配电自动化模式下配电网保护的模式选择和整定计算

李 斌，单中闯，闫志强，赵 卓,辛璐璐

(国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114000)

基于当前配电网继电保护的配置情况、配电自动化设备的实际布局[1-2]以及配电网网架[3]的实际配置情况，对配电网进行短路电流计算，利用短路电流数据配置继电保护，发挥配电自动化的作用，促进和完善智能配电网的建设[4]。

1 配电网现阶段继电保护配置情况

配电网保护包括线路出口三段式电流保护、配电变压器限流熔断器保护、线路跌落式开关保护以及负荷出线微机保护。变电站10 kV线路出口通常配置0 s速断保护、0.15 s延时的限时速断保护、过流保护和过负荷保护，而速断保护定值通常可以保护线路全长，造成保护越级跳闸，扩大停电范围。

根据本文选取的2条10 kV线路，查询对应的变电站出口继电保护定值，全电缆线路出口保护定值如表1所示，架空线路出口保护定值如表2所示。

表1 10 kV全电缆线路出口保护定值

表2 10 kV架空线路出口保护定值

全电缆线路出口保护电流互感器变比为600/5，架空线路出口保护电流互感器变比为800/5，电缆线路未配置重合闸，架空线路配置三相一次不对应重合闸，重合闸时间为2 s。

2 配电网短路电流计算

2.1 配电网短路电流计算方法的确定

配电网短路电流计算有近似计算和计算机算法2种[5]，近似计算的条件为假定线路三相参数对称并且忽略负荷、线路分布电容的影响及其并联补偿电容器的影响。由于近似计算公式简单，便于工程实际计算，同时考虑到配电网短路电流计算数据的获取程度、配电网继电保护和自动化的实际配置情况，利用配电网短路电流的近似计算方法完全可以满足配电自动化设备的继电保护整定计算以及与上级继电保护的配合。配电线路三相稳态短路电流的计算公式为

(1)

式中：UN为系统额定电压；c为电压系数，电压等级为10 kV时电压系数的取值如表3所示，cUN为系统等效电压源电压；Zs1为变电站中压母线后的系统正序阻抗；ZL1为变电站母线到故障点之间的线路与参考地构成回路的正序阻抗；Rk为故障电阻。10 kV配电网额定短路容量为100～500 MVA，三相短路电流的有效值为6～30 kA，系统正序阻抗值为0.2～1 Ω。

表3 10 kV电压等级电压系数

当最小短路电流发生在两相短路时，其短路电流是三相短路电流的0.86倍，根据计算最大最小短路电流时的电压系数可知，在10 kV配电网中，同一运行方式下，最小短路电流是最大短路电流的0.78倍。

2.2 配电网实例系统参数

本文以实际10 kV配电线路`为依据，选取不同网架结构的配电网，进行短路电流计算，为继电保护的整定计算、配电自动化设备的合理化布局以及继电保护保护配合奠定基础。为保证继电保护整定方案的全面性、系统性和代表性，抓取典型配电线路数据进行计算。

2.2.1 10 kV全电缆线路

本文选取的10 kV全电缆线路有1-10号共计10个环网单元，5号、6号、9号、10号为DTU自动化环网柜，8号环网单元所带负荷为小区开关站，电缆型号为YJLV22-3×240×2，电缆长度为450 m，开关站配出线路至一至六组环网单元，环网单元配出线路至变压器，具体线路长度和电缆型号如图1所示。

图1 系统接线图

自动化环网柜均为2进2出，进线为负荷开关出线为断路器，其中1号、3号、7号装有远传型故障指示器[6]。线路计算参数如表4所示。

表4 全电缆线路参数

2.2.2 10 kV架空线路

本文选取的10 kV架空线路，1号杆、16加1号杆、49号杆、52号杆、90号杆、101号杆装有柱上开关，其中101号杆柱上开关为联络开关，以及48号有分歧线路，同时在分歧线路的1号首端装有柱上开关。目前为止16加1号柱上开关为自动化三遥开关，分歧线路的1号三遥开关，柱上开关为架空线路相关参数如表5所示。

