn)后備保護(hù)，當(dāng)本線路電流保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，也可以作為本線路的近后備保護(hù)。由此可得公式：

應(yīng)繼電保護(hù)選擇性的要求，保護(hù)2的過(guò)電流保護(hù)應(yīng)在保護(hù)1線路的主保護(hù)和近后備保護(hù)（保護(hù)1的過(guò)電流保護(hù)）都不動(dòng)作后才可以發(fā)揮作用，因此保護(hù)2的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)該比保護(hù)1高出一個(gè)時(shí)限，即：

三、光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)影響分析

光伏電源并入配電網(wǎng)后，會(huì)對(duì)電流保護(hù)造成影響，使電流保護(hù)的靈敏度和保護(hù)范圍都發(fā)生變化。故障發(fā)生點(diǎn)、光伏接入位置、線路保護(hù)間的位置不同，對(duì)電流保護(hù)造成的影響也有很大差異。本節(jié)將按PV接入配電網(wǎng)的位置分類具體討論其對(duì)電流保護(hù)造成的影響，以下各處發(fā)生的短路故障都默認(rèn)為三相短路故障。

圖2 含光伏接入的配電網(wǎng)斷路故障結(jié)構(gòu)圖

1.PV接入配電網(wǎng)饋線終端（PV接入E母線）

（1）故障位于本線路

當(dāng)K1處發(fā)生故障時(shí)，本應(yīng)該斷路器QF1跳開(kāi)保護(hù)本線路，但光伏接入后，短路點(diǎn)的故障電流由電網(wǎng)和pv共同提供，保護(hù)裝置QF2、QF3流過(guò)反向故障電流，由于其無(wú)方向判斷功能，當(dāng)PV提供的短路電流大到超過(guò)保護(hù)整定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致QF2、QF3誤動(dòng)。PV容量越大，到故障發(fā)生點(diǎn)出短路阻抗越小，影響越明顯。

（2）故障位于相鄰饋線

當(dāng)K3處發(fā)生故障，本應(yīng)該由斷路器QF4跳開(kāi)，但同樣由于光伏的接入導(dǎo)致保護(hù)裝置QF1、QF2、QF3流過(guò)反向故障電流，電流較大時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致這3個(gè)保住裝置誤動(dòng)，失去選擇性。由傳統(tǒng)電流三段式保護(hù)整定原則可知，QF3的起動(dòng)電流最小，因此斷路器QF3最有可能誤動(dòng)。同時(shí)，流過(guò)QF4的故障電流為PV與電網(wǎng)電源疊加提供的，致使其感受的電流增大，可能會(huì)使其保護(hù)范圍擴(kuò)大，延伸至下一線路，與QF5失去配合。

2.PV接入配電網(wǎng)饋線中部（PV接入C母線）

當(dāng)K1發(fā)生故障時(shí)，QF1應(yīng)切除故障，因QF1對(duì)策沒(méi)有保護(hù)裝置，所以切除的實(shí)際線路為本線路后續(xù)全部，如此，當(dāng)PV接入在母線C時(shí)，則非?？赡苤率骨谐罄m(xù)線路變?yōu)楣聧u運(yùn)行，光伏電源持續(xù)給故障點(diǎn)K1提供短路電流。因光伏系統(tǒng)自身設(shè)有保護(hù)系統(tǒng)，最終將為防止損壞設(shè)備而退出電網(wǎng)。因此，需要在AC段斷路器QF1對(duì)側(cè)加裝保護(hù)裝置和方向元件。

當(dāng)K2發(fā)生故障時(shí)，對(duì)于保護(hù)裝置QF1來(lái)講，由于PV的接入將使流過(guò)其電流減小，產(chǎn)生汲取作用，使得保護(hù)QF1的靈敏度下降，保護(hù)范圍縮短，嚴(yán)重情況下，將有可能拒動(dòng)。對(duì)于保護(hù)裝置QF2來(lái)講，其感受到的電流來(lái)自電網(wǎng)電源與光伏電源的電流疊加，PV起到助增作用，致使其靈敏度增大，保護(hù)范圍延長(zhǎng)。如果延伸到DE段則將與QF3失去配合，無(wú)法保證選擇性。

