國網(wǎng)江陰市供電公司 李云法

110kV 變電站是變電站中應(yīng)用較為廣泛的一種類型，其具有占地面積小、投資少、運行成本低等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于我國電力系統(tǒng)中。但在110kV 變電站運行過程中，會出現(xiàn)一系列故障問題，這些故障問題不僅會對110kV 變電站的正常運行產(chǎn)生嚴重影響，還會對電網(wǎng)系統(tǒng)造成破壞。因此，在實際工作過程中，需要加強對110kV 變電站繼電保護設(shè)計工作的重視度，采取科學合理的設(shè)計措施對其進行完善和優(yōu)化，保證110kV 變電站繼電保護設(shè)計能夠滿足電力系統(tǒng)的實際運行需求。

1 110kV 變電站繼電保護原理分析

1.1 線路保護

線路保護的任務(wù)是在線路發(fā)生故障時，能夠及時、迅速地切除故障，以保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定地運行。線路保護是所有繼電保護中最重要的保護裝置，其中包括線路縱聯(lián)差動保護、后備縱聯(lián)電流保護、零序電流保護、過負荷保護等。線路縱聯(lián)電流保護由兩組電流元件組成，一組是與被保護線路相連的，另一組是與被保護線路兩端的主設(shè)備相連的。

通常，在線路正常運行的過程中，當負荷電流流過線路后，所傳輸?shù)嚼^電器中的電流會低于其他啟動電流，電流繼電器會處于停止的狀態(tài)，導致常開觸點出現(xiàn)斷開連接，且中間繼電器常開觸點也會處于比較明顯的斷開現(xiàn)象，而斷路器主觸頭會處于不斷送電的狀態(tài)。受各種環(huán)境因素的影響，當線路出現(xiàn)短路現(xiàn)象后，短路電流產(chǎn)生的電壓會超過保護裝置中啟動電流的電壓，而受電流繼電器常開觸點的影響，中間繼電器會始終處于啟動閉合的狀態(tài)，以此將正電源直接接入到信號繼電器的線圈中，同時通過斷路器的常開輔助觸點，最終連接到跳閘線路內(nèi)部形成完善的線路體系，根據(jù)線路體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最后由斷路器完成最后的跳閘操作程序，防止跳閘后所有線路出現(xiàn)故障現(xiàn)象，形成更加絕對安全可靠的保護作用。

1.2 電流速斷保護

電流速斷保護是利用電流速斷型的保護元件來實現(xiàn)線路保護的。其原理如圖1所示。

從圖1可看出，電流速斷保護是通過檢測電流的變化來判斷故障部位，從而快速切除故障。當線路出現(xiàn)接地短路故障現(xiàn)象后，故障電流會經(jīng)過線路兩側(cè)的母線上。線路兩側(cè)的母線上各有一組電流互感器，每組電流互感器對兩側(cè)母線上的電流進行測量。如果兩側(cè)母線上的電流值相等，則說明發(fā)生了接地短路故障問題，這時保護裝置通過比較兩側(cè)母線上的電流差值來判別故障部位[1]。

1.3 距離保護

距離保護是比較常見的保護手段。距離保護原理是利用短路點與故障點之間的阻抗，即短路點到故障點的距離來鑒別故障元件。距離保護的選擇性主要取決于線路末端故障之間的比較，也就是取決于短路點與電源之間的距離。為了提高距離保護的選擇性，應(yīng)在線路末端安裝短路元件，同時按一定規(guī)律整定距離保護定值。當距離元件動作時，以最大運行方式切除故障元件。當系統(tǒng)發(fā)生相間短路或接地短路時，保護動作于跳開相鄰線路或斷路器。根據(jù)保護的選擇性原理，可以劃分為后備保護和主動保護兩種類型。而在110kV 及以上電壓等級中，通常使用后備保護作為主要的保護手段。

2 某110kV 變電站繼電保護設(shè)計與整定

2.1 線路保護設(shè)計與整定

從特點角度來看，110kV 變電站線路具有較高的絕緣水平，在運行過程中不容易出現(xiàn)故障，因此一般不需要采取特別的保護措施，通常采用相應(yīng)的非故障線路進行保護。由于110kV 變電站線路具有較長的運行距離，一般長度超過30km，因此需要在線路上安裝相應(yīng)的保護裝置。110kV 變電站線路保護裝置通常有以下幾種：一是重合閘；二是速斷保護；三是距離保護。

