配電網(wǎng)繼電保護配置模式及選擇原則

劉健，劉超，張小慶，張志華

(1.陜西電力科學研究院，西安市710054；2.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術研究院，西安市710075)

配電網(wǎng)繼電保護配置模式及選擇原則

劉健1，劉超2，張小慶1，張志華1

(1.陜西電力科學研究院，西安市710054；2.國網(wǎng)陜西省電力公司經(jīng)濟技術研究院，西安市710075)

為了提高配電網(wǎng)的供電可靠性，對配電網(wǎng)繼電保護配合規(guī)劃設計的關鍵技術進行了研究，提出了單純時間級差全配合模式、單純時間級差部分配合模式、單純3段式過流保護配合模式和3段式過流保護與時間級差混合模式，論述了4種配電網(wǎng)繼電保護配合模式的工作原理，并對其特點進行了比較，給出了配電網(wǎng)繼電保護配合模式的選擇原則，結合實例對所論述的方法進行分析，結果表明，所給出的多級保護配合模式和選擇方法是可行的。

配電網(wǎng)；繼電保護；規(guī)劃；故障；自動化

0 引 言

供電可靠性是配電網(wǎng)規(guī)劃的重要指標之一，為了確保配電網(wǎng)的供電可靠性，不僅需要對配電網(wǎng)架進行合理規(guī)劃，還需要對其故障處理策略進行科學規(guī)劃。集中智能配電自動化系統(tǒng)對于提高配電網(wǎng)故障處理能力具有重要意義[1]，但是其需要借助通信網(wǎng)絡收集故障信息并通過遙控實現(xiàn)故障區(qū)域隔離和健全區(qū)域恢復供電[2-3]。該過程往往需要較長的處理時間，且容易受到通信障礙、相關終端裝置故障以及配電自動化主站工作異常等因素的影響而失效。

繼電保護配合能夠迅速切除故障，恢復健全部分供電而不造成短暫停電，但是配電網(wǎng)繼電保護配合困難，在實際運行過程中，各級繼電保護配置以及參數(shù)整定不夠合理，故障發(fā)生后造成越級跳閘和多級跳閘的現(xiàn)象還非常普遍[4]。

對配電網(wǎng)繼電保護配合進行合理規(guī)劃，不僅可以縮短大部分故障的處理時間，而且由于繼電保護之間不需要借助通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互，而是依靠本地智能配電終端就可以正確動作，因此進行故障處理的可靠性更高。

配電網(wǎng)繼電保護作為動作型“兩遙”智能配電終端的必備功能，在其動作后將信息傳送到配電自動化系統(tǒng)主站，可以顯著提升配電自動化系統(tǒng)的性能。在僅采用繼電保護配合仍不能保證供電可靠性的情況下，穿插規(guī)劃一些“三遙”型智能配電終端，繼電保護與集中智能配電自動化系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，相互取長補短，對于進一步提高配電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義[5]。

目前在配電網(wǎng)繼電保護配合方面已經(jīng)取得了一些研究成果，如DL/T584—2007、GB/T 14285—2006和GB/T 50062—2008等相關標準中都對3～10 kV線路保護的配置進行了規(guī)定[6-8]。文獻[9-12]也探討了配電網(wǎng)繼電保護配置與整定的問題。文獻[13]指出城市配電線路各處的短路電流差異比較小，為此給出了一種利用級差配合的繼電保護方案。文獻[14]研究了3段式過流保護在配電網(wǎng)的應用問題，提出了一種旨在增加配合級數(shù)的改進方法。

本文將論述單純時間級差全配合、單純時間級差部分配合、單純3段式過流保護配合和3段式過流保護與時間級差混合等4種配電網(wǎng)繼電保護配合模式的工作原理，分析其特點，并給出繼電保護配合模式的選擇原則。

1 配電網(wǎng)繼電保護配合的模式

配電網(wǎng)繼電保護配合有2種基本方式:基于時間級差的配電網(wǎng)繼電保護配合方式和3段式過流保護配合方式，相互結合可以分為4種模式。

1.1 基于時間級差的配電網(wǎng)繼電保護配合模式

1.1.1 基本原理

對于裝設延時電流速斷保護的情形，可以在整條饋線上進行多級級差保護配合，稱為單純時間級差全配合模式。對于裝設瞬時電流速斷保護的情形，可以在瞬時速斷保護范圍之外下游部分的分支或用戶開關與變電站出線開關之間進行多級級差保護配合，稱為單純時間級差部分配合模式。

