10kV配电系统综合继电保护的实现研究

西南化工研究设计院有限公司 肖 羽

1 实现综合继电保护的主要途径

1.1 安装继电保护装置

当前，能够应用于配电系统继电保护的装置，主要以电流互感器和高压隔离开关为主。电流互感器能够在满足测试仪表功能的前提下，将继电器等二次设备与高压实现隔离，从而有效确保人身安全。同时，也能够避免电路中出现短路电流时，由于短路电流直接通过测试仪表，以及继电器而导致相应设备受到电流冲击发生故障。

对于电流互感器的检测，以绝缘电阻、交流耐压、级性检查、退磁检查为主[1]。高压隔离开关在配电系统中的作用，以隔离高压电源为主，在对配电系统进行安全检修过程中，应注重考虑是否存在带负载操作现象，以切断短路电流为主要目的，实现对于整个10kV配电系统的有效保护。

1.2 优化配电系统运行与检查维护系数

为保障10kV配电系统的安全运行，在系统运行中安装继电保护装置的同时，也需要结合系统运行的整体情况，明确系统运行中各项参数的变化是否符合系统安全状况下的相关标准。无论是在系统的正常运行检查还是故障维修处理中，都可应用这一方式来作为判断系统运行发生故障的依据。对于配电系统运行与检查维护中涉及的各项系数指标，以加强继电保护的可靠性为主要目标，通常会涉及可靠度、可用度、故障率、修复率、计划检修率、切换时间等具体的指标内容[2]。而这些系数指标需要通过系统运行中的电流、电压大小对于系统整体运行的影响显示出来。在实际对10kV配电系统进行继电保护时，主要可基于整定计算的方法来实现提升加强继电保护的效果。

1.3 应用PLC技术

将PLC应用到10kV配电系统的继电保护当中，能够基于PLC系统各种丰富的I/O功能扩展模块来满足用户对于保障配电系统运行安全的需求。结合当前推动配电系统运行自动化和智能化的发展趋势，可应用PLC系统来实现对于10kV配电系统的自动化监测、测量与保护。借助PLC系统，可让配电系统安装的继电保护装置实现远程监控的功能，对继电保护装置的总受枢、变压器配出枢，以及三相电流是否过流等情况进行监视，当检测到相应的元件存在异常或故障问题时，能够直接基于远程监控系统来启动报警装置。

2 实现10kV配电系统综合继电保护的具体措施分析

基于保障10kV配电系统安全运行的需求，以提升综合继电保护的水平效果为主要目的，在10kV配电系统的实际运行中，主要可采取以下几个方面措施来保障配电系统的运行质量和效率。

2.1 科学设置继电保护装置

为提升10kV配电系统综合继电保护的实际效果，需要对系统实际运行中应用的各类保护装置进行科学设置和选择。电流电压互感器、高压断路器隔离开关是当前10kV配电系统实现继电保护时应用的主要装置类型。对于电流电压互感器的设置，应要求相关人员能够基于10kV配电系统运行的实际情况，按照电流互感器变比为300:5的比例标准，选择合适的电流与电压互感器类型。应用电压与电流互感器，能够将其作为继电保护与信号装置电源，进而发挥隔离高压电路与继电保护装置的作用。在实际选择和设置电压电流互感器时，需要在尽可能避免应用过长的二次测电缆线基础上，结合10kV配电系统运行的实际需求来推动电压电流传感器朝着智能化的方向发展。

对于高压断路器隔离开关的设置，考虑到当前10kV配电系统中应用的高压隔离开关并未装有灭弧装置，在发生短路电流的情况下很难切断，因而需要考虑通过搭配高压断路器的方式来提升高压隔离开关的实际应用效果。

在10kV配电系统中，还应注重对于高压熔断器负荷开关的科学设置。高压熔断器本身是一种能够用于系统运行的保护电器，如果系统电路受到短路过负荷等因素的影响而熔断，就可直接应用高压熔断器来将系统电路断开。尽管高压负荷开关能够通过通断操作的方式来隔离高压电源，但发现当前配电系统中应用的高压负荷开关内部设置的灭弧装置也较为简单，在设置高压负荷开关时，也需要通过配合高压熔断器的方式来提升继电保护的实际效果。结合当前配电系统运行的高效和安全需求，在科学设置继电保护装置的过程中，也可将其与PLC远程监控系统配合起来，对相关人员对配电系统的安全运行情况、监测和排除系统运行的故障问题提供更便利的途径。

2.2 继电保护整定计算

以加强10kV配电系统的继电保护为主要目标，从10kV配电系统运行涉及的相关指标和系数角度入手，可通过整定计算的方式来实现对于配电系统的继电保护。基于10kV配电系统的运行要求，可应用装设微机型三阶段式电流相间保护装置的方式，实现对配电系统的过电流保护、限时电流保护以及电流速断保护需求。

