配电网继电保护配合与故障处理关键技术探究

周琦

（国网江苏省电力有限公司溧阳市供电分公司，江苏溧阳，213300）

1 配电网继电保护配合关键技术

1.1 SFCL与继电保护配合技术

在高电压等级电网运行过程中，短路电流增大问题较大突出，给配电网运行安全稳定性造成了较大威胁，通过将SFCL（Superconductor Fault Current Limiters，超导故障限流器）与继电保护配合，可以有效解决这一问题。SFCL正常运行时阻抗接近于0，在配电网出现故障时阻抗可以迅速提升，将短路电流限制到安全水平内，确保电网安全可靠性。其中基于二代超导带材的电阻型超导限流器的限流完全依赖超导材料物理特性，可靠性较高，在配电网发生故障时，电阻型SFCL可以在短时间内进入高阻态，限制短路电流。但是，在电阻型SFCL接入后，配电网线路固有参数被改变，对配电网现有继电保护动作造成了约束。基于此，为保证配电网短路电流增大故障的顺利解决，应引入电阻型SFCL与配电网继电保护配合技术。

在电阻型SFCL与配电网继电保护配合技术实践过程中，电阻型SFCL对外电路表现为非线性电阻，限流模块为隔离层、基带层、超导层、稳定层组成的串并联结构。

表1 电阻型SFCL结构

根据电阻型SFCL结构，可以标注不同超导带材的控制信号，包括实时电流、总电流、分流电阻、两端电压等。而配电网的继电保护为电流保护模式，根据起动电流、跳闸时间设定值的差异，可以将其划分为限时电流速断、电流速断、过电流保护几种类型。继电保护对外电路表现为电流过量保护，即在流经保护位置电流在整定值以上时，将跳闸信号发送给断路器，及时切断线路。整个过程中，输入信号为线路实时电流，输出则为三段保护动作。根据电流保护的逻辑，可以进行电流整定值、动作时限的调整，满足阶段性电流保护需求。

常规安装电阻型SFCL后，配电网线路电流幅值、波形变化较为显著，极易在配电网发生短路故障时以高阻抗形式串联到故障回路，致使短路等效阻抗大大提升，引发保护配合难题甚至致使保护拒动，延长故障持续时间，增加故障危害。为实现电阻型SFCL与配电网继电保护的协同配合，可以调整电阻型SFCL的参数（超导带材长度、分流电阻）。即分流电阻为1Ω时电阻型SFCL超导带材的长度由200m调整到20m以内，或者将超导带材长度为200m时电阻型SFCL的分流电阻由1Ω调整到0.8Ω及以下，确保电阻型SFCL与继电保护协同配合。

需要注意的是，在电阻型SFCL参数调整时，应从初始值开始有序递减，每调整一次分流电阻，即调整超导带材长度，确定电流I段继电保护动作的最大超导带材长度。进而观察电流I段继电保护动作时0km短路位置超导带材承压，确保超导带材承压安全范围内的最小长度。

1.2 继电保护装置与自动化装置配合技术

继电保护装置与自动化装置配合是智能配电网建设运行过程中关键技术之一，可以缩短事故停电时间，确保电力系统可靠运行。作为智能配电网的重要组成部分，配电自动化不仅可以扩大配电网电力资源供应范围，而且可以实现配电网的高效率、经济化运行。较之常规基于断路器馈线开关的继电保护模式来说，其可以在故障发生后及时判别瞬时性故障、永久性故障，规避基于多级开关保护配合的多级跳闸、越级跳闸问题。

继电保护与自动化装置配合技术包括电流定值+延时级差、保护动作延时级差两种。其中电流定值+延时级差适用于供电半径处于较高水平、分段数处于较低水平的开环运行配电网，其故障位置上游若干分段开关周边短路电流水平差异较为显著；保护动作延时级差适用于供电半径处于较低水平、分段数处于较高水平的开环运行配电网，其故障位置分段开关周边短路电流水平差异不显著。一般继电保护与自动化装置配合实现需要对配电网出线开关、馈线开关设置差异化保护动作延时，出于控制短路电流对系统造成冲击目的，配电网变压器低压侧进线开关过流保护动作在0.5s及以上，此时，继电保护与自动化装置配合的延时就需要小于0.5s。根据时间裕度需求，可以设定出线端保护动作延时为0.20s～0.25s。

以两级级差保护与电压时间型馈线自动化配合为例，将重合器设置在配电网出线开关位置，调整保护动作延时为0.20s～0.25s。进而将电压时间型分段器设置到主干馈线开关位置。同时将配有0.00s保护动作延时时间、0.50s快速重合闸延时时间的断路器设置到分支开关位置。

1.3 继电保护装置与一次设备配合技术

在配电网运行过程中，继电保护装置是二次设备，通过与一次设备配合，可以利用一次设备操作前、操作后两个运行状态明确的特征，提升保护动作的选择性、速动性功能、灵敏性与可靠性。特别是在设备由旁路开关转带时，通过先投继电保护后送一次设备，配合零序保护、纵联保护、差动保护切换，可以缩短旁路开关、被带开关并列时间，顺利发挥继电保护系统对一次系统的支持功效。

1.4 上级继电保护与下级继电保护配合技术

在配电网运行过程中，上级继电保护、下级继电保护配合较为常见，即在下一级配电元件、线路出现故障时，故障线路、元件所在级别的继电保护定植可以与上一级电力线路、元件的继电保护整定值配合，有选择性地切除配电网故障。在配电网上级继电保护与下级继电保护配合过程中，需要借助多级3段式过流保护配合技术，顺利区分两相短路、三相短路配置定植差异，提高故障处理性能。在多级3段式过流保护配合技术应用过程中，可忽略上级继电保护、下级继电保护之间的配合关系，而是立足动作时限，结合I段保护配合、II段跋扈配合灵敏度要求，确定保护定值，规避传统基于线路末端三相短路电流整定的两相间短路范围保护不明问题。