變電站變壓器低壓側開關(也即10 kV母線進線開關)的過流保護動作時間一般設置為0.5～0.7 s。考慮最不利的情況，為了不影響上級保護的整定值，需要在0.5 s內(nèi)安排多級級差保護的延時配合。

對于饋線斷路器使用彈簧儲能操動機構的情形，其機械動作時間一般為60～80 ms，保護的固有響應時間為30 ms左右，考慮一定的時間裕度，延時時間級差△T可以設置為250～300 ms，從而實現(xiàn)2級級差保護配合。

對于饋線斷路器使用永磁操動機構的情形，其分閘時間可以做到20 ms左右。快速保護算法可以在10 ms左右完成故障判斷，考慮一定的時間裕度，延時時間級差△T可以設置為150～200 ms，從而實現(xiàn)3級時間級差保護配合。

在系統(tǒng)抗短路電流承受能力較強的情況下，可以適當延長變電站變壓器低壓側開關的過流保護動作延時時間，以便提高多級級差配合的可靠性，比如對于采用永磁操動機構開關，時間級差可以設置為200 ms，對于采用彈簧儲能操動機構開關，時間級差可以設置為300 ms。由于變壓器、斷路器、負荷開關、隔離開關、線路以及電流互感器的熱穩(wěn)定校驗時間一般均為2 s，因此所建議的多級級差保護配合方案并沒有對這些設備的熱穩(wěn)定造成影響。

1.1.2 2級級差保護的配置原則

2級級差保護配合下，線路上開關類型組合選取及保護配置的原則為:主干饋線開關全部采用負荷開關；用戶(或次分支)開關或分支開關采用斷路器；變電站出線開關根據(jù)需要決定是否裝設瞬時電流速斷保護，其過電流保護的延時時間設置為1個時間級差△T；用戶(或次分支)斷路器或分支斷路器保護動作延時時間設定為0，電流定值按照躲開下游最大負荷以及勵磁涌流設置。

采用上述2級級差保護配置后的優(yōu)點在于:分支或用戶(或次分支)發(fā)生故障后不影響主干線上其他用戶供電，且整定值不受饋線運行方式影響。

1.1.3 3級級差保護的配置原則

采用3級級差保護的典型配置為:變電站10 kV出線開關、具備多級級差保護配合條件區(qū)域的饋線分支開關與用戶(或次分支)開關形成3級級差保護，其中用戶(或次分支)開關保護動作延時時間設定為0，電流定值按照躲開下游最大負荷電流以及勵磁涌流設置；饋線分支開關保護動作延時時間設定為△T，電流定值按照躲開下游最大負荷電流以及勵磁涌流設置；變電站出線開關過流保護動作時間設定為2△T。

采用上述3級級差保護配置后的優(yōu)點在于:用戶(或次分支)發(fā)生故障后不影響分支線路上其他用戶供電，分支線路發(fā)生故障后不影響主干線上其他用戶供電，且整定值不受饋線運行方式影響。

1.2 單純3段式(I、Ⅱ段)過流保護配合模式

n級3段式過流保護的示意圖如圖1所示。

圖1 n級繼電保護示意圖Fig.1 n-level over-current protection

傳統(tǒng)的3段式過流保護的瞬時電流速斷保護定值是不區(qū)分短路類型的，都是按照線路末端最大三相短路電流來整定，而靈敏度校驗卻是按照最小兩相短路電流來校驗。

用ln表示為了實現(xiàn)第n級3段式過流保護配合所需要的最小饋線長度，且有l(wèi)0＝0，ln可通過求解式(1)獲得[14]。

式中:r和χ分別為饋線單位長度電阻和電抗；β為各級瞬時電流速斷保護至少保護該級饋線段的長度比例；Xsmax和Xsmin分別為最大方式和最小方式下的系統(tǒng)阻抗；K＝，其中K為靈敏度系數(shù)，Ksen和分別為I段和II段保護的可靠系數(shù)。

繼電保護裝置能夠很容易地區(qū)分出線路發(fā)生的是三相短路故障還是兩相短路故障，如果將三相短路故障和兩相短路故障分開對待，電流速斷定值按照線路末端發(fā)生不同故障的最大短路電流來整定，靈敏度校驗按照各自故障的最小短路電流來校驗，形成2套不同的電流定值，就能顯著提高3段式過流(I、II段)保護的配合性能。

文獻[14]給出了上述改進方法下實現(xiàn)第n級3段式過流保護配合所需要的最小饋線長度:

傳統(tǒng)方法和改進方法下4級3段式過流保護配合所需最小饋線段長度分別如圖2、3所示，曲面上方為可配置區(qū)域，其中Smax和Smin代表系統(tǒng)最大短路容量和最小短路容量，L代表饋線長度。