在过电流保护方面，考虑到在10kV配电系统实际运行的情况下，动作电流容易超过线路最大负载电流，可通过切除外部故障的方式来让线路电压恢复到正常状态。在这一过程中，基于这一前提来进行过电流保护定值的计算，需要基于以下公式来实现。电动机会自启动且产生短时过载情况下的二次动作电流：，不考虑电动机自启动因素情况下的二次动作电流：，式中：KK代表可靠系数，通常取值在1.15～1.20；Kzd代表电动机的自启动系数通常取值在1.5～3；Kh代表电流继电器的返回系数通常取值为0.85；KT代表电流继电器的变化值；IcMAX代表线路的最大负荷。将相关系数在通常情况下的取值代入到以上公式当中，在确定电流保护时限为0.6～0.8s的前提下，可基于二次动作电流的大小来选择合适型号的继电保护装置。

在限时电流速断保护方面，在考虑保护配电系统的线路全长前提下，应考虑动作电流不超过线路末端二相短路电流的大小，动作电流的实现也需要比过电流保护小0.3s左右。基于此，在对这一情况下的二次动作电流进行计算时，主要可应用以下公式：，式中：Z系统小代表整个配电系统在最小运行方式下的阻抗标值；Z线路代表配电系统线路全长的阻抗标值。

结合10kV配电系统的实际运行情况，发现在电流速断保护的情况下，由于10kV配电系统通常应用1.5km以内长度的进线电缆进行设计，导致短路电流和上级短路电流没有明显差异，上下值定值的配合难度就会提高。在考虑10kV配电系统选择性运行要求的基础上，需要通过时限控制的方式，结合以上对二次动作电流的计算结果来构建带时限电流速断保护配置。

在此基础上，还需要对速段保护的灵敏度进行校验。如果10kV配电系统应用的变压器容量不超过2000kVA，可结合系统运行的实际情况来选择，是否需要通过纵联差动保护方式来进行配置。基于灵敏度检测的结果，当系统高压侧过电流保护低于标准要求时，需要将纵插联动保护装置安装于变压器的性线中，并通过构建过负荷保护、低电压保护、单相接地保护等方面的措施，提升保障10kV配电系统安全运行的效果。而如果变压器的容量超过2000kVA，对于不符合电流速断保护灵敏度要求的情况，需要直接设置纵联差动保护装置以及反时限过电流保护装置。

2.3 设计PLC控制系统

以设计PLC控制系统的方式来实现10kV配电系统的安全运行，能够以满足系统控制要求的方式来提升配电系统的运行和生产效率。在设计PLC控制系统时，首先需要明确系统整体的设计思路。PLC控制系统的设计应具体，包括硬件系统和软件系统两个部分，并能够在系统设计完成后，通过调试测试的方法来验证系统运行的有效性。

结合前面的分析可发现，应用PLC控制系统最主要的目的就是能够实现对于10kV配电系统的远程监控。在基于PLC控制系统应用原理的前提下，可明确对于PLC控制系统的功能设计应具体包括采集与处理、监督、管理和控制的功能。系统运行应能够对10kV配电系统中的总受柜、变压器配出柜等电气设备运行参数进行采集，然后通过模拟量输入模块，对采集到的数据进行滤波、放大以及模数转换，从而得到数字量信号。如果在这一采集和分析的过程中出现欠压或过流警报的情况，可直接通过设备自动跳闸或手动控制开关的方式来实现保护。这一过程主要通过电缆，以及上位监控管理机来实现对于采集参数的提取和处理。

图1 PLC控制系统运行流程

具体而言，在PLC系统的硬件设计部分，需要结合10kV配电系统的整体运行情况，选择合适的PLC系统类型。着重从PLC系统的CPU、数字输入点以及输出点等指标来确定具体的系统硬件型号。而对于系统的具体设计，主要以应用一套继电器梯形图为基础的简单指令形式，充分发挥微处理器在PLC编制程序运行中的作用。在结合10kV配电系统整体控制要求与PLC系统设计方案的前提下，需要明确I/O分配表。

对于PLC控制系统中的硬件设备，具体包括断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器以及移相电容器等电器元件。而对于PLC控制系统软件的设计，需要在明确系统运行程序的前提下，应用控制开关来实现对于10kV配电系统的断电控制，并对系统运行中产生的过流、欠压保护等情况进行数据的采集，基于自动检测的原理来实现对于整个配电系统运行的有效保护。在明确PLC控制系统的设计要求以及I/O分配表之后，可通过设计PLC梯形图的方式（如图2所示），满足应用PLC控制系统进行远程监控的要求。

图2 PLC梯形图

在完成PLC系统的硬件和软件设计后，还需要通过调试测试的方法来进行验证。在对PLC梯形图程序进行编译确保没有失误之后，将该程序安装到PR控制系统当中，以开关模拟的方式来实现对于配电系统运行的远程监控。基于PLC技术本身拥有的较强抗干扰能力和控制能力，控制系统构成简单化等方面的特点和优势，可将其用于对10kV配电系统的远程监控当中，第一时间了解其中可能存在的故障和异常情况，在提高配电系统整体运行管理水平的同时，也能够有效保障配电系统的运行安全。

综上，要想发挥综合继电保护在10kV配电系统运行中的作用，可尝试多种方法。考虑到当前配电系统运行中的继电保护存在一定的问题，对于10kV配电系统综合继电保护的优化，可在保证科学设置继电保护装置的基础上，着重从配电网络故障维护的角度来优化设计，也可基于PLC控制系统来实现对于整个配电系统运行的自动化控制，提升10kV配电系统的运行效率和质量。