一種有效的10kV架空線多臺分段開關 過流保護配合策略的研究

劉 淵

（陜西地方電力（集團）有限公司榆橫工業區供電分公司，陜西 榆林 719000）

一般10kV 架空線柱上開關配置過流Ⅰ段、過流Ⅲ段保護。線路上下級分段開關過流保護主要依靠動作電流大小和動作延時來實現通過故障的開關先后動作次序。但是，當需配合的分段開關較多的時候，將出現如下問題。

1）整定計算上的問題

在動作電流上，一般在最大運行方式下按照策略依據最大短路電流整定計算，但可能在最小運行方式下，出現無保護范圍的情況。也有時候，前后兩級開關所處短路電流基本相同，使整定結果無法區分大小，使得整定計算困難。

在動作延時上，主要以延時遞減方式進行區分配合，即處于后一級的動作延時小于前一級的動作延時，但由于一般出線開關過流動作延時在1100ms已內，且一般要求延時級差為300ms，因此當線路分段開關多余3 臺時候，過電流保護定值在動作延時上整定配合難度增加。

2）生產運行上的問題

因檢修、用戶接火、事故處理等需要，10kV 手拉手線路需要調整運行方式。在線路柱上開關斷開點發生變化之后，線路開關通過的短路電流、負荷電流均發生變化，原基于某一條件計算的定值將出現不匹配，在線路發生故障后將直接導致開關發生拒動、誤動、越級跳閘的問題。這個問題的處理一直是縣級供電公司生產運行中一個難題。

1 常規三段式過流保護計算方法與配合策略

1.1 常規三段式過流保護范圍與整定方法

1）過流Ⅰ段保護范圍與整定方法

（1）保護范圍：在系統最大運行方式下，本級開關過流Ⅰ段的理想狀態是能保護本開關控制的本段線路全長，但在保護整定中，因下級開關入口和出口處短路電流幾乎一樣大小，為保證選擇性，需躲開下級開關入口短路電流，因此不可保護本段線路全長。同時，為了防止無保護范圍，因此，在系統最小運行方式下，要求過流Ⅰ段對兩相短路時的保護范圍不小于本段線路的15%。

（2）計算方法：本級開關的過流Ⅰ段電流動作值以系統最大運行方式下，本級開關所控制本段線路末端發生三相短路時一次側電流周期分量有效值為基準，考慮各種影響及裕度，即乘以一系列系數后得到。

2）過流Ⅱ段保護范圍與整定方法

（1）保護范圍：過流Ⅰ段只能保護本段線路的一部分，該段線路的剩余部分一般依靠過流Ⅱ段。因此，任何情況下，本級開關的過流Ⅱ段必須能保證保護本段線路全長，要保證一定靈敏度。延伸至下級開關的保護范圍，要保證一定可靠性。但為選擇性，不應超出下級開關過流Ⅰ段的保護范圍。

（2）計算方法：本級開關的過流Ⅱ段電流動作值一般與下級開關的過流Ⅰ段配合而整定，即用下級開關的過流Ⅰ段值乘以一個可靠系數后得到。

3）過流Ⅲ段保護整定范圍與整定方法

（1）保護范圍與原則：過流Ⅰ段不可保護本段線路全長，過流Ⅱ段又不能保護下段線路全長，即不能作為下段線路的后備保護，根據保護需有主有備的要求，因此，需采用過流Ⅲ段作為下段線路的后備保護，除保護本段線路外，還作為下段線路的后備保護。過流Ⅲ段保護范圍為本段和下段線路全長。

（2）計算方法：本級開關的過流Ⅲ段電流動作值以本段線路流過最大電流值乘以一個可靠系數后得到。

1.2 常規上下級開關過流保護配合策略

1）常規上下級開關過流保護整定配合原則

（1）過流Ⅰ段整定配合原則：為了保證過流Ⅰ段動作的選擇性，即要求過流Ⅰ段在任何情況下，只對本級開關所控制的本段線路內的短路故障起動，對下級開關出口短路故障不起動。因此，本級開關的過流Ⅰ段的整定動作電流必須大于下級開關出口短路故障可出現的最大短路電流。因本保護不延伸至下一段，因此無需與下級開關的各種保護配合。

（2）過流Ⅱ段整定配合原則：本級開關的過流Ⅱ段要保護本段線路的全長，在本段線路末端短路時應動作，在下段線路首段短路時也起動，為實現選擇性，要求過流Ⅱ段電流動作值大于下級開關保護過流Ⅰ段電流動作值，動作延時大于下級開關過流Ⅰ段一個延時級差Δt。如此，下級開關過流Ⅰ段動作電流小（先動），且延時短（先動），下級開關不會越級跳閘到本級開關。

