20kV闭环运行配电网的快速电流保护方案

金恩淑，张 恺，扈佃爱，许 晶，李 登，金雨薇，余 舟

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网日照供电公司，山东 日照 276800)

20kV闭环运行配电网的快速电流保护方案

金恩淑1，张 恺1，扈佃爱2，许 晶1，李 登1，金雨薇1，余 舟1

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网日照供电公司，山东 日照 276800)

在20 kV闭环运行的配电网中，由于供电密度大、环网长度短且采用电缆供电，导致传统电流保护难以满足。针对上述特点，提出了一种20 kV配电网合环运行无通道保护新方法。该方法根据本端相电流的变化来判别对端断路器的动作状态，并通过加速保护的时间配置来确定故障区间，最终实现本端保护相继动作。通过PSCAD/EMTDC仿真,验证了该方法的可靠性与速动性。

20 kV配电网；闭环运行；无通道保护；相继动作

目前，随着负荷密度的不断提高，10 kV配电网供电能力已难以适应我国经济发展的需要，将现有的10 kV配电网升压为20 kV的技术改造在一些试点城市已经投入运行，例如苏州、广州中新知识城、辽宁本溪等地配电网均开始采用20 kV电压等级[1]。20 kV配电网设备价格、征地支出与10 kV配电网相差不多，以20 kV作为中压配电电压，不但可以简化变电层次、减小线路损耗、增强供电能力，而且还能节省投资，因此配电网采用20 kV电压等级是未来配电网发展的趋势[2-4]。

20 kV配电网一般采用合环运行方式，用户从线路的两个方向获得电源，具有较高的供电连续性和可靠性，并满足分布式电源的友好接入。目前，20 kV闭环运行的配电网一般采用两种保护配置方案。一种是配置电流保护[5]，主要采用电流瞬时速断、过电流保护、零序电流Ⅰ段和零序电流Ⅱ段相配合，但是对于复杂的环形配电网，由于短路电流大且故障切除时间长，很难满足环网的需要；另外一种是配置差动保护[6-7]，虽然差动保护能够解决母线和线路保护的选择性问题，但要求通信系统具有非常高的可靠性，建设、维护费用高昂，且需要另外配置后备保护，不适用于配电网。

近年来，无通道保护技术已在10 kV配电线路上得到了广泛的应用，该保护构成简单，能十分准确地判别故障区间。开环运行的10 kV配电网一般为“闭环设计，开环运行”，通过检测非故障相电流差值加速保护动作，但这种方法不能识别对称短路[8-11]；而闭环运行的20 kV配电网电气联系紧密，线路阻抗小，当发生对称短路时，短路电流高达20 kA，必须尽快切除短路，因此10 kV配电网无通道保护方案在20 kV配电网已不再适用。针对上述问题，本文以中新广州知识城20 kV花瓣状供电模型为基础进行仿真分析，并根据20 kV配电网的特点，提出了一种20 kV配电网合环运行无通道保护的新方法。该方法灵敏度高，且在20 kV配电网合环运行时能可靠地加速保护动作，减小短路故障的影响。

图1 中新广州知识城花瓣状供电模型

1 中新广州知识城20 kV花瓣状供电模型

中新广州知识城花瓣状供电模型,如图1所示。变电站每两回20 kV馈线构成环网，形成花瓣状结构，称为花瓣状供电模型。联络点通常处于常开状态，20 kV环网部分闭环运行。花瓣中任何设备“N-1”都不影响其他设备正常供电。花瓣状供电模型包括220 kV主网、20 kV主环、20 kV分支线路三部分[12]，本文主要分析20 kV主环。

花瓣状供电结构是以变电站为中心的多个“花瓣”构成。当某一段线路发生短路故障时，继电保护装置动作断开故障线路两端断路器，由环网内其他段继续向用户供电，提高了供电的可靠性[13]。在短路故障情况下，为保证一条回路能够带动整个“花瓣”的负荷，正常运行方式下，线路利用率一般要低于50%[14]。本文以其中一个“花瓣”，即一个环网进行理论分析和仿真验证。

2 20 kV配电网合环运行无通道保护新方法

2.1 保护的启动算法

闭环运行的20 kV配电网系统图，如图2所示。闭环运行且当线路FA的f3处发生短路故障时，保护R1、R7均靠近电源侧，通过方向过电流继电器均能检测到电流突变而动作，线路FA退出运行，闭环运行的配电网变为开环运行。若此时f2处短路，由于保护R2靠近负荷侧，其方向过电流继电器将检测不到短路电流，但保护R2所在母线电压将降低。因此为了保证再次发生短路后位于负荷侧的保护能检测到故障，需在母线处加装低电压继电器[15]。

