一种有效的10kV架空线多台分段开关 过流保护配合策略的研究

刘 渊

（陕西地方电力（集团）有限公司榆横工业区供电分公司，陕西 榆林 719000）

一般10kV 架空线柱上开关配置过流Ⅰ段、过流Ⅲ段保护。线路上下级分段开关过流保护主要依靠动作电流大小和动作延时来实现通过故障的开关先后动作次序。但是，当需配合的分段开关较多的时候，将出现如下问题。

1）整定计算上的问题

在动作电流上，一般在最大运行方式下按照策略依据最大短路电流整定计算，但可能在最小运行方式下，出现无保护范围的情况。也有时候，前后两级开关所处短路电流基本相同，使整定结果无法区分大小，使得整定计算困难。

在动作延时上，主要以延时递减方式进行区分配合，即处于后一级的动作延时小于前一级的动作延时，但由于一般出线开关过流动作延时在1100ms已内，且一般要求延时级差为300ms，因此当线路分段开关多余3 台时候，过电流保护定值在动作延时上整定配合难度增加。

2）生产运行上的问题

因检修、用户接火、事故处理等需要，10kV 手拉手线路需要调整运行方式。在线路柱上开关断开点发生变化之后，线路开关通过的短路电流、负荷电流均发生变化，原基于某一条件计算的定值将出现不匹配，在线路发生故障后将直接导致开关发生拒动、误动、越级跳闸的问题。这个问题的处理一直是县级供电公司生产运行中一个难题。

1 常规三段式过流保护计算方法与配合策略

1.1 常规三段式过流保护范围与整定方法

1）过流Ⅰ段保护范围与整定方法

（1）保护范围：在系统最大运行方式下，本级开关过流Ⅰ段的理想状态是能保护本开关控制的本段线路全长，但在保护整定中，因下级开关入口和出口处短路电流几乎一样大小，为保证选择性，需躲开下级开关入口短路电流，因此不可保护本段线路全长。同时，为了防止无保护范围，因此，在系统最小运行方式下，要求过流Ⅰ段对两相短路时的保护范围不小于本段线路的15%。

（2）计算方法：本级开关的过流Ⅰ段电流动作值以系统最大运行方式下，本级开关所控制本段线路末端发生三相短路时一次侧电流周期分量有效值为基准，考虑各种影响及裕度，即乘以一系列系数后得到。

2）过流Ⅱ段保护范围与整定方法

（1）保护范围：过流Ⅰ段只能保护本段线路的一部分，该段线路的剩余部分一般依靠过流Ⅱ段。因此，任何情况下，本级开关的过流Ⅱ段必须能保证保护本段线路全长，要保证一定灵敏度。延伸至下级开关的保护范围，要保证一定可靠性。但为选择性，不应超出下级开关过流Ⅰ段的保护范围。

（2）计算方法：本级开关的过流Ⅱ段电流动作值一般与下级开关的过流Ⅰ段配合而整定，即用下级开关的过流Ⅰ段值乘以一个可靠系数后得到。

3）过流Ⅲ段保护整定范围与整定方法

（1）保护范围与原则：过流Ⅰ段不可保护本段线路全长，过流Ⅱ段又不能保护下段线路全长，即不能作为下段线路的后备保护，根据保护需有主有备的要求，因此，需采用过流Ⅲ段作为下段线路的后备保护，除保护本段线路外，还作为下段线路的后备保护。过流Ⅲ段保护范围为本段和下段线路全长。

（2）计算方法：本级开关的过流Ⅲ段电流动作值以本段线路流过最大电流值乘以一个可靠系数后得到。

1.2 常规上下级开关过流保护配合策略

1）常规上下级开关过流保护整定配合原则

（1）过流Ⅰ段整定配合原则：为了保证过流Ⅰ段动作的选择性，即要求过流Ⅰ段在任何情况下，只对本级开关所控制的本段线路内的短路故障起动，对下级开关出口短路故障不起动。因此，本级开关的过流Ⅰ段的整定动作电流必须大于下级开关出口短路故障可出现的最大短路电流。因本保护不延伸至下一段，因此无需与下级开关的各种保护配合。

（2）过流Ⅱ段整定配合原则：本级开关的过流Ⅱ段要保护本段线路的全长，在本段线路末端短路时应动作，在下段线路首段短路时也起动，为实现选择性，要求过流Ⅱ段电流动作值大于下级开关保护过流Ⅰ段电流动作值，动作延时大于下级开关过流Ⅰ段一个延时级差Δt。如此，下级开关过流Ⅰ段动作电流小（先动），且延时短（先动），下级开关不会越级跳闸到本级开关。