（3）過流Ⅲ段整定配合原則：本級開關的過流Ⅲ段是本段線路主保護（過流Ⅰ段、過流Ⅱ段）的近后備保護。本級開關的過流Ⅲ段是下段線路主保護（過流Ⅰ段、過流Ⅱ段）的遠后備保護。保護動作電流按照躲開本段最大負荷電流來整定，為保證選擇性，在電流動作值和動作延時上與上下級各保護配合。保護動作延時必須按照階梯原則選定，即本級保護動作延時遲于（大于）下級保護動作延時。

2）常規上下級開關過流保護整合配合原理分析

10kV 線路一般設置兩段過流保護，如過流Ⅰ和過流Ⅱ的組合或過流Ⅰ和過流Ⅲ的組合。下面分別介紹各配合原理。

（1）過流Ⅰ、Ⅱ段保護整定與配合原理分析。

如圖1所示，一條10kV 線路安裝3 臺開關，開關均配置過流Ⅰ段和過流Ⅱ段。線路的最大運行方式短路電流和最小運行方式短路電流如圖中曲線所示。圖中畫出了過流Ⅰ、Ⅱ段動作電流大小、保護范圍、保護動作延時等。

圖1 過流Ⅰ、Ⅱ段保護整定與配合原理圖

從圖1可知，當系統處于最大與最小運行方式之間的任一種方式運行時，對于本開關過流Ⅰ段，它只保護本段，未延伸保護至下段，因此下段或更下段區域短路故障本保護不起動，因此無需與下級各保護配合。本級過流Ⅰ段與上級開關的過流Ⅱ段有共同保護區，但本級過流Ⅰ動作延時較短，較先動作，不會出現越級跳閘的問題。

對于過流Ⅱ，與本級過流Ⅰ保護區重疊，但不存在越級跳閘，與下級開關的過流Ⅰ保護區重疊，但延時大于下級過流Ⅰ，因此不會越級。與下級開關的過流Ⅱ保護區重疊，但延時依然大于下級過流Ⅱ，因此不會越級。

（2）過流Ⅰ、Ⅲ段保護整定與配合原理分析。

與上圖線路相同，電流Ⅰ、Ⅲ段保護整定與配合原理圖如圖2所示。

圖2 過流Ⅰ、Ⅲ段保護整定與配合原理圖

圖2中，配合原理實質同圖1分析。保護范圍重疊時候，若故障短路電流大于兩個以上保護的動作電流值，則依靠各保護的延時大小來決定動作先后，不會出現越級。

2 10kV 案例線路的調查

2.1 10kV 案例線路的基本情況

為突出多臺分段開關配合的典型性，我選取榆橫公司10kV 馬扎梁與10kV 化工線作為本論文研究案例線路。

這兩條10kV 線路屬于手拉手線路，干線全長近21 公里，導線采用LGJ-120。線路41#、75#、101#、136#、170#、235#桿上安裝了ZW20A-12 型開關，配搭FDR-2G 型控制器（如圖3所示）。

圖3 ZW20A-12 型開關、FDR-2G 控制器

線路上分布約10MVA 負荷。線路開關接線方式如圖4所示。

圖4 112 馬扎梁線與115 化工線的地理接線圖

2.2 10kV 案例線路的運行問題

兩條10kV 線路電源引至不同的變電站，正常運行方式時，136#開關為斷開點。由于檢修停電、新用戶接入、事故處理等，需要特殊運行方式，如以馬扎梁出線開關或化工出線開關為斷開點。

調查表明，線路干線較長，開關設置較多，不過開關設備較先進，保護可設置多套定值，但無論運行方式如何改變，線路實際只有1 套保護定值。自運行以來，線路因一些較難抗拒的外力經常發生跳閘，其中越級跳閘尤為突出。

3 10kV 案例線路開關過流保護配合的新策略

3.1 每臺開關配置多套定值的策略

因為10kV 手拉手線路在斷開點發生變化后，因此通過柱上開關的功率方向、短路電流、負荷情況也會發生變化，如果只有一套保護，就可能出現定值過小或者過大，出現誤動，或者死區拒動，或者越級跳閘。

為防止這些問題的出現，就需要10kV 手拉手線路柱上開關需整定多套過流保護定值，運行方式切換后，線路柱上開關的定值也要切換至相應保護定值區，這是一種需要。

隨著配網自動化系統的實施，未來后臺主站可遠程遙調終端FTU 保護定值是發展需要，多套保護定值下載到FTU 后，如果線路發生運行方式調整，則保護定值區自動切換，以保證保護定值的正確性，這是一種趨勢。

對于上述10kV 馬扎梁線和10kV 化工線，建議各開關至少配置三套定值。01#定值區整定為正常運行方式下，以136#開關為斷開點時，為每個開關整定配置一套定值；02#定值區為特殊運行方式下，以馬扎梁出線開關為斷開點時，為每個開關整定配置一套；03#定值區為特殊運行方式下，以化工出線開關為斷開點時，為每個開關整定配置一套；出現其他運行方式時候，靈活為每個開關選擇其中1 套定值即可滿足要求，如若以170#開關為斷開點，則170#之前的開關配置03#定值區，170#之后的開關配置01#定值區。

