李 斌，單中闖，閆志強(qiáng)，趙 卓,辛璐璐

(國網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114000)

基于當(dāng)前配電網(wǎng)繼電保護(hù)的配置情況、配電自動化設(shè)備的實際布局[1-2]以及配電網(wǎng)網(wǎng)架[3]的實際配置情況，對配電網(wǎng)進(jìn)行短路電流計算，利用短路電流數(shù)據(jù)配置繼電保護(hù)，發(fā)揮配電自動化的作用，促進(jìn)和完善智能配電網(wǎng)的建設(shè)[4]。

1 配電網(wǎng)現(xiàn)階段繼電保護(hù)配置情況

配電網(wǎng)保護(hù)包括線路出口三段式電流保護(hù)、配電變壓器限流熔斷器保護(hù)、線路跌落式開關(guān)保護(hù)以及負(fù)荷出線微機(jī)保護(hù)。變電站10 kV線路出口通常配置0 s速斷保護(hù)、0.15 s延時的限時速斷保護(hù)、過流保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)，而速斷保護(hù)定值通常可以保護(hù)線路全長，造成保護(hù)越級跳閘，擴(kuò)大停電范圍。

根據(jù)本文選取的2條10 kV線路，查詢對應(yīng)的變電站出口繼電保護(hù)定值，全電纜線路出口保護(hù)定值如表1所示，架空線路出口保護(hù)定值如表2所示。

表1 10 kV全電纜線路出口保護(hù)定值

表2 10 kV架空線路出口保護(hù)定值

全電纜線路出口保護(hù)電流互感器變比為600/5，架空線路出口保護(hù)電流互感器變比為800/5，電纜線路未配置重合閘，架空線路配置三相一次不對應(yīng)重合閘，重合閘時間為2 s。

2 配電網(wǎng)短路電流計算

2.1 配電網(wǎng)短路電流計算方法的確定

配電網(wǎng)短路電流計算有近似計算和計算機(jī)算法2種[5]，近似計算的條件為假定線路三相參數(shù)對稱并且忽略負(fù)荷、線路分布電容的影響及其并聯(lián)補(bǔ)償電容器的影響。由于近似計算公式簡單，便于工程實際計算，同時考慮到配電網(wǎng)短路電流計算數(shù)據(jù)的獲取程度、配電網(wǎng)繼電保護(hù)和自動化的實際配置情況，利用配電網(wǎng)短路電流的近似計算方法完全可以滿足配電自動化設(shè)備的繼電保護(hù)整定計算以及與上級繼電保護(hù)的配合。配電線路三相穩(wěn)態(tài)短路電流的計算公式為

(1)

式中：UN為系統(tǒng)額定電壓；c為電壓系數(shù)，電壓等級為10 kV時電壓系數(shù)的取值如表3所示，cUN為系統(tǒng)等效電壓源電壓；Zs1為變電站中壓母線后的系統(tǒng)正序阻抗；ZL1為變電站母線到故障點之間的線路與參考地構(gòu)成回路的正序阻抗；Rk為故障電阻。10 kV配電網(wǎng)額定短路容量為100～500 MVA，三相短路電流的有效值為6～30 kA，系統(tǒng)正序阻抗值為0.2～1 Ω。

表3 10 kV電壓等級電壓系數(shù)

當(dāng)最小短路電流發(fā)生在兩相短路時，其短路電流是三相短路電流的0.86倍，根據(jù)計算最大最小短路電流時的電壓系數(shù)可知，在10 kV配電網(wǎng)中，同一運(yùn)行方式下，最小短路電流是最大短路電流的0.78倍。

2.2 配電網(wǎng)實例系統(tǒng)參數(shù)

本文以實際10 kV配電線路`為依據(jù)，選取不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)，進(jìn)行短路電流計算，為繼電保護(hù)的整定計算、配電自動化設(shè)備的合理化布局以及繼電保護(hù)保護(hù)配合奠定基礎(chǔ)。為保證繼電保護(hù)整定方案的全面性、系統(tǒng)性和代表性，抓取典型配電線路數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

2.2.1 10 kV全電纜線路

本文選取的10 kV全電纜線路有1-10號共計10個環(huán)網(wǎng)單元，5號、6號、9號、10號為DTU自動化環(huán)網(wǎng)柜，8號環(huán)網(wǎng)單元所帶負(fù)荷為小區(qū)開關(guān)站，電纜型號為YJLV22-3×240×2，電纜長度為450 m，開關(guān)站配出線路至一至六組環(huán)網(wǎng)單元，環(huán)網(wǎng)單元配出線路至變壓器，具體線路長度和電纜型號如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)接線圖

