特殊情況下孤立電網電流保護整定計算

楊洪波，薛 莉，劉淑娟

（濱州供電公司，山東 濱州 256600）

特殊情況下孤立電網電流保護整定計算

楊洪波，薛 莉，劉淑娟

（濱州供電公司，山東 濱州 256600）

針對油田、礦場等孤立電力系統在保護裝置整定計算過程中出現的一些問題，提出了相應的改進整定方法，使得在供電系統發生故障時，有相應的保護裝置可以將故障部分及時從系統中切除，以保證非故障部分繼續正常工作。實踐證明，該整定方法可以在很大程度上提高電網的運行的安全性、可靠性。另外也詳細給出了相應的改造方案，以進一步保證電網安全可靠運行。

電流保護；配電網；靈敏度；保護裝置

0 引言

電流保護是我國35 kV中低壓配電網最常用的保護，它是反應于電流增大而動作的保護裝置 。傳統的電流保護定值是按系統最大運行方式整定，靈敏度按最小運行方式校核。但是由于油田、礦場等孤立電力系統一般無外網依托，并且隨著油田，礦場等規模的擴大，用電負荷的增加，電力系統發電容量以及接線方式也會發生很大變化，并且網架結構也比較特殊，如變電站數量多，分布廣；環網結構，樹狀運行；短線路；雙端電源供電但是沒有方向元件等特殊情況，并且供電可靠性要求高。如果在進行電流保護整定時僅僅按照傳統的三段式電流保護整定原則進行整定計算就會出現靈敏度不滿足要求的情況，并且上下級之間的配合也會有很大的困難。如線路較短時，因為線路阻抗小，線路首端和線路末端的故障電流相差不大，此時線路的靈敏度就很難滿足要求，并且對于油田，礦場等孤立電網中存在雙端電源供電支路、并行供電的線路和環網運行的電廠聯絡線中沒有開放方向元件的電流保護裝置，僅投入無方向的電流保護，單依靠繼電保護整定值，正、反向故障時保護之間很難配合，這使得當故障發生在這些線路上時，容易發生保護拒動、誤動，并且動作速度慢。

針對電網中存在的這些實際問題，通過分析研究，找到相應的合適的解決方案。為了明確的說明對孤立電力系統進行整定計算時會遇到的問題，我們以某油田為例，更具體說明實際遇到的問題及解決方案。

1 實際整定過程中遇到的實際問題以及采取的相應措施

1.1 雙端電源的支路

按照電力系統電流保護的一般原理，雙端電源的支路（線路或變壓器）在小電源側理應裝設方向元件。但是，如果現行電網電流保護無方向元件，那么小電源側的保護會因為沒有方向元件而在反向外部故障時因無法判別方向而誤動。因此為了確保保護的選擇性要求和防止斷路器誤動作，雙端電源的支路（線路或變壓器）的兩側保護的起動電流應選得相同，且按照較大的一側短路電流進行整定。

下面以具體算例來說明：

圖1 電廠發電機出口升壓變壓器屬雙端電源的變壓器

對圖1中發電機出口升壓變壓器的電流保護，由于出口升壓變壓器為雙端電源供電，需在其小電源側裝設方向元件，但因為現有電網采用無方向性電流元件，為此在進行保護整定時可以作如下處理。

如圖1所示，當變壓器兩側的最大短路電流電流有Id2.max>1d1.max時，則兩側電流速斷保護（Ⅰ段）的定值取為 IIset.1＝IIset.2＝KIrelId2.max； 電流Ⅱ段與Ⅲ段采用相同的方法進行處理。

這樣整定可以防止在變壓器反向故障時，小電源側保護誤動，但是也會使位于小電源側保護的保護范圍縮小，甚至可能導致速斷沒有保護范圍，從而故障不能快速切除，此時就只能依靠限時速斷或過流保護來切除故障。并且兩端電源容量的差別越大，對保護的影響就越大。

1.2 并行供電的線路

并行供電線路，實質上是雙端電源的線路，其兩端的無方向性電流保護定值也取同樣的定值，整定方法與上述雙端電源的支路的相同。按照這樣的保護整定方法，為了保證外部故障時保護不誤動，線路兩端保護的定值都按照躲開外部短路最大電流整定，但在內部故障時小電流一端可能因靈敏度不足而無法切除故障，只能靠限時速斷或過流保護延時切除故障。如果故障發生在大電流側的末端，大電流側的速斷不動作，靠限時速斷切除故障。然而兩條并行線的限時電流速斷整定值與時限完全一樣，理論上將導致故障的與非故障的兩條并行線路的限時電流速斷同時動作，將兩條并行線路同時切除。但實際中保護動作時間將有誤差，并行線不會同時跳開，這樣就失去了選擇性，如果先跳的線路正好為故障線路，故障將被切除，另一條線路可繼續運行。如果跳開的是非故障線，故障繼續存在，還是會被切除，使得兩條線都切除。