表5 架空线路参数

2.3 配电网短路电流计算

根据配电网短路电流计算方法分别计算全电缆线路和架空线路的短路电流，10 kV全电缆线路所在系统，最大运行方式下系统阻抗为0.157 Ω，最小运行方式下系统阻抗为0.313 Ω，正常运行方式下，系统变压器采用分裂方式运行，在主变检修状态下，两段10 kV母线由1台主变压器运行，因此在计算短路时系统阻抗选择最小运行方式下的阻抗。此处计算忽略故障电阻，10 kV全电缆线路短路电流计算结果如表6所示，10 kV架空线路短路电流计算结果如表7所示。

表6 10 kV全电缆线路短路电流值 kA

表7 10 kV架空线路短路电流值 kA

由于选取的10 kV全电缆线路和10 kV架空线路隶属不同的66 kV变电站，10 kV架空线路最大运行方式下系统阻抗为0.157 Ω，最小运行方式下系统阻抗为0.313 Ω。

3 配电网继电保护整定计算

本文根据全电缆线路和架空线路短路电流数据进行继电保护整定计算，利用三段电流式保护[7]，同时考虑到实际线路的复杂性，为满足配电网保护的可靠性、速动性、选择性和灵敏性，还要结合重合闸保护方式、架空线路FTU逻辑判断保护模式[8]，通过相关整定计算，得出配电网继电保护的相关规律。

3.1 配电网继电保护整定方法

DTU终端配置三段式电流保护，FTU终端配置三段式电流保护以及逻辑顺序重合闸模式，由于逻辑顺序重合闸模式的设定较为简单，而且此类保护需要多次重合闸配合，增加了敏感电力用户的停电感知[9]。本文针对基于短路电流计算的三段式保护进行研究，同时为了充分发挥自动化开关对配电网的保护作用，研究制定一种综合性的保护方案。三段式电流保护包括瞬时电流速断保护、限时电流速断保护、定时限过电流保护，FTU的保护除了常规三段式电流保护外，还有选线模式和选段模式。考虑到66 kV变电站配出10 kV线路数量规模大，同一变电站不同的10 kV线路参数也有很大差别，并且考虑与现有变电站保护配置和整定的配合难度，在不改变变电站继电保护配置和整定的基础上，提出一种适用于10 kV线路配电自动化配电网中的继电保护配置和整定方法。

3.2 实际线路继电保护定值整定

架空线路继电保护整定：根据选取的实际架空线路自动化开关配置情况，结合配电自动化继电保护对自动化设备布局的要求，提出现有线路配电自动化设备的合理优化布局方式。全架空线路中，应将主干线路分为三段配置自动化设备，联络处装设自动化开关，分歧线路首端装设自动化开关。

根据三段式电流保护的特点，对架空线路保护定值进行整定，第一种方法是退出线路出口瞬时速断保护，保留其他保护形式，整定结果为变电站出口保护配置：将瞬时速断保护退出，将限时电流速断保护时限提高为0.3 s，尽量减少对变电站整定值的修改。16加1号开关速断定值为9.06 kA，限时电流速断为5.25 kA，时限为0.15 s，过负荷定值为610 A，时间为6 s。分歧线路速断定值为4 kA，过负荷定值为610 A，时间为3 s。52号自动化开关速断定值为3.5 kA，过负荷定值为610 A，时间为3 s。自动化开关设置二次重合闸，一次重合闸时间为1 s，二次重合闸时间为3 s。

架空线路三段式电流保护的第二种方法是保留线路出口保护配置，根据短路电流计算结果提高出口保护定值，组成各级线路的三段式电流保护的分级配合。具体整定结果为52号开关的瞬时速断保护定值设为3.77 kA，瞬时速断保护时限为0 s，用以保护52号开关以后线路全段，过电流保护定值设为910 A，过电流保护时限为1.0 s；16加1号开关瞬时电流保护需要躲开分歧线路故障电流，因此设为8.31 kA，瞬时速断保护时限为0 s，限时速断保护考虑到保护16号至52号线路，定值设为5.26 kA，限时速断保护时限设为0.15 s，过电流保护定值设为910 A，过电流保护时限为1.5 s；分歧线路瞬时速断保护定值设为4.16 kA，瞬时速断保护时限为0 s，过电流保护定值设为910 A，过电流保护时限为1.0 s；变电站出口瞬时速断保护定值为14.52 kA，瞬时速断保护时限为0 s，限时速断保护定值为9.97 kA，限时速断保护时限设为0.15 s，过电流保护定值设为910 A，过电流保护时限为2 s。自动化开关设置二次重合闸，一次重合闸时间为1 s，二次重合闸时间为3 s。