根据配电网线路结构的差异，多级3段式过流保护的配置也具有一定差异。对于辐射状线路，保护配置级数判定依据是供电半径、最小馈线长度对比值；而对于类似手拉手环状配电的多供电途径配电线路，需要在考虑一侧馈线转带对侧馈线负荷的情况下，结合非正常运行状态下联络开关合闸引发的被转带侧馈线潮流变更情况，进行故障功率方向元件的配置，根据线路故障功率方向区别，进行基于正常运行的正向定值、基于异常运行的反向定值设置。

2 基于配电网继电保护配合的故障处理

2.1 基于SFCL与继电保护配合的故障处理

基于SFCL与继电保护配合的故障处理流程如下。

如图1所示，根据电阻型SFCL的限流优势，调整SFCL分流电阻小于0.8Ω。此时，在配电网直流侧短路故障发生后，SFCL暂时不启动，先由继电保护启动，在延时时间内发送重合闸信号，若常规继电保护无法切除故障，则运行SFCL，促使SFCL串联故障回路，短时间内提升短路等效阻抗，限制故障电流上升率，确保端口发生瞬时双极短路时全部换流站不必所，顺利完成整个配电网故障清除。

图1 基于SFCL与继电保护配合的故障处理流程

若配电网系统发生永久性故障，则电阻型SFCL与继电保护配合仅切除故障区域，其他区域在短暂扰动后仍然会沿着预先设定的策略恢复正常运行，不会对整个配电网造成影响。同时重合闸失败，SFCL会再次启动，限制故障电流上升，规避因重合闸失败而引发的全线路崩溃问题。

2.2 基于继电保护装置与自动化装置配合的故障处理

2.2.1 主干线故障

在主干线发生故障后，若主干线为全架空馈线，则基于继电保护装置与自动化装置配合的故障处理流程如下：

如图2所示，在全架空馈线主干线故障发生后，变电站出线断路器会发出跳闸指令，切断故障电流。经0.50s延时后，出线断路器重合。若出线断路器顺利重合，则表明主干线故障为瞬时性故障，相关故障信息可以存入配电自动化装置终端瞬时性故障处理记录；若线断路器无法顺利重合，则表明主干线故障为永久性故障，自动化装置会遥控故障区域周边开关分闸，将故障区域隔离。进而遥控出线断路器、联络开关合闸，恢复无故障区域供电，并将信息存入永久性故障处理记录。

图2 基于继电保护装置与自动化装置配合的故障处理流程

若主干线为全电缆馈线，则其故障均为永久性故障，出线断路器会在故障发生后发送跳闸命令切断故障电流。与此同时，主站自自动化装置收集终端上报各开关故障信息，确定故障位置，并远程控制环网柜故障区域周边开关分闸，将故障区域隔离。进而远程控制出线断路器、环网柜联络开关合闸，促使非故障区域电力资源供应恢复，并在永久性故障处理记录内存储记录。

2.2.2 分支线路故障

在分支线路发生故障时，相应分支线路继电保护装置会第一时间发出跳闸命令，经过0.50s延时后重合。若相应支线故障为暂时性故障，自动化装置可以及时识别，确保电力资源在短时间内恢复供应；若相应支线故障为永久性故障，则自动化装置可以及时识别，配合继电保护装置再次跳开并闭锁在分闸状态下隔离故障，避免支线故障后全线停电问题出现。

2.3 基于继电保护装置与一次设备配合的故障处理

2.3.1 差动保护误动作

在配电网用旁路开关转变主变开关操作中，差动保护退出时间早于转带停止以及主变开关恢复，接入B相开关后，差动保护误动作，延时30s打印变位信息。针对这一问题，应根据闭锁式高频保护为重点，在纵联保护为两侧电流不统一且负荷电流与分流差较大的电流差动保护模式时，先退出电流差动保护，切换至旁路后，将被转带开关转入备用，再次投入保护。

2.3.2 启动保护失灵

在配电网启动机组过程中，主开关处于分位，而合上机组侧刀闸时开关C相触头未断开，引发机组保护启动失灵，造成启备变与高压联络线对侧跳闸，全线中断。为解决上述故障，除了按顺序操作刀闸、开关外（先断开线路两侧开关后断开母线侧刀闸），还需要在合刀闸前对开关操作电源进行检查，确定电源、失灵启动电源正常后，等待继电保护装置自检转入正常程序，进而合母线侧刀闸与线路侧开关，规避开关未断位导致的继电保护启动指令问题。

2.4 基于上级继电保护与下级继电保护配合的故障处理

2.4.1 分支断路器下游两相相间短路

在配电网局部分支断路器下游出现两相相间短路故障时，分支断路器可与变电站出线断路器形成单纯延时时间级差部分配合模式——2级0.00s延时级差保护配合。在该配合模式中，局部分支线采用III段保护，出线断路器采用I段保护和III段保护，局部分支线III段保护可以与出线断路器III段保护配合，借助III段保护在短时间内切除近端故障，避免分支故障干扰主干线运行。

2.4.2 分支开关下游三相相间短路

在分支开关下游出现三相相间短路故障时，因次分支开关、分支开关过流保护延时为0.00s，故障检测时间、中间继电器驱动时间在0.03s左右。此时，借助出线断路器端配置的保护定值（局部分支断路器电流定值为240A，延时时间为0.00s），可以在0.20s～0.80s之间驱动断路器完成分闸，顺利切除故障电流。