圖2 對雙端電源的變壓器進行電流速斷保護的整定

例如圖3a所示，在T2處發生一短路故障，這時故障線路上側電流速斷保護將立刻動作，動作后情況如圖3b所示。此時故障并未切除，故障線路與另一回線路下側的限時電流速斷將同時啟動。由于時間繼電器存在誤差，若故障線路下側保護的時限較短，則故障正確切除；否則兩條線路均被切除。對于這樣的并行供電線路，故障時有一定的正確切除幾率。

圖3 并行供電線路的電流保護整定

1.3 環網運行的線路（電廠聯絡線）

實際電網中會有不同時期建立的電廠，如果電廠之間的距離比較近，其聯絡線就會比較短（圖4所示，1號、2號、3號電廠之間的聯絡線不超過1 km）。如果按照常規電流保護整定原則整定，電廠聯絡線上的電流保護I段就幾乎沒有保護范圍。當聯絡線內部發生故障時，只能依靠限時電流速斷來切除故障，但是在最小運行方式下，線路末端兩相短路電流太小，故限時速斷按與下一級速斷配合來整定時則靈敏度不滿足要求，若線路故障限時速斷會拒動無法及時切除故障。因此我們在對限時速斷整定時可以采取以下的處理措施：

每條線路兩端的保護按照雙端供電線路取為相同定值。以圖4中1號、2號電廠聯絡線為例，限時電流速斷值取為虛擬的極端情況下（比如1號電廠開二備一，2號電廠開二備一，3號電廠不開機）線路可能出現的最大負荷電流。在此情況下計算聯絡線極限負荷電流IL.max，取IⅡset=IL.max。 如果流過線路的電流大于IL.max，則說明線路發生故障，限時速斷可動作將其切除。另外一方面，對于聯絡線的動作時限，可以這樣選擇：統一取環網限時速斷動作時限為環網所有連接線中限時電流速斷最大時限再升高Δt，即：t1=t2=t3=max{ti}+Δt。

但是由于沒有方向性保護，電廠聯絡線組成的環網中三條線路的限時電流速斷值均按本線路最大負荷電流整定，并統一升高Δt時限。這樣整定的結果，理論上將導致三條線路中任一條發生故障時三條線同時跳開。但實際中保護動作時間將有誤差，三條線不會同時跳開，這樣如果先跳的線路正好為故障線路，故障將被切除，另兩條線路可繼續運行，使得有一定幾率正確切除故障。例如，若在2號、3號電廠聯絡線內部發生一短路故障，三條線路的限時電流速斷均啟動；由于時限誤差，若該聯絡線恰為時限最短線路，故障被正確切除，否則三條線路全部跳開，可見該環網故障時有一定的正確切除幾率。

圖4 電廠聯絡線形成環網

盡管發生故障時流過聯絡線的電流比正常負荷電流大的多，環網線路的定值使保護反應于電流增大而動作的電流保護時仍存在以下問題：其一是保護的選擇性難于保證，其二是動作速度太慢。特別是電廠間的短聯絡線，即便使用方向性電流保護僅僅能區分故障的方向，依靠電流定值無法區分區內外故障，由于原理的限制會出現越級誤動，合理的整定值僅僅能減少誤動的概率而不能完全避免誤動的發生。

1.4 短線路

對于階段式保護（電流、距離、電壓等），長短線的配合在原理上就存在困難。實際電網中具有一些距離較短線路，線路阻抗小（如圖4所示的電廠聯絡線）線路首、末端短路時電流相差極小，在電流定值上無法區分。不僅使得這些電流保護速斷在最小運行方式下會出現沒有保護范圍的情況，甚至導致上一級線路的限時電流速斷與下一級的限時電流速斷的配合方式依然無法滿足選擇性要求。

即使采用限時電流速斷整定時定值依靈敏度進行整定，保證最小運行方式下相間短路靈敏度不小于1.5，時限整定依據逐級配合的原則，但是，這樣可能會導致發電機出口附近線路的限時電流速斷時限較長，從而影響了保護的速動性。

2 改造方案

2.1 雙端電源支路和并行供電線路的保護

有如下兩種改進方案可供選擇：

1）啟用雙端電源支路和并行供電線路中的方向元件。可以在電網原有的電流保護加裝方向元件，構成方向性電流保護，可改善雙端電源支路和并行供電線路的保護性能。發生故障時，當功率方向由母線流向線路（正方向）時才動作。這樣，線路兩端的保護分別與各自的下一級線路配合，便可以快速、有選擇性地切除故障。方向性電流保護既利用了電流的幅值特征，又利用功率方向的特征。

2）在并行供電線路上采用距離保護。距離保護同時利用了短路時電壓、電流的變化特征，通過測量故障阻抗來確定故障所處的范圍，保護區穩定、靈敏度高，保護范圍穩定，動作情況受電網運行方式變化的影響小，能夠用在多側電源，短線路復雜電網中應用。而且距離保護還能夠作為母線的后備保護，在母線保護拒動時切除母線故障。并且由于距離保護只利用了線路一側短路時電壓、電流的變化特征，距離保護I段的整定范圍為線路全長的80%～85%，這樣在雙側電源線路中，有30%～40%的區域內故障時，只有一側的保護能無延時地動作，另一側保護需經0.5 s的延時后跳閘。但對于配電線路，這種延時是可以接受的。

