10kV 系統的繼電保護的分析

李志華

摘 要：在電力系統中，各種電氣設備通過電氣線路緊密地聯結在一起。本文主要對10kV系統的繼電保護裝置進行了詳細分析，重點對三段式過電流保護裝置及零序電流保護進行了闡述。

關鍵詞：10kV系統零序電流保護 三段式過電流保護 繼電保護裝置

110kV 系統的繼電保護裝置

2.1 繼電保護裝置的設置要求

按照工廠企業10kV 供電系統的設計規范要求，在10kV的供電線路、配電變壓器和分段母線上一般應設置以下保護裝置：

（1）10kV線路應配置的繼電保護

10kV線路一般均應裝設過電流保護。當過電流保護的時限不大于0.5~0.7s，并沒有保護配合上的要求時，可不裝設電流速斷保護；自重要的變配電所引出的線路應裝設瞬時電流速斷保護。當瞬時電流速斷保護不能滿足選擇性動作時，應裝設略帶時限的電流速斷保護。

（2）配電變壓器應配置的繼電保護

①當配電變壓器容量小于400kVA 時：一般采用高壓熔斷器保護;

②當配電變壓器容量為400~630kVA，高壓側采用斷路器時，應裝設過電流保護，而當過流保護時限大于0.5s 時，還應裝設電流速斷保護；對于車間內油浸式配電變壓器還應裝設氣體保護；

③當配電變壓器容量為800kVA 及以上時，應裝設過電流保護，而當過流保護時限大于0.5s 時，還應裝設電流速斷保護；對于油浸式配電變壓器還應裝設氣體保護:另外尚應裝設溫度保護。

（3）分段母線應配置的繼電保護

對于不并列運行的分段母線，應裝設電流速斷保護，但僅在斷路器合閘的瞬間投入，合閘后自動解除: 另外應裝設過電流保護。如采用的是反時限過電流保護時，其瞬動部分應解除；對于負荷等級較低的配電所可不裝設保護。

1.2 繼電保護裝置的設置

1.2.1 主保護和后備保護

10V供電系統中的電氣設備和線路應裝設短路故障保護。短路故障保護應有主保護、后備保護，必要時可增設輔助保護。當在系統中的同一地點或不同地點裝有兩套保護時，其中有一套動作比較快，而另一套動作比較慢，動作比較快的就稱為主保護：而動作比較慢的就稱為后備保護。即：為滿足系統穩定和設備的要求，能以最快速度有選擇地切除被保護設備和線路故障的保護，就稱為主保護；當主保護或斷路器拒動時，用以切除故障的保護，就稱為后備保護。后備保護不僅可以起到當主保護應該動作而未動作時的后備，還可以起到當主保護雖己動作但最終未能達到切除故障部分的作用。為了使快速動作的主保護實現選擇性，從而就造成了主保護不能保護線路的全長，而只能保護線路的一部分。也就是說，出現了保護的死區，這一死區就必須利用后備保護來彌補不可。

1.2.2 輔助保護

為補充主保護和后備保護的性能或當主保護和后備保護退出運行而增設的簡單保護，稱為輔助保護。10kV 系統中一般可在進線處裝設電流保護；在配電變壓器的高壓側裝設電流保護、溫度保護；高壓母線分段處應根據具體情況裝設電流保護等。

210kV 線路的過電流保護

2.1 零序電流保護

電力系統中發電機或變壓器的中性點運行方式，有中性點不接地、中性點經消弧線圈接地和中性點直接接地三種方式。10kV系統采用的是中性點不接地的運行方式。系統運行正常時，三相是對稱的，三相對地間均勻分布有電容。在相電壓作用下，每相都有一個超前90°的電容電流流入地中。這三個電容電流數值相等、相位相差120°，其和為零.中性點電位為零。假設A 相發生了一相金屬性接地時，則A 相對地電壓為零，其他兩相對地電壓升高為線電壓，三個線電壓不變。這時對負荷的供電沒有影響。按規程規定還可繼續運行2h，而不必切斷電路。10kV中性點不接地系統中，當出現一相接地時，利用三相五鐵心柱的電壓互感器的開口三角形的開口兩端有無零序電壓來實現絕緣監察。它可以在PT 柜上通過三塊相電壓表和一塊線電壓表看到“一低、兩高、三不變”。接在開口三角形開口兩端的過電壓繼電器動作，其常開接點接通信號繼電器，并發出預告信號。采用這種裝置比較簡單，但不能立即發現接地點，因為只要網絡中發生一相接地，則在同一電壓等級的所有工礦企業的變電所母線上，均將出現零序電壓，接有帶絕緣監視電壓互感器的電力用戶都會發出預告信號。為了查找接地點，需要電氣人員按照預先制定的“拉路序位圖”，依次拉路查找，并隨之合上未接地的回路，直到找到接地點為止。

