劉 淵

（陜西地方電力（集團(tuán)）有限公司榆橫工業(yè)區(qū)供電分公司，陜西 榆林 719000）

一般10kV 架空線柱上開(kāi)關(guān)配置過(guò)流Ⅰ段、過(guò)流Ⅲ段保護(hù)。線路上下級(jí)分段開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)主要依靠動(dòng)作電流大小和動(dòng)作延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)通過(guò)故障的開(kāi)關(guān)先后動(dòng)作次序。但是，當(dāng)需配合的分段開(kāi)關(guān)較多的時(shí)候，將出現(xiàn)如下問(wèn)題。

1）整定計(jì)算上的問(wèn)題

在動(dòng)作電流上，一般在最大運(yùn)行方式下按照策略依據(jù)最大短路電流整定計(jì)算，但可能在最小運(yùn)行方式下，出現(xiàn)無(wú)保護(hù)范圍的情況。也有時(shí)候，前后兩級(jí)開(kāi)關(guān)所處短路電流基本相同，使整定結(jié)果無(wú)法區(qū)分大小，使得整定計(jì)算困難。

在動(dòng)作延時(shí)上，主要以延時(shí)遞減方式進(jìn)行區(qū)分配合，即處于后一級(jí)的動(dòng)作延時(shí)小于前一級(jí)的動(dòng)作延時(shí)，但由于一般出線開(kāi)關(guān)過(guò)流動(dòng)作延時(shí)在1100ms已內(nèi)，且一般要求延時(shí)級(jí)差為300ms，因此當(dāng)線路分段開(kāi)關(guān)多余3 臺(tái)時(shí)候，過(guò)電流保護(hù)定值在動(dòng)作延時(shí)上整定配合難度增加。

2）生產(chǎn)運(yùn)行上的問(wèn)題

因檢修、用戶接火、事故處理等需要，10kV 手拉手線路需要調(diào)整運(yùn)行方式。在線路柱上開(kāi)關(guān)斷開(kāi)點(diǎn)發(fā)生變化之后，線路開(kāi)關(guān)通過(guò)的短路電流、負(fù)荷電流均發(fā)生變化，原基于某一條件計(jì)算的定值將出現(xiàn)不匹配，在線路發(fā)生故障后將直接導(dǎo)致開(kāi)關(guān)發(fā)生拒動(dòng)、誤動(dòng)、越級(jí)跳閘的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的處理一直是縣級(jí)供電公司生產(chǎn)運(yùn)行中一個(gè)難題。

1 常規(guī)三段式過(guò)流保護(hù)計(jì)算方法與配合策略

1.1 常規(guī)三段式過(guò)流保護(hù)范圍與整定方法

1）過(guò)流Ⅰ段保護(hù)范圍與整定方法

（1）保護(hù)范圍：在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，本級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段的理想狀態(tài)是能保護(hù)本開(kāi)關(guān)控制的本段線路全長(zhǎng)，但在保護(hù)整定中，因下級(jí)開(kāi)關(guān)入口和出口處短路電流幾乎一樣大小，為保證選擇性，需躲開(kāi)下級(jí)開(kāi)關(guān)入口短路電流，因此不可保護(hù)本段線路全長(zhǎng)。同時(shí)，為了防止無(wú)保護(hù)范圍，因此，在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下，要求過(guò)流Ⅰ段對(duì)兩相短路時(shí)的保護(hù)范圍不小于本段線路的15%。

（2）計(jì)算方法：本級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅰ段電流動(dòng)作值以系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，本級(jí)開(kāi)關(guān)所控制本段線路末端發(fā)生三相短路時(shí)一次側(cè)電流周期分量有效值為基準(zhǔn)，考慮各種影響及裕度，即乘以一系列系數(shù)后得到。

2）過(guò)流Ⅱ段保護(hù)范圍與整定方法

（1）保護(hù)范圍：過(guò)流Ⅰ段只能保護(hù)本段線路的一部分，該段線路的剩余部分一般依靠過(guò)流Ⅱ段。因此，任何情況下，本級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅱ段必須能保證保護(hù)本段線路全長(zhǎng)，要保證一定靈敏度。延伸至下級(jí)開(kāi)關(guān)的保護(hù)范圍，要保證一定可靠性。但為選擇性，不應(yīng)超出下級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段的保護(hù)范圍。

（2）計(jì)算方法：本級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅱ段電流動(dòng)作值一般與下級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅰ段配合而整定，即用下級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅰ段值乘以一個(gè)可靠系數(shù)后得到。