相對于方向性電流保護的I段，距離保護I段的保護范圍顯著增大，使故障無延時地從電網中切除，從而增強電網穩定性的概率增大。此外，距離保護的保護范圍受系統運行方式的影響小。因此雖然增設距離保護需要一定投資，但是與方向式電流保護相比，有更好的保護性能，更有利于電網的安全可靠運行。

2.2 環網運行線路（電廠聯絡線）的保護

1號電廠、2號電廠、3號電廠之間聯絡線因為距離過短（如圖4所示，1號-2號電廠之間為0.42 km，2號-3號電廠之間0.3 km，1號-3號電廠之間0.637 km），使得電流速斷保護沒有保護范圍，只能依靠限時電流保護和過流保護進行保護。一旦聯絡線中發生故障，需經過較長時間故障線路保護才能動作，由于聯絡線離發電機電氣距離很近，可能發電機的保護提前動作，發電機退出運行，導致故障危害加劇。

對此，不宜采用單端的電流保護，而應采用線路縱聯保護，它是在線路發生故障時，使兩側開關同時快速跳閘的一種保護裝置，常作為線路的主保護。線路縱聯保護以線路兩側判別量的特定關系作為判據，即兩側均將判別量借助通道傳送到對側，然后兩側分別按照對側與本側判別量之間的關系來判別區內故障或區外故障。

因此，建議發電廠間聯絡線采用短線光差縱聯保護，使得聯絡線不需要與其他線路保護配合，在聯絡線上發生故障時可以在最短時間切除故障的聯絡線。

2.3 短線路的保護

在實際電網中的短線路，因為其速斷沒有保護范圍，故在故障時不能動作及時將故障切除，因此線路的保護需要靠限時速斷來實現。這樣就延長了故障的切除時間，對直接相聯的電廠發電機的保護是不利的。因此，為了可靠的快速的切除短線路的故障，建議在短線路上也采用縱聯電流差動保護。

3 實際算例

采用某油田電網為算例說明本文提出的整定方法可行。圖5為某油田電網模型正常運行狀態的一部分。

3.1 正常運行狀態的校核

系統運行方式：最大運行方式（即1號、2號、3號電廠機組均開二備一），由PSASP搭建網絡經潮流計算。

尕斯北變電站最大運行方式下線路有功功率為8250kW；由“某油田電網35kV變電站負荷情況”表查得尕斯北變電站正常運行負荷為8100 kW。

運行數據略小于計算數據是由于實際運行時系統方式略小于計算時給定的最大運行方式，因此計算結果是合理的。

3.2 故障狀態校核

圖5 故障模擬校核

系統運行方式為最大運行方式（即1號、2號、3號電廠機組均開二備一），模擬某油田提供的《8月19日停電情況簡介》中故障，在尕斯北變電站北1回線發生BC相間短路故障。

由PSASP搭建的網絡計算出尕斯北變電站1號線進線一次短路電流標幺值為0.804折算為一次有名值而由油田提供的事故紀錄微機保護現場記錄數據為，尕斯北變電站1號線進線故障電流為30.07 A，CT變比為40，由此得短路電流一次有名值為IBC=30.07×40＝1202.8 A。實測數據略小于計算數據是由于運行時系統略小于最大運行方式且實際故障點并非金屬性故障，可見計算結果是合理的。如圖5所示，尕斯北變電站兩臺變壓器，一條進線，1號、2號主變速斷定值為920 A，但進線保護速斷定值為896 A。當變壓器末端發生故障時，會出現主變保護拒動，進線保護同時誤動。擴大故障影響范圍。經重新整定后，主變速斷定值為1085.6 A，進線保護速斷定值為1253.5 A。這就可以避免當變壓器末段發生故障時，主變保護拒動，進線保護誤動的可能。

4 結論

首先分析了油田、礦場等孤立電力系統的特殊網架結構以及特點，接著介紹了在對其進行電流保護整定時遇到的特殊問題，并且提出了改進整定方法。另外也給出了更有利于系統安全可靠運行的改進方案。最后，還給出了以實際油田電力系統為算例進行了仿真計算，以闡明本文所說明的方法。

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Isolated Power System in the Protection Setting Calculation under Special Circumstances

This reality，for the oil，mining and other isolated power system in the protection setting calculation of some of the problems occurred during the corresponding improvement proposed tuning method，makes the power system failure，there is a corresponding fault protection device can be removed from the system some time to ensure that non-fault part of continuing work.And proven，the tuning method can greatly improve the security of grid operation and reliability.Another article also details the transformation of the corresponding program，to further ensure network security and reliable operation.

current protection；distribution network；sensitivity；protector

book=5,ebook=31

TM711

B

1007－9904（2010）04－05－05

2010－04－06

楊洪波（1981-），男，從事電網繼電保護整定計算工作。