3.2 三臺以下開關保護配合策略與定值計算實例

1）常規上下級開關保護配合策略

以136#開關為斷開點時，馬扎梁線與化工線每條線路有3 臺分段開關需配合，分段開關數量不多，出線開關過流Ⅲ段1100ms 延時延時可供下級3 臺分段開關設置合理延時級差，因此，每臺分段開關配置過流Ⅰ段和過流Ⅲ段兩種保護即可滿足要求。

配合原理如前所述常規三段式保護。

2）常規上下級開關保護配合定值計算實例

按照前述常規三段式保護原則，以136#開關為斷開點時，01#定值區內各分段開關的定值見表1。

表1 以136#為開關為斷開點時01#定值區內 各分段開關定值表

（續）

3.3 四臺以上開關保護配合策略與定值計算實例

1）交叉配置過流Ⅱ段與Ⅲ段保護的新策略

以化工出線開關為斷開點時，馬扎梁線上有6臺分段開關。由于馬扎梁出線開關過流Ⅲ段延時只有1100ms，若對每級分段開關都設置過流Ⅲ段，則6 臺開關動作延時導致延時級差過小，不符合整定規范。所以，經過研究提出新的配置策略，即對每臺分段開關均設置過流Ⅰ段，按分段開關位置次序，依次交叉設置過流Ⅱ段和過流Ⅲ段，對于最末級分段開關過流Ⅰ段采用增大過流Ⅰ段靈敏度的方法，即降低其電流動作整定值，以保證其可以保護235#以后線路全長。這樣，區分開了動作延時，避免了越級跳閘的出現。其配合原理如圖5所示。

圖5 交叉配置過流Ⅱ段與Ⅲ段保護的新策略配合原理圖

從圖中可知，3 臺開關的過流Ⅱ段動作時間均為同一級，這樣既能保證每臺開關都配置主備保護，節約了延時，其動作原理實質同上圖所述，依然不會出現越級跳閘。

2）交叉配置過流Ⅱ段與Ⅲ段保護配合定值計算實例

按照上述策略，以化工出線開關為斷開點時，馬扎梁線6 臺分段開關均配置過流Ⅰ段，動作延時均為0s，75#和136#開關配置過流Ⅱ段，動作延時為300ms，41#、101#、170#開關配置過流Ⅲ段，動作延時分別為800ms，550ms，300ms。本級的過流Ⅱ段與下級的過流Ⅰ段配合，過流Ⅱ段電流動作值取下級過流Ⅰ動作值的1.1 倍。據此，算出其各開關的定值見表2。

表2 以化工出線開關為斷開點時03#定值區內 各分段開關定值表

以馬扎梁出線開關為斷開點時，化工線6 臺分段開關整定計算方法與上述計算相同。

圖6 41-75#線路30%處三相故障電流值及開關動作情況

4 10kV 案例線路保護配合新策略的應用效果檢驗

由于開關故障概率較小，短時期內運行數據難以說明開關定制合理與否，因此本文采用PSCAD仿真效驗。

4.1 建立仿真驗證模型

基于上述分析與研究的成果，我們通過PSCAD與Matlab 軟件相配合進行了仿真驗證。

本節中的所有仿真均設置計時開始200ms 后出現永久性故障，其它延時為正常運行延時。

校驗圖中的實線為實測電流有效值或者開關動作的信號，虛線為各繼電保護裝置動作的整定值。

4.2 對開關在各運行方式下保護定值仿真進行檢驗

下面列出對41#開關在正常運行方式下進行仿真校驗結果。

1）41-75#線路30%處發生三相故障的仿真如圖6所示。

由圖中可以看出，故障處于41#開關過流Ⅰ段范圍內，由41#開關的過流Ⅰ段快速切除故障，不會引起上級出線開關的越級誤動。

2）41-75#線路80%處發生三相故障的仿真如圖7所示。

由圖中可以看出，故障發生在41#開關過流Ⅰ段死區范圍內，本級開關過流Ⅰ段不動作，由本級開關過流Ⅲ段經過延時動作，切除故障。同時從圖中可以看出，不會引起上級出線開關（0#）保護的越級動作。

4.3 開關定值仿真檢驗結論

基于上述分別以正常運行方式（136#為聯絡）和非正常運行方式（化工出線開關為聯絡）的仿真檢查結果表明，各個開關保護均具有選擇性，能及時切除故障，新的多開關配合策略是可行的。

5 結論

圖7 41-75#線路80%處三相故障電流值及開關動作情況

經過研究，本文提出了10kV“手拉手”架空線路多臺柱上開關的保護配置和配合策略，并應用電 力系統常用的PSCAD 仿真軟件仿真，證明上述策略有效，解決了長期以來由于對“手拉手”線路柱上開關的裝置配置、保護計算、保護之間配合策略認識不清楚導致越級事件頻發的難題。

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