3）過(guò)流Ⅲ段保護(hù)整定范圍與整定方法

（1）保護(hù)范圍與原則：過(guò)流Ⅰ段不可保護(hù)本段線路全長(zhǎng)，過(guò)流Ⅱ段又不能保護(hù)下段線路全長(zhǎng)，即不能作為下段線路的后備保護(hù)，根據(jù)保護(hù)需有主有備的要求，因此，需采用過(guò)流Ⅲ段作為下段線路的后備保護(hù)，除保護(hù)本段線路外，還作為下段線路的后備保護(hù)。過(guò)流Ⅲ段保護(hù)范圍為本段和下段線路全長(zhǎng)。

（2）計(jì)算方法：本級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅲ段電流動(dòng)作值以本段線路流過(guò)最大電流值乘以一個(gè)可靠系數(shù)后得到。

1.2 常規(guī)上下級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)配合策略

1）常規(guī)上下級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)整定配合原則

（1）過(guò)流Ⅰ段整定配合原則：為了保證過(guò)流Ⅰ段動(dòng)作的選擇性，即要求過(guò)流Ⅰ段在任何情況下，只對(duì)本級(jí)開(kāi)關(guān)所控制的本段線路內(nèi)的短路故障起動(dòng)，對(duì)下級(jí)開(kāi)關(guān)出口短路故障不起動(dòng)。因此，本級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅰ段的整定動(dòng)作電流必須大于下級(jí)開(kāi)關(guān)出口短路故障可出現(xiàn)的最大短路電流。因本保護(hù)不延伸至下一段，因此無(wú)需與下級(jí)開(kāi)關(guān)的各種保護(hù)配合。

（2）過(guò)流Ⅱ段整定配合原則：本級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅱ段要保護(hù)本段線路的全長(zhǎng)，在本段線路末端短路時(shí)應(yīng)動(dòng)作，在下段線路首段短路時(shí)也起動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)選擇性，要求過(guò)流Ⅱ段電流動(dòng)作值大于下級(jí)開(kāi)關(guān)保護(hù)過(guò)流Ⅰ段電流動(dòng)作值，動(dòng)作延時(shí)大于下級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段一個(gè)延時(shí)級(jí)差Δt。如此，下級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段動(dòng)作電流?。ㄏ葎?dòng)），且延時(shí)短（先動(dòng)），下級(jí)開(kāi)關(guān)不會(huì)越級(jí)跳閘到本級(jí)開(kāi)關(guān)。

（3）過(guò)流Ⅲ段整定配合原則：本級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅲ段是本段線路主保護(hù)（過(guò)流Ⅰ段、過(guò)流Ⅱ段）的近后備保護(hù)。本級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅲ段是下段線路主保護(hù)（過(guò)流Ⅰ段、過(guò)流Ⅱ段）的遠(yuǎn)后備保護(hù)。保護(hù)動(dòng)作電流按照躲開(kāi)本段最大負(fù)荷電流來(lái)整定，為保證選擇性，在電流動(dòng)作值和動(dòng)作延時(shí)上與上下級(jí)各保護(hù)配合。保護(hù)動(dòng)作延時(shí)必須按照階梯原則選定，即本級(jí)保護(hù)動(dòng)作延時(shí)遲于（大于）下級(jí)保護(hù)動(dòng)作延時(shí)。

2）常規(guī)上下級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)整合配合原理分析

10kV 線路一般設(shè)置兩段過(guò)流保護(hù)，如過(guò)流Ⅰ和過(guò)流Ⅱ的組合或過(guò)流Ⅰ和過(guò)流Ⅲ的組合。下面分別介紹各配合原理。

（1）過(guò)流Ⅰ、Ⅱ段保護(hù)整定與配合原理分析。

如圖1所示，一條10kV 線路安裝3 臺(tái)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)均配置過(guò)流Ⅰ段和過(guò)流Ⅱ段。線路的最大運(yùn)行方式短路電流和最小運(yùn)行方式短路電流如圖中曲線所示。圖中畫(huà)出了過(guò)流Ⅰ、Ⅱ段動(dòng)作電流大小、保護(hù)范圍、保護(hù)動(dòng)作延時(shí)等。