（3）过流Ⅲ段整定配合原则：本级开关的过流Ⅲ段是本段线路主保护（过流Ⅰ段、过流Ⅱ段）的近后备保护。本级开关的过流Ⅲ段是下段线路主保护（过流Ⅰ段、过流Ⅱ段）的远后备保护。保护动作电流按照躲开本段最大负荷电流来整定，为保证选择性，在电流动作值和动作延时上与上下级各保护配合。保护动作延时必须按照阶梯原则选定，即本级保护动作延时迟于（大于）下级保护动作延时。

2）常规上下级开关过流保护整合配合原理分析

10kV 线路一般设置两段过流保护，如过流Ⅰ和过流Ⅱ的组合或过流Ⅰ和过流Ⅲ的组合。下面分别介绍各配合原理。

（1）过流Ⅰ、Ⅱ段保护整定与配合原理分析。

如图1所示，一条10kV 线路安装3 台开关，开关均配置过流Ⅰ段和过流Ⅱ段。线路的最大运行方式短路电流和最小运行方式短路电流如图中曲线所示。图中画出了过流Ⅰ、Ⅱ段动作电流大小、保护范围、保护动作延时等。

图1 过流Ⅰ、Ⅱ段保护整定与配合原理图

从图1可知，当系统处于最大与最小运行方式之间的任一种方式运行时，对于本开关过流Ⅰ段，它只保护本段，未延伸保护至下段，因此下段或更下段区域短路故障本保护不起动，因此无需与下级各保护配合。本级过流Ⅰ段与上级开关的过流Ⅱ段有共同保护区，但本级过流Ⅰ动作延时较短，较先动作，不会出现越级跳闸的问题。

对于过流Ⅱ，与本级过流Ⅰ保护区重叠，但不存在越级跳闸，与下级开关的过流Ⅰ保护区重叠，但延时大于下级过流Ⅰ，因此不会越级。与下级开关的过流Ⅱ保护区重叠，但延时依然大于下级过流Ⅱ，因此不会越级。

（2）过流Ⅰ、Ⅲ段保护整定与配合原理分析。

与上图线路相同，电流Ⅰ、Ⅲ段保护整定与配合原理图如图2所示。

图2 过流Ⅰ、Ⅲ段保护整定与配合原理图

图2中，配合原理实质同图1分析。保护范围重叠时候，若故障短路电流大于两个以上保护的动作电流值，则依靠各保护的延时大小来决定动作先后，不会出现越级。

2 10kV 案例线路的调查

2.1 10kV 案例线路的基本情况

为突出多台分段开关配合的典型性，我选取榆横公司10kV 马扎梁与10kV 化工线作为本论文研究案例线路。

这两条10kV 线路属于手拉手线路，干线全长近21 公里，导线采用LGJ-120。线路41#、75#、101#、136#、170#、235#杆上安装了ZW20A-12 型开关，配搭FDR-2G 型控制器（如图3所示）。

图3 ZW20A-12 型开关、FDR-2G 控制器

线路上分布约10MVA 负荷。线路开关接线方式如图4所示。

图4 112 马扎梁线与115 化工线的地理接线图

2.2 10kV 案例线路的运行问题

两条10kV 线路电源引至不同的变电站，正常运行方式时，136#开关为断开点。由于检修停电、新用户接入、事故处理等，需要特殊运行方式，如以马扎梁出线开关或化工出线开关为断开点。

调查表明，线路干线较长，开关设置较多，不过开关设备较先进，保护可设置多套定值，但无论运行方式如何改变，线路实际只有1 套保护定值。自运行以来，线路因一些较难抗拒的外力经常发生跳闸，其中越级跳闸尤为突出。

3 10kV 案例线路开关过流保护配合的新策略

3.1 每台开关配置多套定值的策略

因为10kV 手拉手线路在断开点发生变化后，因此通过柱上开关的功率方向、短路电流、负荷情况也会发生变化，如果只有一套保护，就可能出现定值过小或者过大，出现误动，或者死区拒动，或者越级跳闸。

为防止这些问题的出现，就需要10kV 手拉手线路柱上开关需整定多套过流保护定值，运行方式切换后，线路柱上开关的定值也要切换至相应保护定值区，这是一种需要。

随着配网自动化系统的实施，未来后台主站可远程遥调终端FTU 保护定值是发展需要，多套保护定值下载到FTU 后，如果线路发生运行方式调整，则保护定值区自动切换，以保证保护定值的正确性，这是一种趋势。

对于上述10kV 马扎梁线和10kV 化工线，建议各开关至少配置三套定值。01#定值区整定为正常运行方式下，以136#开关为断开点时，为每个开关整定配置一套定值；02#定值区为特殊运行方式下，以马扎梁出线开关为断开点时，为每个开关整定配置一套；03#定值区为特殊运行方式下，以化工出线开关为断开点时，为每个开关整定配置一套；出现其他运行方式时候，灵活为每个开关选择其中1 套定值即可满足要求，如若以170#开关为断开点，则170#之前的开关配置03#定值区，170#之后的开关配置01#定值区。