自動化環(huán)網(wǎng)柜均為2進(jìn)2出，進(jìn)線為負(fù)荷開關(guān)出線為斷路器，其中1號、3號、7號裝有遠(yuǎn)傳型故障指示器[6]。線路計算參數(shù)如表4所示。

表4 全電纜線路參數(shù)

2.2.2 10 kV架空線路

本文選取的10 kV架空線路，1號桿、16加1號桿、49號桿、52號桿、90號桿、101號桿裝有柱上開關(guān)，其中101號桿柱上開關(guān)為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，以及48號有分歧線路，同時在分歧線路的1號首端裝有柱上開關(guān)。目前為止16加1號柱上開關(guān)為自動化三遙開關(guān)，分歧線路的1號三遙開關(guān)，柱上開關(guān)為架空線路相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 架空線路參數(shù)

2.3 配電網(wǎng)短路電流計算

根據(jù)配電網(wǎng)短路電流計算方法分別計算全電纜線路和架空線路的短路電流，10 kV全電纜線路所在系統(tǒng)，最大運(yùn)行方式下系統(tǒng)阻抗為0.157 Ω，最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)阻抗為0.313 Ω，正常運(yùn)行方式下，系統(tǒng)變壓器采用分裂方式運(yùn)行，在主變檢修狀態(tài)下，兩段10 kV母線由1臺主變壓器運(yùn)行，因此在計算短路時系統(tǒng)阻抗選擇最小運(yùn)行方式下的阻抗。此處計算忽略故障電阻，10 kV全電纜線路短路電流計算結(jié)果如表6所示，10 kV架空線路短路電流計算結(jié)果如表7所示。

表6 10 kV全電纜線路短路電流值 kA

表7 10 kV架空線路短路電流值 kA

由于選取的10 kV全電纜線路和10 kV架空線路隸屬不同的66 kV變電站，10 kV架空線路最大運(yùn)行方式下系統(tǒng)阻抗為0.157 Ω，最小運(yùn)行方式下系統(tǒng)阻抗為0.313 Ω。

3 配電網(wǎng)繼電保護(hù)整定計算

本文根據(jù)全電纜線路和架空線路短路電流數(shù)據(jù)進(jìn)行繼電保護(hù)整定計算，利用三段電流式保護(hù)[7]，同時考慮到實際線路的復(fù)雜性，為滿足配電網(wǎng)保護(hù)的可靠性、速動性、選擇性和靈敏性，還要結(jié)合重合閘保護(hù)方式、架空線路FTU邏輯判斷保護(hù)模式[8]，通過相關(guān)整定計算，得出配電網(wǎng)繼電保護(hù)的相關(guān)規(guī)律。

3.1 配電網(wǎng)繼電保護(hù)整定方法

DTU終端配置三段式電流保護(hù)，F(xiàn)TU終端配置三段式電流保護(hù)以及邏輯順序重合閘模式，由于邏輯順序重合閘模式的設(shè)定較為簡單，而且此類保護(hù)需要多次重合閘配合，增加了敏感電力用戶的停電感知[9]。本文針對基于短路電流計算的三段式保護(hù)進(jìn)行研究，同時為了充分發(fā)揮自動化開關(guān)對配電網(wǎng)的保護(hù)作用，研究制定一種綜合性的保護(hù)方案。三段式電流保護(hù)包括瞬時電流速斷保護(hù)、限時電流速斷保護(hù)、定時限過電流保護(hù)，F(xiàn)TU的保護(hù)除了常規(guī)三段式電流保護(hù)外，還有選線模式和選段模式。考慮到66 kV變電站配出10 kV線路數(shù)量規(guī)模大，同一變電站不同的10 kV線路參數(shù)也有很大差別，并且考慮與現(xiàn)有變電站保護(hù)配置和整定的配合難度，在不改變變電站繼電保護(hù)配置和整定的基礎(chǔ)上，提出一種適用于10 kV線路配電自動化配電網(wǎng)中的繼電保護(hù)配置和整定方法。

3.2 實際線路繼電保護(hù)定值整定

架空線路繼電保護(hù)整定：根據(jù)選取的實際架空線路自動化開關(guān)配置情況，結(jié)合配電自動化繼電保護(hù)對自動化設(shè)備布局的要求，提出現(xiàn)有線路配電自動化設(shè)備的合理優(yōu)化布局方式。全架空線路中，應(yīng)將主干線路分為三段配置自動化設(shè)備，聯(lián)絡(luò)處裝設(shè)自動化開關(guān)，分歧線路首端裝設(shè)自動化開關(guān)。