圖1 過(guò)流Ⅰ、Ⅱ段保護(hù)整定與配合原理圖

從圖1可知，當(dāng)系統(tǒng)處于最大與最小運(yùn)行方式之間的任一種方式運(yùn)行時(shí)，對(duì)于本開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段，它只保護(hù)本段，未延伸保護(hù)至下段，因此下段或更下段區(qū)域短路故障本保護(hù)不起動(dòng)，因此無(wú)需與下級(jí)各保護(hù)配合。本級(jí)過(guò)流Ⅰ段與上級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅱ段有共同保護(hù)區(qū)，但本級(jí)過(guò)流Ⅰ動(dòng)作延時(shí)較短，較先動(dòng)作，不會(huì)出現(xiàn)越級(jí)跳閘的問(wèn)題。

對(duì)于過(guò)流Ⅱ，與本級(jí)過(guò)流Ⅰ保護(hù)區(qū)重疊，但不存在越級(jí)跳閘，與下級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅰ保護(hù)區(qū)重疊，但延時(shí)大于下級(jí)過(guò)流Ⅰ，因此不會(huì)越級(jí)。與下級(jí)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅱ保護(hù)區(qū)重疊，但延時(shí)依然大于下級(jí)過(guò)流Ⅱ，因此不會(huì)越級(jí)。

（2）過(guò)流Ⅰ、Ⅲ段保護(hù)整定與配合原理分析。

與上圖線路相同，電流Ⅰ、Ⅲ段保護(hù)整定與配合原理圖如圖2所示。

圖2 過(guò)流Ⅰ、Ⅲ段保護(hù)整定與配合原理圖

圖2中，配合原理實(shí)質(zhì)同圖1分析。保護(hù)范圍重疊時(shí)候，若故障短路電流大于兩個(gè)以上保護(hù)的動(dòng)作電流值，則依靠各保護(hù)的延時(shí)大小來(lái)決定動(dòng)作先后，不會(huì)出現(xiàn)越級(jí)。

2 10kV 案例線路的調(diào)查

2.1 10kV 案例線路的基本情況

為突出多臺(tái)分段開(kāi)關(guān)配合的典型性，我選取榆橫公司10kV 馬扎梁與10kV 化工線作為本論文研究案例線路。

這兩條10kV 線路屬于手拉手線路，干線全長(zhǎng)近21 公里，導(dǎo)線采用LGJ-120。線路41#、75#、101#、136#、170#、235#桿上安裝了ZW20A-12 型開(kāi)關(guān)，配搭FDR-2G 型控制器（如圖3所示）。

圖3 ZW20A-12 型開(kāi)關(guān)、FDR-2G 控制器

線路上分布約10MVA 負(fù)荷。線路開(kāi)關(guān)接線方式如圖4所示。

圖4 112 馬扎梁線與115 化工線的地理接線圖

2.2 10kV 案例線路的運(yùn)行問(wèn)題

兩條10kV 線路電源引至不同的變電站，正常運(yùn)行方式時(shí)，136#開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)。由于檢修停電、新用戶接入、事故處理等，需要特殊運(yùn)行方式，如以馬扎梁出線開(kāi)關(guān)或化工出線開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)。

調(diào)查表明，線路干線較長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)設(shè)置較多，不過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備較先進(jìn)，保護(hù)可設(shè)置多套定值，但無(wú)論運(yùn)行方式如何改變，線路實(shí)際只有1 套保護(hù)定值。自運(yùn)行以來(lái)，線路因一些較難抗拒的外力經(jīng)常發(fā)生跳閘，其中越級(jí)跳閘尤為突出。

3 10kV 案例線路開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)配合的新策略

3.1 每臺(tái)開(kāi)關(guān)配置多套定值的策略

因?yàn)?0kV 手拉手線路在斷開(kāi)點(diǎn)發(fā)生變化后，因此通過(guò)柱上開(kāi)關(guān)的功率方向、短路電流、負(fù)荷情況也會(huì)發(fā)生變化，如果只有一套保護(hù)，就可能出現(xiàn)定值過(guò)小或者過(guò)大，出現(xiàn)誤動(dòng)，或者死區(qū)拒動(dòng)，或者越級(jí)跳閘。

為防止這些問(wèn)題的出現(xiàn)，就需要10kV 手拉手線路柱上開(kāi)關(guān)需整定多套過(guò)流保護(hù)定值，運(yùn)行方式切換后，線路柱上開(kāi)關(guān)的定值也要切換至相應(yīng)保護(hù)定值區(qū)，這是一種需要。