图2 闭环运行的20 kV配电网

由上述分析可得，保护的启动判据如公式(1)和公式(2)所示。

I(k)/I(k-n)>α，

(1)

U(k)<β，

(2)

式中：k为采样时间；n为一个周期采样点数；α、β为启动判据动作的门槛值。

公式(1)为电源侧保护启动判据，I(k)/I(k-n)为相电流一个周期前后采样值的比值，为了躲开正常负荷投切所带来的影响并满足保护的灵敏度，一般情况下，α取为2；公式(2)为负荷侧保护启动判据，U(k)为故障相母线电压，短路故障后降为0 kV，因此动作门槛值β应接近0。

2.2 加速保护原理与算法

如图2所示，R1、R2、R3、R4、R5、R6为一组过电流保护，它们的动作时限分别整定为1.6 s、1.3 s、1.0 s、0.7 s、0.4 s、0.1 s；R7、R8、R9、R10、R11、R12为另一组过电流保护，它们的动作时限分别整定为0.1 s、0.4 s、0.7 s、1.0 s、1.3 s、1.6 s，所有过电流保护均加装方向元件。在同一段线路中，时间整定值小的保护不配置无通道保护，如R4、R5、R6、R7、R8、R9；时间整定值大的保护需配置无通道保护，如R1、R2、R3、R10、R11、R12。短路后，传统保护先跳闸，被加速的保护在检测到对端保护动作后加速本端保护相继动作，加速时间整定如表1所示。

20 kV配电网采用电缆线路，其阻抗远小于架空线路；而且20 kV配电网电气联系紧密，环网长度短，因此线路阻抗小于系统阻抗。这就使得短路故障后，一端保护跳闸，从对端线路流入短路点的短路电流将明显增大。例如f2处发生短路后，R8在0.4 s跳闸，此时流过R2的短路电流必然增大；同时由于保护R8跳开，流过保护R2的正常相负荷电流减小到0 A。通过上述分析可以看出，闭环运行的20 kV配电网在对端断路器切除后，可检测到流过本端保护的各相电流均发生突变，通过设置相应的加速时间段(见表1)，最终可加速本端保护动作。

表1 被加速保护的时间配置

图3 保护流程图

加速保护判据如公式(3)所示。

(3)

其中：I(k)、I(k-n)分别表示相电流一个周期前后的采样值；γ为突变量门槛值，为防止短路故障时小负荷投切带来的扰动，γ可取为本段线路负荷电流的一半。

只要有一相电流突变值满足公式(3)且满足表1中的加速时间，则加速保护动作。保护的流程图，如图3所示。

3 仿真结果与分析

本文以中新广州知识城20 kV环网为例(如图2所示)，利用PSCAD/EMTDC进行仿真验证。环网采用纯电缆线路，线路参数如下：r1=0.259 Ω/km，x1=0.093 Ω/km；线路长度分别为LFA=2 km，LAB=1 km，LBC=1.5 km，LCD=1.5k m，LDE=2 km，LEF=1 km；分配于20 kV主环的5个节点A-E的负荷分别5.75+j2.9 MVA、5.75+j2.9 MVA、2+j0.9 MVA、2+j0.9 MVA、2+j0.9 MVA。由于20 kV侧为纯电缆线路，发生的短路故障基本为低阻接地[16]。因此，所有算例均假设系统在1 s时刻发生短路。

3.1 闭环运行——线路BC末端f1处发生A相短路接地

图4由上至下分别为保护R9、R3各相电流及R3各相电流突变值。当1 s时刻f1处发生A相短路接地故障后，保护R1、R2、R3及保护R9、R10、R11、R12均将启动。由图4(a)所示，由于保护R9的动作时限最短，R9的过电流保护在1.7 s时刻最先切除故障，此时保护R10、R11、R12不会再检测到短路故障，均正确返回；由图4(b)、图4(c)所示，R9跳开后，流过保护R3的短路电流和正常相电流均发生突变，在加速时间段1.7 s-1.8 s内，只有保护R3仍能检测到短路存在且相电流采样值突变量大于门槛值，进而加速跳开断路器，将短路故障快速隔离。由分析可知，所有算例中，当线路BC发生短路故障时，切除故障时间最长，需0.8 s。