3.2 三台以下开关保护配合策略与定值计算实例

1）常规上下级开关保护配合策略

以136#开关为断开点时，马扎梁线与化工线每条线路有3 台分段开关需配合，分段开关数量不多，出线开关过流Ⅲ段1100ms 延时延时可供下级3 台分段开关设置合理延时级差，因此，每台分段开关配置过流Ⅰ段和过流Ⅲ段两种保护即可满足要求。

配合原理如前所述常规三段式保护。

2）常规上下级开关保护配合定值计算实例

按照前述常规三段式保护原则，以136#开关为断开点时，01#定值区内各分段开关的定值见表1。

表1 以136#为开关为断开点时01#定值区内 各分段开关定值表

（续）

3.3 四台以上开关保护配合策略与定值计算实例

1）交叉配置过流Ⅱ段与Ⅲ段保护的新策略

以化工出线开关为断开点时，马扎梁线上有6台分段开关。由于马扎梁出线开关过流Ⅲ段延时只有1100ms，若对每级分段开关都设置过流Ⅲ段，则6 台开关动作延时导致延时级差过小，不符合整定规范。所以，经过研究提出新的配置策略，即对每台分段开关均设置过流Ⅰ段，按分段开关位置次序，依次交叉设置过流Ⅱ段和过流Ⅲ段，对于最末级分段开关过流Ⅰ段采用增大过流Ⅰ段灵敏度的方法，即降低其电流动作整定值，以保证其可以保护235#以后线路全长。这样，区分开了动作延时，避免了越级跳闸的出现。其配合原理如图5所示。

图5 交叉配置过流Ⅱ段与Ⅲ段保护的新策略配合原理图

从图中可知，3 台开关的过流Ⅱ段动作时间均为同一级，这样既能保证每台开关都配置主备保护，节约了延时，其动作原理实质同上图所述，依然不会出现越级跳闸。

2）交叉配置过流Ⅱ段与Ⅲ段保护配合定值计算实例

按照上述策略，以化工出线开关为断开点时，马扎梁线6 台分段开关均配置过流Ⅰ段，动作延时均为0s，75#和136#开关配置过流Ⅱ段，动作延时为300ms，41#、101#、170#开关配置过流Ⅲ段，动作延时分别为800ms，550ms，300ms。本级的过流Ⅱ段与下级的过流Ⅰ段配合，过流Ⅱ段电流动作值取下级过流Ⅰ动作值的1.1 倍。据此，算出其各开关的定值见表2。

表2 以化工出线开关为断开点时03#定值区内 各分段开关定值表

以马扎梁出线开关为断开点时，化工线6 台分段开关整定计算方法与上述计算相同。

图6 41-75#线路30%处三相故障电流值及开关动作情况

4 10kV 案例线路保护配合新策略的应用效果检验

由于开关故障概率较小，短时期内运行数据难以说明开关定制合理与否，因此本文采用PSCAD仿真效验。

4.1 建立仿真验证模型

基于上述分析与研究的成果，我们通过PSCAD与Matlab 软件相配合进行了仿真验证。

本节中的所有仿真均设置计时开始200ms 后出现永久性故障，其它延时为正常运行延时。

校验图中的实线为实测电流有效值或者开关动作的信号，虚线为各继电保护装置动作的整定值。

4.2 对开关在各运行方式下保护定值仿真进行检验

下面列出对41#开关在正常运行方式下进行仿真校验结果。

1）41-75#线路30%处发生三相故障的仿真如图6所示。

由图中可以看出，故障处于41#开关过流Ⅰ段范围内，由41#开关的过流Ⅰ段快速切除故障，不会引起上级出线开关的越级误动。

2）41-75#线路80%处发生三相故障的仿真如图7所示。

由图中可以看出，故障发生在41#开关过流Ⅰ段死区范围内，本级开关过流Ⅰ段不动作，由本级开关过流Ⅲ段经过延时动作，切除故障。同时从图中可以看出，不会引起上级出线开关（0#）保护的越级动作。

4.3 开关定值仿真检验结论

基于上述分别以正常运行方式（136#为联络）和非正常运行方式（化工出线开关为联络）的仿真检查结果表明，各个开关保护均具有选择性，能及时切除故障，新的多开关配合策略是可行的。

5 结论

图7 41-75#线路80%处三相故障电流值及开关动作情况

经过研究，本文提出了10kV“手拉手”架空线路多台柱上开关的保护配置和配合策略，并应用电 力系统常用的PSCAD 仿真软件仿真，证明上述策略有效，解决了长期以来由于对“手拉手”线路柱上开关的装置配置、保护计算、保护之间配合策略认识不清楚导致越级事件频发的难题。

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