隨著配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施，未來(lái)后臺(tái)主站可遠(yuǎn)程遙調(diào)終端FTU 保護(hù)定值是發(fā)展需要，多套保護(hù)定值下載到FTU 后，如果線路發(fā)生運(yùn)行方式調(diào)整，則保護(hù)定值區(qū)自動(dòng)切換，以保證保護(hù)定值的正確性，這是一種趨勢(shì)。

對(duì)于上述10kV 馬扎梁線和10kV 化工線，建議各開(kāi)關(guān)至少配置三套定值。01#定值區(qū)整定為正常運(yùn)行方式下，以136#開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)時(shí)，為每個(gè)開(kāi)關(guān)整定配置一套定值；02#定值區(qū)為特殊運(yùn)行方式下，以馬扎梁出線開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)時(shí)，為每個(gè)開(kāi)關(guān)整定配置一套；03#定值區(qū)為特殊運(yùn)行方式下，以化工出線開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)時(shí)，為每個(gè)開(kāi)關(guān)整定配置一套；出現(xiàn)其他運(yùn)行方式時(shí)候，靈活為每個(gè)開(kāi)關(guān)選擇其中1 套定值即可滿足要求，如若以170#開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)，則170#之前的開(kāi)關(guān)配置03#定值區(qū)，170#之后的開(kāi)關(guān)配置01#定值區(qū)。

3.2 三臺(tái)以下開(kāi)關(guān)保護(hù)配合策略與定值計(jì)算實(shí)例

1）常規(guī)上下級(jí)開(kāi)關(guān)保護(hù)配合策略

以136#開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)時(shí)，馬扎梁線與化工線每條線路有3 臺(tái)分段開(kāi)關(guān)需配合，分段開(kāi)關(guān)數(shù)量不多，出線開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅲ段1100ms 延時(shí)延時(shí)可供下級(jí)3 臺(tái)分段開(kāi)關(guān)設(shè)置合理延時(shí)級(jí)差，因此，每臺(tái)分段開(kāi)關(guān)配置過(guò)流Ⅰ段和過(guò)流Ⅲ段兩種保護(hù)即可滿足要求。

配合原理如前所述常規(guī)三段式保護(hù)。

2）常規(guī)上下級(jí)開(kāi)關(guān)保護(hù)配合定值計(jì)算實(shí)例

按照前述常規(guī)三段式保護(hù)原則，以136#開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)時(shí)，01#定值區(qū)內(nèi)各分段開(kāi)關(guān)的定值見(jiàn)表1。

表1 以136#為開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)時(shí)01#定值區(qū)內(nèi) 各分段開(kāi)關(guān)定值表

（續(xù)）

3.3 四臺(tái)以上開(kāi)關(guān)保護(hù)配合策略與定值計(jì)算實(shí)例

1）交叉配置過(guò)流Ⅱ段與Ⅲ段保護(hù)的新策略

以化工出線開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)時(shí)，馬扎梁線上有6臺(tái)分段開(kāi)關(guān)。由于馬扎梁出線開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅲ段延時(shí)只有1100ms，若對(duì)每級(jí)分段開(kāi)關(guān)都設(shè)置過(guò)流Ⅲ段，則6 臺(tái)開(kāi)關(guān)動(dòng)作延時(shí)導(dǎo)致延時(shí)級(jí)差過(guò)小，不符合整定規(guī)范。所以，經(jīng)過(guò)研究提出新的配置策略，即對(duì)每臺(tái)分段開(kāi)關(guān)均設(shè)置過(guò)流Ⅰ段，按分段開(kāi)關(guān)位置次序，依次交叉設(shè)置過(guò)流Ⅱ段和過(guò)流Ⅲ段，對(duì)于最末級(jí)分段開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段采用增大過(guò)流Ⅰ段靈敏度的方法，即降低其電流動(dòng)作整定值，以保證其可以保護(hù)235#以后線路全長(zhǎng)。這樣，區(qū)分開(kāi)了動(dòng)作延時(shí)，避免了越級(jí)跳閘的出現(xiàn)。其配合原理如圖5所示。

圖5 交叉配置過(guò)流Ⅱ段與Ⅲ段保護(hù)的新策略配合原理圖

從圖中可知，3 臺(tái)開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅱ段動(dòng)作時(shí)間均為同一級(jí)，這樣既能保證每臺(tái)開(kāi)關(guān)都配置主備保護(hù)，節(jié)約了延時(shí)，其動(dòng)作原理實(shí)質(zhì)同上圖所述，依然不會(huì)出現(xiàn)越級(jí)跳閘。

