阶段电流保护在10kV线路中分析与应用

2023-10-18国网黑龙江省电力有限公司齐齐哈尔供电公司张延福

电力设备管理 2023年18期

关键词：等值重合短路

国网黑龙江省电力有限公司齐齐哈尔供电公司张延福

短路电流是整定计算的基础，其是由各序分量依据对称分量法计算而成故障量，依据电力系统短路故障电流分析，当供电系统产生三相相间故障发生短路时[1]，短路电流的计算公式如下：

公式（1）中EΦ表示电源的电动势；Zd表示故障点到保护安装位置短路阻抗；Zd.min表示在大运行方式下系统最小等值电源阻抗。

供电系统大方式表示是电源点到短路故障位置等值阻抗最小而短路电流最大的方式，供电系统小方式原理相反表示，是电源点到短路故障位置等值阻抗最大而短路电流最小的方式。

10kV线路短路电流的大小将随故障点位置的远近而变化，当故障点远离电源时系统等值阻抗较大计算短路电流较小，其短路电流与位置关系如图1所示，成反比例曲线，当等值电源及系统故障方式改变时，短路电流将随之变化。

图1 电流变化曲线

1 配电网特点

配电网电流保护的传统原理是通过电流值及时间值使保护动作，目前我国大力发展新能源发电，致使配电网存在一些问题，如配网使用线路很短、级联开关、柱上开关及环网柜较多，致使电流保护原理难以满足城市配网发展需要，因此对阶段电流保护原理和整定计算的配合提出更多要求，如一旦线路发生故障，电流保护不能快速选择性切除故障，致使频繁停电增加居民用户的损失，使人民电力获得感降低[2]。

配网短路故障多是不可预见性随时随地都可发生的，其主要特点为：故障发生时往往伴随多级开关跳闸或是越级停电现象，主要由于短路电流计算时分段电流保护配置不全所致，其次当线路发生故障时抢救不及时、技术方法不娴熟导致故障并未完全排除再次送电，致使用户多次停电降低用电可靠性。对此，对于完善配电网整定计算原理、提高故障定位能力提出更高要求。

当短路故障发生时，要使短路电流对电力系统冲击最小，故障点最近的保护能第一时间跳闸切除短路电流，往往选择断路器作为10kV线路的馈线开关，但是城区配网发生故障时，是由多方面原因造成的如同杆架设多条线路伴随着多级跳闸的问题，导致不能快速识别故障产生的原因和类型，如一条线路瞬时性故障搭接到另一条线路或者是单条线路永久性故障。

配电网是电力传输到城区最终分配线路，电力设备简单，结构多为放射性布局，层级分布，当配网线路发生异常运行状态时，保护装置能迅速反应突变量变化判断故障状态的发生，但整定计算定值设置的不合理可导致保护的误动及拒动，整定计算定值是继电保护装置保护电网安全运行的最后一道屏障起着至关重要的作用，由于配电网建设的薄弱，对配电继保配合及整定计算方案制定提出更高的要求，保障配网高质量运行[3]。

我国对一次电网的设计与可研方面大多数重视发电及输电和变电的建设，往往轻视配电网对城区供电的需求，传统配电网构建形式为线路从变电站低压侧母线出线柜引出，经杆塔专供给用户的专用线路和经T接及环网柜拉手的公用负荷线路，多为辐射型单电源供电线路，在电源侧安装线路保护，保护原理为三段式电路保护，分别为电流速断保护、瞬时电流速断保护及过电流保护，由于城区配网多为瞬时性故障，所以保护自带重合闸功能。现如今，我国城市配电网故障自愈能力多数依靠自动重合闸装置，配网线路只重合一次，重合不成功线路三跳，这样通过重合闸纠正能力对多T接线路及串联线路实现故障点的判断，提升城区配网自适应能力。

