改善配電網分支線保護的方法研究

楊瑞亮 王玉軍

（1.國網寧夏電力公司吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100； 2.施恩禧電氣（中國）有限公司，江蘇 蘇州 215129）

電能質量的主要問題是電壓暫降和短時間停電。供電可靠性的問題主要是長時間停電的次數和持續時間。這些問題都是由電力系統的故障引起的，其中大約80%故障屬于配電系統線路故障，而配電架空線路故障中90%以上的故障發生在分支線路上，如果沒有有效的分支線保護方案，分支線故障將引起整條線路停電，包括其他支線上的用戶。

為了降低故障發生帶來停電及影響，需要有合理的、有效的故障處理方案解決。

提高用戶滿意度，降低故障對用戶影響的策略：對線路實施更好的防護，防止樹木和動物對線路造成危害；更新線路上的老舊設備，嚴格檢查設備和施工質量，降低設備故障率；進行有效的巡線；及時發現潛在隱患，及時修復；將線路合理分段，設置必要的聯絡點；在線路上使用更多的保護裝置，如熔斷器、重合器；使用更多、更快的重合閘操作；改善保護設備間的相互配合。

1 線路分段、聯絡及支線開關優化定位

優化線路分段開關、聯絡開關及支線開關可以優化設備投資，降低運行、維護費用，降低停電損失。

1.1 線路分段長度

“長度系數”定義為某一線路段末端可能的最大故障電流與該線路段首段開關設備最小脫扣電流之比。通常“長度系數”取2.5～3 之間，可以保證設備之間保護的選擇性，以及保護的靈敏度，同時可以優化的開關設備的選擇和定位。

1.2 安裝分支線保護設備的收益分析

分支線是否需要安裝保護設備可以按照未安裝保護設備時分支線上的故障引起的停電損失，與安裝保護設備之后時分支線上的故障引起的停電損失的差異來判斷，如果停電損失得到降低，就應該在該分支線安裝保護設備，可以用這種方法對分線線路裝與不裝保護設備進行優先排序。

圖1 配電線路分段示意圖

2 改善保護的措施

優化保護裝置的配置，可以提高配電系統可靠性、降低成本。

2.1 采用熔斷器

分支線路通常伸入小巷、山村，巡線人員查找故障點非常困難，在分支線上安裝熔斷器，可以非常低成本地將故障限制在更小的范圍內，避免大量用戶長時間斷電；分支線的導線截面通常比較小，發生故障時就很可能使該導線燒毀，熔斷器可以比上游斷路器更快地切除故障。

1）熔斷器作為后備保護

主線保護采用變電站斷路器/重合器，支線采用熔斷器保護，首次開斷時特意不配合，變電站出線開關先于熔斷器動作，斷路器/重合器必須有快速分合閘設置。

熔斷器作為后備保護優點是支線上的臨時故障通過斷路器開斷排除，支線客戶看到的是臨時的停電，而非永久停電，在大故障電流地區，斷路器和熔斷器同時開斷，通過重合閘恢復非故障線路供電。

熔斷器作為后備保護缺點是所有主線路的客戶都會經歷短時電力中斷。

圖2 熔斷器作為后備保護配合示意圖

2）熔斷器作為速斷保護

主線保護采用變電站斷路器/重合器，支線采用熔斷器保護，支線熔斷器與主站斷路器需要完整保護配合，斷路器/重合器無須有快速分合閘設置。

圖3 熔斷器作為速斷保護配合示意圖

熔斷器作為速斷保護的優點是避免了瞬時電力中斷對整條線路的影響；缺點是熔絲鏈熔斷清除了支線上的臨時故障，導致支線永久停電。

3）熔斷器作為速斷保護的優化

使用更快速的熔斷器可以更快地切除故障，其他用戶經歷的電壓暫降持續時間就更短。

圖4 多速率熔絲

使用更多的熔斷器，在分支線、次分支線及用戶入口處加入第二層和第三層熔斷器，將線路分成更多地段。

圖5 分支線設置多層級保護設備

2.2 采用重合器

為了避免分支線上的瞬時故障導致長時間斷電，減小對支線用戶的影響，可在長支線或者有重要用電單位的分支線上使用單相重合器。

重合器集合了熔斷器作為后備和速斷保護兩種方案的優勢，臨時故障時，保護支線不停電，保護主干線不因支線故障而停電。重合器可以非常經濟可靠地實現上述兩個目標。

圖6 采用重合器作為分支線保護

2.3 變電所出線開關重合閘的利弊

選擇重合閘次數是一種折中行為，每次重合閘都存在使線路恢復的可能性，但是隨著重合閘次數的增加，線路恢復的可能性迅速減小，還對故障點造成額外的損傷，引起持續的電壓暫降，對線路及設備造成熱應力和機械應力損害。

在可靠性和重合閘造成的問題之間尋找平衡。在斷路器或重合器第一次動作時采用瞬時電流速斷。由于重合閘會產生熱涌流，所以在后續重合閘中采用快速反時限過流保護，或者是限時電流速斷保護，不但可以避免涌流引起跳閘，還可以與下游的熔斷器更好地配合。

3 改善保護設備間的相互配合

繼電保護配合可以迅速切除故障，迅速恢復健全線路段的供電。配電網的繼電保護配合比較困難。實際運行中，各種保護裝置的選擇及參數整定不夠合理。故障后越級跳閘、多級同時跳閘現象非常多。

城市配電網供電半徑短，線路分段數量多，發生故障時在線路各處的短路電流大小差異比較小，一般只能用純時間配合的保護方案，能夠實現主干線、分支線、用戶等各級保護的配合。