图4 线路BC发生A相短路保护R9、R3的响应 图5 线路AB发生BC两相短路保护R2的响应

3.2 开环运行(线路FA退出运行)——线路AB出口f2处发生BC相间短路

图5由上至下分别为母线A处各相电压、R2各相电流及R2各相电流突变值。线路FA退出运行，配电网由闭环变为开环，在1 s时刻f2处发生BC相间短路故障，由图5(a) 、图5(b)所示，负荷侧方向过电流保护R2将检测不到短路电流，仅能通过检测A母线B、C相电压来正确启动保护R2；同时电源侧保护R8、R9、R10、R11、R12均检测到故障相电流突变，保护均启动。由于保护R8的整定时间最短，最先动作，保护R8动作后，保护R9、R10、R11、R12检测不到短路电流，保护均正确返回。由图5(c) 所示，在1.4 s-1.5 s只有保护R2仍能检测到短路存在，且A相电流突变量大于门槛值，满足相应的加速条件，进而加速跳开保护R2，将短路故障快速隔离。

由上述仿真可以看出，在开环运行时发生不对称短路故障，无通道保护均能正确动作，且动作时间明显缩短。但在开环运行时发生对称短路故障，由于此时没有健全相且故障相电流无突变量，加速保护无法识别，只能按正常动作时间切除对称短路故障。

3.3 闭环运行——线路FA出口f3处发生三相短路

图6为保护R1的A相电流局部放大图及R1各相电流突变值。由图6(a)、图6(b)所示，在1.1 s保护R7动作后，流过保护R1的A相短路电流增大近2 kA(B、C相短路电流类似于A相)，在1.1 s-1.2 s加速保护检测到对端断路器动作，并在短路后0.2 s加速保护正确动作，切除短路故障的时间整整缩短了1.4 s。而保护R2和保护R3在相应的加速时间段内，已检测不到短路存在，因此保护R2、R3不会误动并能正确返回。

图6 线路FA发生三相短路保护R1的响应

3.4 分布式电源接入对无通道保护的影响

分别在短路点f1、f2、f3处上、下游接入30 MW的分布式电源，通过仿真分析发现：接入30 MW分布式电源后，加速保护仍能正确动作。由于上述搭建的仿真系统比实际的供电系统简单许多，为了可靠躲过正常电流扰动的影响，门槛值可适当增大，虽然可使保护灵敏度降低，但是对于传统的过电流保护仍能正确动作。本文提出的无通道保护方案，对于提高20 kV配电网保护的性能仍能起到十分重要的作用。

4 结束语

目前，我国配电网有从10 kV向20 kV过渡的趋势，相关的继电保护也应完善。本文提出了一种针对20kV配电网闭环运行的无通道保护新方法，即根据本端相电流的变化来判别对端断路器的动作状态，并通过加速保护的时间配置来确定故障区间。该方法克服了无通道保护不能识别对称短路故障的弊端，为无通道保护在20 kV配电网的实际应用奠定了基础。

理论分析和仿真结果表明：对于一个拥有6段线路的环形20 kV配电网，任意位置故障最大切除时间均不超过0.8 s。

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A Fast Current Protection Scheme for 20kV Closed-loop Distribution Network

Jin Enshu1，Zhang Kai1，Hu Dianai2，Xu Jing1，Li Deng1，Jin Yuwei1，Yu Zhou1

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Rizhao Power Supply Company，Rizhao Shangdong 276800)

In 20kV closed-loop distribution network，due to it has a great power supply density and short power cable line，leading to conventional current protection cannot meet the requirements of it.According to the characteristics of 20kV distribution network，we propose a new non-communication protection method.By comparing the local changing of the phase current value to judge status of the remote breaker and time configuration of the accelerated protection to confirm the fault zone，and then accelerated trip of the local breaker.And closed-loop distribution network occurs symmetrical fault can be chopped reliably.By PSCAD/EMTDC simulation shows non-communication protection method reliability and speed.

20kV distribution network；Closed-loop；Non-communication protection；Successive action

2016-06-01

金恩淑(1972-)，女，博士，教授，主要研究方向：电力系统继电保护.

1005-2992(2017)04-0008-06

TP29

A

电子邮箱： jes222@aliyun.com(金恩淑)；1316332872@qq.com(张恺)；546937909@qq.com(扈佃爱)；1554051887@qq.com(许晶)；358294081@qq.com(李登)；747174371@qq.com(金雨薇)；261025041@qq.com(余舟)