2）交叉配置過(guò)流Ⅱ段與Ⅲ段保護(hù)配合定值計(jì)算實(shí)例

按照上述策略，以化工出線開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)時(shí)，馬扎梁線6 臺(tái)分段開(kāi)關(guān)均配置過(guò)流Ⅰ段，動(dòng)作延時(shí)均為0s，75#和136#開(kāi)關(guān)配置過(guò)流Ⅱ段，動(dòng)作延時(shí)為300ms，41#、101#、170#開(kāi)關(guān)配置過(guò)流Ⅲ段，動(dòng)作延時(shí)分別為800ms，550ms，300ms。本級(jí)的過(guò)流Ⅱ段與下級(jí)的過(guò)流Ⅰ段配合，過(guò)流Ⅱ段電流動(dòng)作值取下級(jí)過(guò)流Ⅰ動(dòng)作值的1.1 倍。據(jù)此，算出其各開(kāi)關(guān)的定值見(jiàn)表2。

表2 以化工出線開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)時(shí)03#定值區(qū)內(nèi) 各分段開(kāi)關(guān)定值表

以馬扎梁出線開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)點(diǎn)時(shí)，化工線6 臺(tái)分段開(kāi)關(guān)整定計(jì)算方法與上述計(jì)算相同。

圖6 41-75#線路30%處三相故障電流值及開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況

4 10kV 案例線路保護(hù)配合新策略的應(yīng)用效果檢驗(yàn)

由于開(kāi)關(guān)故障概率較小，短時(shí)期內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)難以說(shuō)明開(kāi)關(guān)定制合理與否，因此本文采用PSCAD仿真效驗(yàn)。

4.1 建立仿真驗(yàn)證模型

基于上述分析與研究的成果，我們通過(guò)PSCAD與Matlab 軟件相配合進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

本節(jié)中的所有仿真均設(shè)置計(jì)時(shí)開(kāi)始200ms 后出現(xiàn)永久性故障，其它延時(shí)為正常運(yùn)行延時(shí)。

校驗(yàn)圖中的實(shí)線為實(shí)測(cè)電流有效值或者開(kāi)關(guān)動(dòng)作的信號(hào)，虛線為各繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的整定值。

4.2 對(duì)開(kāi)關(guān)在各運(yùn)行方式下保護(hù)定值仿真進(jìn)行檢驗(yàn)

下面列出對(duì)41#開(kāi)關(guān)在正常運(yùn)行方式下進(jìn)行仿真校驗(yàn)結(jié)果。

1）41-75#線路30%處發(fā)生三相故障的仿真如圖6所示。

由圖中可以看出，故障處于41#開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段范圍內(nèi)，由41#開(kāi)關(guān)的過(guò)流Ⅰ段快速切除故障，不會(huì)引起上級(jí)出線開(kāi)關(guān)的越級(jí)誤動(dòng)。

2）41-75#線路80%處發(fā)生三相故障的仿真如圖7所示。

由圖中可以看出，故障發(fā)生在41#開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段死區(qū)范圍內(nèi)，本級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅰ段不動(dòng)作，由本級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)流Ⅲ段經(jīng)過(guò)延時(shí)動(dòng)作，切除故障。同時(shí)從圖中可以看出，不會(huì)引起上級(jí)出線開(kāi)關(guān)（0#）保護(hù)的越級(jí)動(dòng)作。

4.3 開(kāi)關(guān)定值仿真檢驗(yàn)結(jié)論

基于上述分別以正常運(yùn)行方式（136#為聯(lián)絡(luò)）和非正常運(yùn)行方式（化工出線開(kāi)關(guān)為聯(lián)絡(luò)）的仿真檢查結(jié)果表明，各個(gè)開(kāi)關(guān)保護(hù)均具有選擇性，能及時(shí)切除故障，新的多開(kāi)關(guān)配合策略是可行的。

5 結(jié)論

圖7 41-75#線路80%處三相故障電流值及開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況

經(jīng)過(guò)研究，本文提出了10kV“手拉手”架空線路多臺(tái)柱上開(kāi)關(guān)的保護(hù)配置和配合策略，并應(yīng)用電 力系統(tǒng)常用的PSCAD 仿真軟件仿真，證明上述策略有效，解決了長(zhǎng)期以來(lái)由于對(duì)“手拉手”線路柱上開(kāi)關(guān)的裝置配置、保護(hù)計(jì)算、保護(hù)之間配合策略認(rèn)識(shí)不清楚導(dǎo)致越級(jí)事件頻發(fā)的難題。

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