根據(jù)三段式電流保護(hù)的特點，對架空線路保護(hù)定值進(jìn)行整定，第一種方法是退出線路出口瞬時速斷保護(hù)，保留其他保護(hù)形式，整定結(jié)果為變電站出口保護(hù)配置：將瞬時速斷保護(hù)退出，將限時電流速斷保護(hù)時限提高為0.3 s，盡量減少對變電站整定值的修改。16加1號開關(guān)速斷定值為9.06 kA，限時電流速斷為5.25 kA，時限為0.15 s，過負(fù)荷定值為610 A，時間為6 s。分歧線路速斷定值為4 kA，過負(fù)荷定值為610 A，時間為3 s。52號自動化開關(guān)速斷定值為3.5 kA，過負(fù)荷定值為610 A，時間為3 s。自動化開關(guān)設(shè)置二次重合閘，一次重合閘時間為1 s，二次重合閘時間為3 s。

架空線路三段式電流保護(hù)的第二種方法是保留線路出口保護(hù)配置，根據(jù)短路電流計算結(jié)果提高出口保護(hù)定值，組成各級線路的三段式電流保護(hù)的分級配合。具體整定結(jié)果為52號開關(guān)的瞬時速斷保護(hù)定值設(shè)為3.77 kA，瞬時速斷保護(hù)時限為0 s，用以保護(hù)52號開關(guān)以后線路全段，過電流保護(hù)定值設(shè)為910 A，過電流保護(hù)時限為1.0 s；16加1號開關(guān)瞬時電流保護(hù)需要躲開分歧線路故障電流，因此設(shè)為8.31 kA，瞬時速斷保護(hù)時限為0 s，限時速斷保護(hù)考慮到保護(hù)16號至52號線路，定值設(shè)為5.26 kA，限時速斷保護(hù)時限設(shè)為0.15 s，過電流保護(hù)定值設(shè)為910 A，過電流保護(hù)時限為1.5 s；分歧線路瞬時速斷保護(hù)定值設(shè)為4.16 kA，瞬時速斷保護(hù)時限為0 s，過電流保護(hù)定值設(shè)為910 A，過電流保護(hù)時限為1.0 s；變電站出口瞬時速斷保護(hù)定值為14.52 kA，瞬時速斷保護(hù)時限為0 s，限時速斷保護(hù)定值為9.97 kA，限時速斷保護(hù)時限設(shè)為0.15 s，過電流保護(hù)定值設(shè)為910 A，過電流保護(hù)時限為2 s。自動化開關(guān)設(shè)置二次重合閘，一次重合閘時間為1 s，二次重合閘時間為3 s。

分析第一種和第二種保護(hù)整定的結(jié)果，第二種整定方案更為合理，線路出口故障時，故障電流對設(shè)備的沖擊和影響更小[10]，能夠更快的切斷故障電流。

電纜線路繼電保護(hù)整定分兩種情況，一種是開關(guān)站同樣配置自動化設(shè)備或者采用斷路器微機(jī)保護(hù)裝置[11]，此時的整定計算結(jié)果為：8號環(huán)網(wǎng)柜至開閉所高壓柜保護(hù)裝置整定值速斷4.807 kA，限時速斷保護(hù)定值為3.278 kA，時間為0.15 s，開關(guān)站出線間隔保護(hù)裝置定值為速斷保護(hù)定值為2.8 kA，過負(fù)荷定值為400 A，時間為3 s。變電站出口定值，退出速斷保護(hù)，將限時電流速斷時間提高到0.30 s。第二種情況是開關(guān)站無微機(jī)保護(hù)裝置，開關(guān)站及下屬設(shè)備配置高分段能力的熔斷器。8號環(huán)網(wǎng)柜至開閉所高壓柜保護(hù)裝置整定值為速斷4.807 kA，瞬時速斷保護(hù)時限設(shè)為0 s，變電站出口定值，退出速斷保護(hù)，限時電流速斷時間為0.15 s。