分析第一种和第二种保护整定的结果，第二种整定方案更为合理，线路出口故障时，故障电流对设备的冲击和影响更小[10]，能够更快的切断故障电流。

电缆线路继电保护整定分两种情况，一种是开关站同样配置自动化设备或者采用断路器微机保护装置[11]，此时的整定计算结果为：8号环网柜至开闭所高压柜保护装置整定值速断4.807 kA，限时速断保护定值为3.278 kA，时间为0.15 s，开关站出线间隔保护装置定值为速断保护定值为2.8 kA，过负荷定值为400 A，时间为3 s。变电站出口定值，退出速断保护，将限时电流速断时间提高到0.30 s。第二种情况是开关站无微机保护装置，开关站及下属设备配置高分段能力的熔断器。8号环网柜至开闭所高压柜保护装置整定值为速断4.807 kA，瞬时速断保护时限设为0 s，变电站出口定值，退出速断保护，限时电流速断时间为0.15 s。

当变压器保护和开关站出线保护采用熔断器进行保护时，需要对熔断器动作时间进行检验[12]，熔断器的动作时间需要与上级继电保护时间相配合，确保各级保护能正确动作，避免故障时保护越级动作。熔断器采用K型熔断件，只需要校验开关站出线柜熔断件在最小短路电流下的动作时间即可。630 kVA变压器配置额定电流为65 A的熔断件，开关站配置100 A的熔断件，只需要对此进行校验即可，当五组环网单元线路末端发生两相短路电流时，短路电流最小为2.98 kA，100 A的熔断件在2.98 kA时弧前时间为0.03 s，再加上几十毫秒的燃弧时间，故障可在0.1 s内切除。

4 配电网继电保护方案确定

目前配电网的继电保护配置，只在线路出口配置保护，并且配置重合闸，对于绝大多数故障都可利用线路重合闸躲开故障，在几秒内就可以恢复全线路送电，对于全电缆线路，由于不配置线路重合闸，因此在故障跳闸时，线路跳闸失电，直至人员巡视到故障时，隔离故障恢复非故障部分线路。

基于三段式电流保护的保护整定，在短路电流计算中相关数据的不确定性，包括系统阻抗，会随着66 kV变电站运行方式的改变而改变，配电网中线路数据的准确性，故障时故障点的故障电阻都会对短路电流的准确性产生影响，对继电保护的整定计算带来困难。

目前架空线路自动化设备保护模式包括逻辑动作模式和电流三段式保护，逻辑动作模式需要线路出口配置多次重合闸用以隔离故障区域恢复非故障区域的供电，针对瞬时故障，逻辑动作模式反而增加了二次重合闸，延长了停电时间，同时对于三分段多联络的配电网网架结构，逻辑时间配合较为复杂。根据以上情况并结合实际线路配置，提出如图2所示的架空线路保护方案，具体方案是线路出口断路器、1号三遥FTU柱上开关、2号三遥FTU柱上开关分别配置瞬时速断保护、限时速断保护和过流保护，各级保护相互配合。结合网架优化和自动化设备的合理布局，本级线路分歧线路的首端不应包含在本级瞬时速断保护范围内。如果线路改造有困难，而且分歧线路距离本级线路首端距离过近，则本级线路首端自动化开关配置为选段模式，上级线路首端自动化开关配置为选线模式，即当本级线路发生故障时，牺牲本级线路的选择性，上级线路自动化开关动作，由于配置了选线模式和选段模式[13]，上级线路经过一段时间延时后自动合闸，本级线路检测到电压，来电延时合闸，若故障发生在本级线路主干，本级线路失压分闸，本级开关闭锁，上级线路开关重合，经过一定时间延时，本级开关分歧线路的联络开关重合，恢复对非故障区域的供电。

图2 架空线路保护整定方案

对于电缆线路，自动化设备的配置方案如图3所示，线路出口断路器配置0.15 s限时速断保护，用于保护线路主干，各环网柜配出线路采用瞬时速断保护，其余配置如实例中配置即可。

图3 电缆线路保护整定方案

5 结束语

针对自动化设备的布局要求，自动化设备的合理使用和布局应在配电网网架坚强结构合理的基础上，并结合配电网短路电流分布和线路结构合理配置。本文就实际情况进行短路电流计算，并进行继电保护的定值配置，同时针对保护方式的要求，对自动化设备的合理布局进行探讨，提出一种基于自动化设备合理布局以及合理配置的配电网三段式保护方案，以供参考。