重合閘是一種開關(guān)設(shè)備，能夠?qū)€路上發(fā)生的故障進行切除，避免對用戶以及電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響；速斷保護是指線路發(fā)生故障時，速斷保護會立即動作跳閘，對用戶進行供電。距離保護是指當線路發(fā)生故障時，距離保護會自動啟動，通過相關(guān)程序及時切除故障線路。而在后續(xù)設(shè)計的過程中，通常不需要設(shè)置專門的高低壓隔離開關(guān)，110kV 變電站線路通常都是由獨立的母線組成，因此在設(shè)計過程中可不需要設(shè)置相應(yīng)的高低壓隔離開關(guān)。

110kV 變電站線路一般都是架空線形式。由于架空線具有較高的絕緣水平以及可靠性強等特點，因此一般不存在較大的故障隱患。同時，由于架空線具有較好的靈活性以及可靠性等特點，因此在設(shè)計過程中一般不會受到外界因素的影響，有利于保護110kV 變電站線路正常運行。在鋪設(shè)方式選擇方面，由于電纜具有絕緣性能較好、鋪設(shè)方便等特點，因此在設(shè)計過程中可采用電纜敷設(shè)方式進行輸電。而在進行架空線設(shè)置的過程中，可通過相關(guān)公式對線路過電流保護的動作電流進行整定，具體應(yīng)用采用的公式為：

其中，Krel 表示可靠系數(shù)，參數(shù)值范圍在1.25～1.35，Kst 表示起動系數(shù)，通常由電流負荷性質(zhì)所決定。Kre 表示返回系數(shù)，參數(shù)值一般取0.85。

另外，在線路保護裝置配置及原則方面，在110kV 變電站中，線路保護裝置主要包括高壓側(cè)和低壓側(cè)，通常情況下，高壓側(cè)的保護裝置配置較為復雜，低壓側(cè)的保護裝置相對簡單。在設(shè)計線路保護裝置時，要求充分考慮變電站的具體情況，還要對變電站的供電可靠性進行全面分析。通過對變電站的實際情況進行全面分析之后，可以有效確定線路保護裝置配置以及原則，從而保證變電站能夠正常、安全運行。最后在對110kV 變電站線路進行設(shè)計時，還要充分考慮110kV 變電站中不同設(shè)備的特點，并根據(jù)實際情況合理選擇其中一種或兩種方式。

在對110kV 變電站線路進行設(shè)計時必須遵循以下原則：首先，110kV 變電站線路與其他類型的電網(wǎng)相比具有特殊性，所以在設(shè)計時充分考慮110kV變電站的具體情況，并根據(jù)實際情況制定合理有效的線路保護設(shè)計方案。其次，在對110kV 變電站線路進行設(shè)計時要充分考慮線路運行環(huán)境以及運行特點，只有這樣才能保證110kV 變電站線路能夠正常運行；最后，在對110kV 變電站線路進行設(shè)計時，充分考慮各個設(shè)備之間的關(guān)系，以及設(shè)備之間的配合關(guān)系。同時，在設(shè)計過程中需要根據(jù)設(shè)備特點，以及實際情況選擇相應(yīng)的保護措施。

2.2 母線保護設(shè)計與整定

母線在變電站內(nèi)承擔著電能的流動，在110kV 變電站內(nèi)，母線承擔著變壓器、線路等設(shè)備的供電任務(wù)。在實際設(shè)計過程中，需要對母線的運行情況進行分析，根據(jù)其運行狀態(tài)對繼電保護裝置進行選擇和配置，以滿足繼電保護和自動裝置的運行要求。110kV 變電站的母線是整個電網(wǎng)的重要組成部分，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，需要及時切除故障設(shè)備，保證供電可靠性。在對母線進行設(shè)計時，需要根據(jù)電網(wǎng)實際運行情況進行分析，根據(jù)其運行狀態(tài)來選擇繼電保護裝置。在選擇繼電保護裝置時，需要對其可靠性、準確性等因素進行考慮，以便保證繼電保護裝置能夠滿足繼電保護的要求，避免影響供電可靠性。具體保護配置與整定內(nèi)容見表1。