2 重合闸

在配网继电保护装置中自动重合闸是其主要功能之一，其目的是当配网线路发生短路故障时将断路器跳开，保护装置通过此功能重合断路器，减少瞬时性故障对供电可靠性的影响。配网线路中80%以上故障都为非永久性故障，多数发生为鸟害或者树木危害，以及空中物体挂在线路上等问题，引起电流增大保护装置判断跳闸，但此种情况多数为瞬时发生，并非影响线路绝缘水平，故障会瞬时消失，所以需要保护装置自行重合开关送电，这样减少供电员工因查找短路问题而影响送电时间，提高电网的供电能力[4]。

自动重合闸应用到配网线路中主要为三相一次重合闸，除了可以重合瞬时线路引起的故障，还可重合因开关机构内部问题或保护偷跳引起开关误动而重合，其主要工作原理如图2所示。

图2 重合闸工作原理

图中重合闸启动原理为保护跳闸启动和开关偷跳通过TWJ位置继电器启动，经过延时时间t重合闸出口动作，断路器合闸。

3 阶段电保护

3.1 电流速断保护

对于电流快速增大而保护零秒动作的瞬时电流保护，由于其具有选择性，只能保护线路的一部分，其整定方式为躲本线路末端故障大方式下最大短路电流[5]，其公式为：

公式（2）中：Krel为可靠系数，其取值感应保护时1.5，电磁保护时1.3。

因为电流速断保护只能保护部分线路，所以用保护范围来反应速断的灵敏性，最小的保护范围为系统等值阻抗最大时两相相间短路的情况，其保护范围为全线路的15%～20%的长度。其公式如下：

最大保护范围为：

3.2 延时电流速断保护

因为电流速断保护只能保护部分线路，当线路末端发生故障时不能快速切除故障，进而引出一段时间△t的延时电流保护作为电流速断保护的后备保护，当线路故障超出电流速断的保护范围时，延时电流速断保护可以保护本线路全长且满足灵敏性要求，其主要整定原则为保护本线路末端故障时有足够的灵敏，其公式如下：

公式（5）中Klm表示灵敏度取1.3～1.5。

次要整定原则为与下一级线路电流速断保护配合，公式为：

公式（6）中Kfz为分支系数，IdzI为相邻线路电流速断定值。其动作时间比相邻线路速断保护动作高一个时间极差△t=0.3s，公式为：

3.3 过电流保护

过电流保护作为相邻线路的远后备保护，不仅能保护本线路，还能保护下级线路全长，当相邻线路末端故障开关拒动时，由本保护快速切除故障。其整定计算原则之一为躲本线路最大允许负荷电流，其公式为：

公式（8）中Kzqd为启动系数，按负荷性质而定多数为1，Kf为返回系数微机保护取0.95，Ifh.max为最大允许负荷电流。

其原则之二为与相邻线路过电流保护配合，公式为：

保护动作时间为：

阶段式电流保护共分为三段过流保护，按选择性和灵敏性共同保护本线路及相邻下一级线路，其保护范围及保护动作时间如图3所示，对保护线路安全稳定运行起绝对作用。

图3 动作时间

4 算例分析与应用

某110kV变电站10kV线路结构如图4所示，其线路长度为2.823km，线路型号为JKLYJ-240架空线路，几何均距Dcp=1.07，线路单位电阻值R=0.125Ω/km，单位电抗值X=0.3174Ω/km，电缆长度为1.575km，单位电阻值R=0.163Ω/km，电抗值X=0.093Ω/km，线路所带3台变压器，其中#1、#2变压器容量为1600kVA，两台变压器并列运行短路电压分别为Uk%=6.07和Uk%=6.05，#3变压器容量为630kVA，短路电压为Uk%=6.01，上级110kV变电站10kV侧等值阻抗大方式Zd.min=j0.4380，小方式Zd.max=j0.7621，线路CT变比为600/5A，所带负荷为专用负荷，线路保护型号为CSC-211北京四方线路保护装置。