當(dāng)K3發(fā)生故障時(shí)，分析同1），非常有可能導(dǎo)致QF1誤動(dòng)，QF4保護(hù)范圍擴(kuò)大。

3.PV接入配電網(wǎng)始端（PV接入A母線）

當(dāng)PV接入饋線始端時(shí)，相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的容量，雖然故障時(shí)各線路上保護(hù)裝置感受到的短路電流增加了，但是因?yàn)镻V的容量和配電網(wǎng)相比還是比較小的，故而其對(duì)保護(hù)的影響很小，此處不做討論。

需要注意的是，如果要分析多個(gè)PV同時(shí)接入對(duì)保護(hù)的影響，只需要按上述思路分別分析，最后的疊加情況要綜合考慮PV的容量、接入距離、等值阻抗等因素。由上述分析可知，在光伏電源并入配電網(wǎng)時(shí)，原有的保護(hù)可能不再滿足原有繼電保護(hù)裝置“四性”要求，保護(hù)整定值需要根據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整，原有配電網(wǎng)繼電保護(hù)的設(shè)置方法也需要改進(jìn)。

四、總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)三段式電流保護(hù)整定原則及計(jì)算的仔細(xì)研究基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了光伏接入配電網(wǎng)不同位置時(shí)對(duì)電流三段式保護(hù)的影響，可知光伏系統(tǒng)在接入配電網(wǎng)后對(duì)繼電保護(hù)動(dòng)作的可靠性和選擇性都產(chǎn)生了不可忽視的影響，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施：

1.當(dāng)光伏系統(tǒng)接在保護(hù)上游時(shí)，故障發(fā)生在保護(hù)裝置下游，此時(shí)光伏電源對(duì)故障電流起到助增作用，增加了流過(guò)保護(hù)的短路電流，擴(kuò)大了靈敏度和保護(hù)范圍，為了保證保護(hù)裝置選擇性此時(shí)需對(duì)其整定值從新進(jìn)行計(jì)算，使繼電保護(hù)可以可靠動(dòng)作。

2.當(dāng)光伏系統(tǒng)處在保護(hù)裝置的下游時(shí)，而故障點(diǎn)在光伏系統(tǒng)下游時(shí)，此時(shí)光伏系統(tǒng)起到汲取作用，減小了流過(guò)保護(hù)的短路電流，減小了靈敏度和保護(hù)范圍，為了保證繼電裝置的選擇性此時(shí)需對(duì)其整定值從新進(jìn)行計(jì)算。

3.當(dāng)光伏系統(tǒng)同時(shí)在保護(hù)與故障點(diǎn)下游時(shí)，可認(rèn)為對(duì)電流保護(hù)沒(méi)有影響。

4.當(dāng)相鄰饋線發(fā)生故障時(shí)，來(lái)自光伏系統(tǒng)提供的反向電流將會(huì)經(jīng)過(guò)上游護(hù)裝置，如果這個(gè)反向電流足夠大，那么保護(hù)裝置將會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，因此在上游的電流保護(hù)應(yīng)該添加方向電流元件。

[1]趙擁華．分布式新能源接入配電網(wǎng)的繼電保護(hù)研究[D]．華北電力大學(xué),2014．

[2]李曉暉．分布式電源對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)影響的研究[D]．華北電力大學(xué)(北京),2011．

[3]祁歡歡,荊平,戴朝波,趙波．分布式電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響及保護(hù)配置分析[J]．智能電網(wǎng),2015,(01)：8-16．

[4]王樹(shù)東,錢其三．分布式電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響分析及改進(jìn)方案[J]．重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2014,(01)：87-90．

[5]王樹(shù)東,錢其三．分布式電源對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)的影響分析及改進(jìn)方案[J]．重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2014,(01)：87-90．

張鎮(zhèn)航，男，陜西渭南人，現(xiàn)就讀于陜西渭南市瑞泉中學(xué)高中，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。