當(dāng)變壓器保護(hù)和開關(guān)站出線保護(hù)采用熔斷器進(jìn)行保護(hù)時，需要對熔斷器動作時間進(jìn)行檢驗[12]，熔斷器的動作時間需要與上級繼電保護(hù)時間相配合，確保各級保護(hù)能正確動作，避免故障時保護(hù)越級動作。熔斷器采用K型熔斷件，只需要校驗開關(guān)站出線柜熔斷件在最小短路電流下的動作時間即可。630 kVA變壓器配置額定電流為65 A的熔斷件，開關(guān)站配置100 A的熔斷件，只需要對此進(jìn)行校驗即可，當(dāng)五組環(huán)網(wǎng)單元線路末端發(fā)生兩相短路電流時，短路電流最小為2.98 kA，100 A的熔斷件在2.98 kA時弧前時間為0.03 s，再加上幾十毫秒的燃弧時間，故障可在0.1 s內(nèi)切除。

4 配電網(wǎng)繼電保護(hù)方案確定

目前配電網(wǎng)的繼電保護(hù)配置，只在線路出口配置保護(hù)，并且配置重合閘，對于絕大多數(shù)故障都可利用線路重合閘躲開故障，在幾秒內(nèi)就可以恢復(fù)全線路送電，對于全電纜線路，由于不配置線路重合閘，因此在故障跳閘時，線路跳閘失電，直至人員巡視到故障時，隔離故障恢復(fù)非故障部分線路。

基于三段式電流保護(hù)的保護(hù)整定，在短路電流計算中相關(guān)數(shù)據(jù)的不確定性，包括系統(tǒng)阻抗，會隨著66 kV變電站運(yùn)行方式的改變而改變，配電網(wǎng)中線路數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，故障時故障點的故障電阻都會對短路電流的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，對繼電保護(hù)的整定計算帶來困難。

目前架空線路自動化設(shè)備保護(hù)模式包括邏輯動作模式和電流三段式保護(hù)，邏輯動作模式需要線路出口配置多次重合閘用以隔離故障區(qū)域恢復(fù)非故障區(qū)域的供電，針對瞬時故障，邏輯動作模式反而增加了二次重合閘，延長了停電時間，同時對于三分段多聯(lián)絡(luò)的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，邏輯時間配合較為復(fù)雜。根據(jù)以上情況并結(jié)合實際線路配置，提出如圖2所示的架空線路保護(hù)方案，具體方案是線路出口斷路器、1號三遙FTU柱上開關(guān)、2號三遙FTU柱上開關(guān)分別配置瞬時速斷保護(hù)、限時速斷保護(hù)和過流保護(hù)，各級保護(hù)相互配合。結(jié)合網(wǎng)架優(yōu)化和自動化設(shè)備的合理布局，本級線路分歧線路的首端不應(yīng)包含在本級瞬時速斷保護(hù)范圍內(nèi)。如果線路改造有困難，而且分歧線路距離本級線路首端距離過近，則本級線路首端自動化開關(guān)配置為選段模式，上級線路首端自動化開關(guān)配置為選線模式，即當(dāng)本級線路發(fā)生故障時，犧牲本級線路的選擇性，上級線路自動化開關(guān)動作，由于配置了選線模式和選段模式[13]，上級線路經(jīng)過一段時間延時后自動合閘，本級線路檢測到電壓，來電延時合閘，若故障發(fā)生在本級線路主干，本級線路失壓分閘，本級開關(guān)閉鎖，上級線路開關(guān)重合，經(jīng)過一定時間延時，本級開關(guān)分歧線路的聯(lián)絡(luò)開關(guān)重合，恢復(fù)對非故障區(qū)域的供電。

圖2 架空線路保護(hù)整定方案

對于電纜線路，自動化設(shè)備的配置方案如圖3所示，線路出口斷路器配置0.15 s限時速斷保護(hù)，用于保護(hù)線路主干，各環(huán)網(wǎng)柜配出線路采用瞬時速斷保護(hù)，其余配置如實例中配置即可。

圖3 電纜線路保護(hù)整定方案

5 結(jié)束語

針對自動化設(shè)備的布局要求，自動化設(shè)備的合理使用和布局應(yīng)在配電網(wǎng)網(wǎng)架堅強(qiáng)結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上，并結(jié)合配電網(wǎng)短路電流分布和線路結(jié)構(gòu)合理配置。本文就實際情況進(jìn)行短路電流計算，并進(jìn)行繼電保護(hù)的定值配置，同時針對保護(hù)方式的要求，對自動化設(shè)備的合理布局進(jìn)行探討，提出一種基于自動化設(shè)備合理布局以及合理配置的配電網(wǎng)三段式保護(hù)方案，以供參考。