農村或城郊配電網供電半徑比較長，發生故障時在線路各處的短路電流大小差異比較明顯，具有采用完全配合保護方案的可行性。

3.1 時間級差配合的繼電保護方案

1）不裝設瞬時電流速斷保護的可行性分析

GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》在4.4.1.4 節規定：過電流保護的時限不大于0.5～0.7s，且沒有4.4.1.3 所列的情況，或沒有配合上要求時，可不裝設瞬動的電流速斷保護。

GB/T 50062《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》在其5.0.2 節規定：當過電流保護的時限不大于0.5～0.7s，且無上述所列兩種情況，或無配合上要求時，可不裝設瞬動的電流速斷保護。

根據GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》和GB/T 50062《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范》規定可以明確：在線路短路不會造成母線電壓低于額定電壓的60%、線路導線截面較大允許帶時限切除短路，且過電流保護的時限不大于0.5～0.7s 的情況下，可以不裝設瞬時電流速斷保護，而采用限時電流速斷保護或過電流保護，為配電線路上多級保護裝置提供配合的條件。

110kV 變電站主變10kV 側的過流保護動作時間一般設置為0.5～0.7s，在此0.5～0.7s 范圍內，可以安排適當的多級差保護的配合。

2）時間配合的級差設置

如出線斷路器用彈簧機構，級差可以設置為0.2s，可以實現兩級配合。

如出線斷路器用永磁機構，級差可以設置為0.15s，可以實現三級配合。

（1）斷路器/重合器與下游側熔斷器的配合

在小于支線保護熔斷器處最大故障電流范圍內，熔斷器在上游斷路器保護整定動作電流值時的全開斷時間tc應不大于斷路器在該動作電流的延時時限top的75%。

圖7 熔斷器與上游斷路器的配合

（2）熔斷器之間的配合

只要下游側熔斷器在其安裝點最大故障電流時的全開斷時間tc不大于其上游側熔斷器在該故障電流時的弧前時間tm的75%即可。

圖8 上下游熔斷器間的配合

3）時間級差保護配置原則

（1）兩級級差保護配合

主干線分段開關全部采用負荷開關，分支線采用熔斷器或重合器。

變電站出線斷路器根據需要決定是否裝設重合閘，其速斷保護設置一個延時時限，與支線重合器或者熔斷器配合。

圖9 分支線采用熔斷器或者重合器線路

（2）三級級差保護配合方案一

主干線分段開關全部或部分采用負荷開關，分支線采用單相重合器和熔斷器。

變電站出線斷路器根據需要決定是否裝設重合閘，其保護設置兩個延時時限。

支線單相重合器重合后速斷保護設置一個延時時限，與下游支線熔斷器配合。

圖10 分支線采用單相重合器和熔斷器熔線路

（3）三級級差保護配合方案二

主干線分段開關安裝一臺斷路器，分支線采用單相重合器和熔斷器。

變電站出線斷路器根據需要決定是否裝設重合閘，其保護設置兩個延時時限。

分段斷路器速斷保護設置一個延時時限，與下游支線重合器和熔斷器配合。

圖11 主干線分段開關安裝一臺斷路器線路

3.2 裝設瞬時電流速斷保護的可行性分析

對于線路短路使母線電壓下降到低于額定電壓的60%、導線截面過小而不允許帶時限切除短路，需要快速切除故障；以及主變老舊，抗短路能力差，為了確保主變安全而需要快速切除故障的情況下，必須設置瞬時電流速斷保護。

DL/T 584—2007《3kV—110kV 電網繼電保護裝置運行整定規程》規定：瞬時電流速斷保護的電流整定值應躲過線路末端最大三相短路電流整定。并按照線路首端最小兩相短路電流來校驗保護的靈敏度。

配電線路的短路電流隨著線路長度的增加而較小；最大短路電流：系統在最大運行方式下的三相短路電流；最小短路電流：系統在最小運行方式下的兩相短路電流；瞬時電流速斷保護的電流整定值應躲過線路末端最大三相短路電流整定，可靠系數一般取1.2～1.3，即

瞬時電流速斷保護存在保護死區，不能保護線路全長，見下圖死區部分；在架空配電網上發生的短路故障中，絕大部份為兩相短路故障。兩相短路 電流為三相短路電流的0.866 倍，兩相短路而不引起瞬時電流速斷保護動作的區域見下圖（死區）部分。Lmin為兩相短路瞬時速斷保護動作區域。

架空配電線路P 點之后兩相短路后變電站Ⅰ段瞬時速斷電流保護不動作，其Ⅱ段或Ⅲ保護會延時啟動，這個延時就給P 點之后線路創造了多時間級差保護配合的條件。時間級差配合的方法同前所述。

架空配電線路P 點之前發生兩相或三相短路故障，將引起變電站出線斷路器跳閘，不具備多時間級差配合條件。如下圖中分支線重合器下游發生故障，出線斷路器會出現越級跳閘，但是在重合閘配合下，還是可以將故障隔離在支線上。

圖12

4 結論

對于我國中壓配電網而言，通過對線路結構的合理設計和分段、聯絡開關的恰當配置，并在主干線及分支線路安裝更多的保護裝置，配置合適的繼電保護方案，與日常的線路運行維護相結合，可以明顯提高配電網的供電可靠性和電能質量，這些方法也非常簡便實用。

[1] 王章啟,顧霓虹.配電自動化開關設備[M].北京: 水利電力出版社,1995.

[2] （美）T.A.Short 著.徐政譯.配電可靠性與電能質量[M].北京: 機械工業出版社,2008.

[3] 劉健,等.配電網繼電保護與故障處理[M].北京:中國電力出版社,2014.