表1 母線保護配置與整定表

在確定完保護配置以及整定內(nèi)容后，在主接線的設(shè)計過程中，需要將變電站分為兩個部分，即變電站A 和變電站B。在變電站A 和B 之間設(shè)置一臺主變壓器，其配置為單母線分段接線，110kV 主變壓器可以設(shè)置為兩個獨立的母線，也可以設(shè)置為兩個母線，其中一條主變壓器母線負責向一條母線供電。在兩條母線之間設(shè)置一個獨立的電源出口開關(guān)，當一條母線發(fā)生故障時，可以利用該開關(guān)來斷開另外一條母線。因此，需要重視對母線的選擇與效驗，并且，通過對溫度修正系數(shù)的判斷完成對主母線的選擇。具體判斷計算公式如下所示：

其中Qal 表示母線導體長期發(fā)熱后允許的最高溫度，θ 表示母線導體的實際溫度，θo 表示母線導體的額定環(huán)境溫度，當母線溫度修正超出一定數(shù)值，表面溫度趨于穩(wěn)定，則說明該母線質(zhì)量性較高，可對其進行選擇。

在進行主接線設(shè)計過程中，需要對系統(tǒng)的接線方式進行確定。主接線方式的確定通常是根據(jù)系統(tǒng)運行的實際情況和相關(guān)資料進行分析后確定的。如果系統(tǒng)中有多個變電站需要進行連接，則需要對設(shè)計方案進行合理規(guī)劃，明確每個變電站的接線方式。由于電氣主接線是影響變電站運行的重要因素，在主接線確定后，需要對各元件進行配置。根據(jù)變電站實際情況，將主變和母線劃分為2個區(qū)域，其中1號主變采用雙套保護系統(tǒng)，2號主變采用兩套保護系統(tǒng)，在設(shè)計110kV 變電站的繼電保護時，需要結(jié)合實際情況確定各元件的具體配置方案。

同時，在進行繼電保護設(shè)計時，還需要考慮到變電站的實際情況。例如，在進行某110kV 變電站保護配置時，需要根據(jù)變電站實際情況和相關(guān)規(guī)定，確定繼電保護系統(tǒng)的具體配置方案。此外，還要根據(jù)母線的實際情況進行繼電保護裝置的選擇和配置。根據(jù)不同繼電保護裝置的具體配置方案來確定繼電保護系統(tǒng)設(shè)計策略。

2.3 變壓器保護設(shè)計與整定

變電站變壓器是電力系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，其保護裝置的配置水平和技術(shù)性能將直接影響變電站的安全運行。110kV 變電站變壓器一般是由4臺或6臺主變壓器組成，每臺主變壓器都由多個不同容量的繞組和幾組主變壓器線圈構(gòu)成，而每個繞組都有多條連接線，每根連接線上都裝有相應(yīng)的斷路器和接地開關(guān)。在正常情況下，主變及各相之間的電流可以通過多根連接線互相傳導，從而實現(xiàn)平衡。但是一旦發(fā)生故障或過負荷時，這種電流就會明顯增大，而通過連接線的電流則會變小。因此，變壓器過電流最大負荷電流整定計算公式為：

其中，Krel 表示可靠系數(shù)，取值范圍在1.2～1.3，Kre 表示返回系數(shù)，去靜態(tài)繼電器最大值，取值范圍在0.85～0.95。Imax 表示變壓器最大負荷電流二次值，即整定變壓器可能增加的負荷電流。

當短路電流大于變壓器的額定電流時，連接線上就會出現(xiàn)不平衡電流，如果不采取適當?shù)拇胧﹣矸乐惯@種不平衡電流對變壓器造成損害，那么就會影響變壓器的正常運行。根據(jù)變壓器運行的特點以及各種主變保護裝置的功能，在設(shè)計和安裝主變壓器保護裝置時應(yīng)考慮以下原則：主變壓器保護裝置的配置要遵循“兩級、兩套、兩個主”的原則，即主變保護裝置必須由兩個廠家分別生產(chǎn)，其中至少應(yīng)配備一套主變保護裝置；在選擇斷路器和接地開關(guān)時，應(yīng)按照“經(jīng)濟合理、配置簡單、性能可靠”的原則進行選擇，以確保主變壓器保護裝置能在發(fā)生故障時安全可靠地運行。

在110kV 變電站運行過程中，繼電保護系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效提高變電站運行的可靠性和安全性。為了更好地促進110kV 變電站繼電保護設(shè)計水平的提升，需要相關(guān)工作人員在實際工作過程中，結(jié)合110kV 變電站的運行環(huán)境以及實際需求，積極探索和研究更加科學合理的設(shè)計措施。