零序電流保護一般使用在有條件安裝零序電流互感器的電纜線路或經電纜引出的架空線路上。當在電纜出線上安裝零序電流互感器時，其一次側為被保護電纜的三相導線，鐵心套在電纜外，其二次側接零序電流繼電器。當正常運行或發生相間短路時，一次側電流為零。二次側只有因導線排列不對稱而產生的不平衡電流。當發生一相接地時，零序電流反映到二次側，并流入零序電流繼電器，使其動作發出信號。在安裝零序電流保護裝置時，特別注意的一點是：電纜頭的接地線必須穿過零序電流互感器的鐵心。這是由于被保護電纜發生一相接地時，全靠穿過零序電流互感器鐵心的電纜頭接地線通過零序電流起作用的。因此，為了保證動作的選擇性，在整定時，保護裝置的啟動電流Iop(E)應大于本線路的電容電流，即:

Iop=Krel×3Up×Co=Krel×Io

式中：Iop———保護裝置的啟動電流；

Krel——可靠系數，如無延時，考慮到不穩定間歇性電弧所發生的振蕩涌流時，取4~5：如延時為0.5s 時，則取1.5~2；

Up——相電壓值；

Co——被保護線路每相的對地電容；

Io——被保護線路的總電容電流。

按上式整定后，還需校驗在本線路上發生一相接地時的靈敏系數，Sp 由于流經接地線路上的零序電流為全網絡中非接地線路電容電流的總和，可用3Up×(Cs- Co)表示，因此靈敏系數為：

Sp=3Up×Cs- Co)/Krel3UpωCo

=(Cs- Co)/KrelCo

上式可改寫成:

Sp=Ios- Io/KrelIo=Ios- Io/Iop

式中：Cs——同一電壓等級網絡中，各元件每相對地電容之和；

Ios——與Cs 相對應的對地電容電流之和。對電纜線路取大于或等于1.25；架空線路取1.5；對于架空線路，由于沒有特制的零序電流互感器，如欲安裝零序電流保護，可把三相三只電流互感器的同名端并聯在一起，構成零序電流過濾器，再接上零序電流繼電器。其動作電流整定值中，要考慮零序電流過濾器中不平衡電流的影響。

2.2 三段式過電流保護裝置

由于瞬時電流速斷保護只能保護線路的一部分，所以不能作為線路的主保護，而只能作為加速切除線路首端故障的輔助保護:略帶時限的電流速斷保護能保護線路的全長，可作為本線路的主保護，但不能作為下一段線路的后備保護；定時限過電流保護既可作為本級線路的后備保護，還可以作為相臨下一級線路的后備保護，但切除故障的時限較長。為了對線路進行可靠而有效的保護，也常把瞬時電流速斷保護和定時限過電流保護相配合構成兩段式電流保護。

對于第一段電流保護，究竟采用瞬時電流速斷保護，還是采用略帶時限的電流速斷保護，可由具體情況確定。如用在線路一一變壓器組接線，以采用瞬時電流速斷保護為佳。因在變壓器高壓側故障時，切除變壓器和切除線路的效果是一樣的。此時，允許用線路的瞬時電流速斷保護，來切除變壓器高壓側的故障。這時的第一段電流保護可以作為主保護；第二段一般均采用定時限過流保護作為后備保護，其保護范圍含線路一變壓器組的全部。

實際中還常采用三段式電流保護。就是以瞬時電流速斷保護作為第一段，以加速切除線路首端的故障，用作輔助保護:以略帶時限的電流速斷保護作為第二段，以保護線路的全長，用作主保護；以定時限過電流保護作為第三段，以作為線路全長和相臨下一級線路的后備保護。對于10kV供電線路今后宜選用兩段式或三段式電流保護。因為這種保護的設置可以在相臨下一級線路的保護或斷路器拒動時，本級線路的定時限過流保護可以動作，起到遠后備保護的作用；如本級線路的主保護拒動時，則本級線路的定時限過電流保護可以動作，以起到近后備的作用。

310kV 系統繼電保護的綜合評價

10kV系統中的上、下級保護之間的配合條件必須考慮周全，考慮不周或選配不當，則會造成保護的非選擇性動作，使斷路器越級跳閘。保護的選擇性配合主要包括上、下級保護之間的電流和時限的配合兩個方面。應該指出，定時限過電流保護的配合問題較易解決。由于定時限過電流保護的時限級差為0.5s，選擇電網保護裝置的動作時限，一般是從距電源端最遠的一級保護裝置開始整定的。為了縮短保護裝置的動作時限，特別是縮短多級電網靠近電源端的保護裝置的動作時限，其中時限級差起著決定的作用，因此希望時限級差越小越好。雖然反時限過電流保護也是按照時限的階梯原則來整定，其時限級差一般為0.7s。反時限過電流保護隨著短路電流與繼電器動作電流的比值而變，因此整定反時限過電流保護時，所指的時間都是在某一電流值下的動作時間。通過分析可以看出，目前10kV新建及在建工程中，應以配置三段式或兩段式定時限過電流保護、瞬時電流速斷保護和略帶時限的電流速斷保護為好。

4 結束語

本文對10kV電力系統中繼電保護的現狀進行了分析。對10kV 系統中應配置的繼電保護及過電流保護裝置進行了說明，并提出了采用零序電流保護來進行單相接地保護。為了確保10kV供電系統的正常運行，必須正確的設置繼電保護裝置。

（作者單位：東莞市大朗供電公司）

注：文章內所有公式及圖表請用PDF形式查看。