圖2 傳統(tǒng)方法下4級保護配合的饋線段臨界長度Fig.2 Critical lengths of four-level protection under traditional method

圖3 改進方法下4級保護配合的饋線段臨界長度Fig.3 Critical lengths of four-level protection under improved method

比較圖2、3可以看出，在系統(tǒng)容量、供電半徑一定時，按照短路類型分開的改進方法比按照傳統(tǒng)方法整定時可配置保護級數(shù)更多，并且兩相相間短路情況下的速斷保護范圍大大增加。

1.3 3段式過流保護與時間級差混合模式

單純3段式過流保護配合模式可實現(xiàn)主干線上多級保護配合，但是分支線(或次分支線)故障也會造成主干線部分停電。3段式過流保護與時間級差混合模式綜合了3段式過流保護配合和時間級差保護配合的優(yōu)點，其主干線采用3段式過流保護配合，分支線與主干線、次分支線(或用戶)與分支線間采用延時時間級差全配合模式或部分配合模式。

2 4種配電網(wǎng)繼電保護配合模式比較

2.1 單純時間級差全配合模式

所需延時時間級差:變電站須采用延時速斷保護，2級配合需要1個延時時間級差，變電站出線斷路器△t1＝△T， 分支斷路器△t0＝0；3級配合需要2個延時時間級差，變電站出線斷路器△t2＝2△T， 分支斷路器△t1＝△T；次分支或用戶斷路器:△t0＝0。變電站出線斷路器最短動作延時時間:△T(2級配合)，2△T(3級配合)。變電站出線斷路器最長動作延時時間:△T(2級配合)，2△T(3級配合)。

單純時間級差全配合模式的優(yōu)點為兩相相間短路和三相相間短路時都能全面配合，分支故障不影響主干線，次分支/用戶故障不影響分支(3級配合時)，故障停電用戶少。缺點是變電站須采用延時速斷保護。

2.2 單純時間級差部分配合模式

可配合級數(shù):一般2級，饋線較長或導線截面較細時也可實現(xiàn)3級配合。所需延時時間級差:變電站采用瞬時速斷保護和延時速斷保護，△t1＝0， △t2＝△T；部分(瞬時速斷保護范圍之外的下游部分)分支/次分支/用戶開關△t0＝0。變電站出線斷路器最短、最長動作延時時間分別為0、△T。

單純時間極差部分配合模式的優(yōu)點為變電站可采用瞬時速斷保護，分支故障不影響主干線，故障停電用戶少。缺點為饋線較短或導線截面較粗時，一般只有少部分區(qū)域兩相相間短路時才能實現(xiàn)配合。

2.3 單純3段式過流保護配合模式

可配合級數(shù):n，可根據(jù)式(1)、(2)計算。所需延時時間級差:總共只需要1個延時時間級差，I段△tI＝0， Ⅱ段△tⅡ＝△T。變電站出線斷路器最短、最長動作延時時間分別為0、△T。

單純3段式過流保護配合模式的優(yōu)點是可實現(xiàn)主干線上多級保護配合。缺點是選擇性較差，故障停電用戶多。

2.4 3段式過流保護與時間級差混合模式

可配合級數(shù):n＋2(全配合方式)，n＋1(部分配合方式)。所需延時時間級差:與2級全配合延時時間級差混合時，變電站出線斷路器、主干線斷路器I段△tI＝△T， Ⅱ段△tⅡ＝2△T，分支/次分支/用戶斷路器△t0＝0；與3級全配合延時時間級差混合時，變電站出線斷路器、主干線斷路器I段△tI＝2△T， Ⅱ段△tⅡ＝3△T，分支斷路器△t1＝△T，次分支/用戶斷路器△t0＝0；與2級部分配合延時時間級差混合時，變電站出線斷路器、主干線斷路器I段△tI＝0，Ⅱ段△tⅡ＝△T，部分分支/次分支/用戶斷路器△t0＝0。變電站出線斷路器最短動作延時時間:與2級全配合方式混合時為△T；與3級全配合方式混合時為2△T；與2級部分配合方式混合時為0。變電站出線斷路器最長動作延時時間:與2級全配合方式混合時為2△T；與3級全配合方式混合時為3△T；與2級部分配合方式混合時為△T。

3段式過流保護與時間級差混合模式的優(yōu)點是選擇性增強，故障停電用戶減少。缺點是與全配合方式混合時降低了變電站出線開關保護動作的迅速性；與部分配合方式混合時只有一部分兩相相間短路故障時可以提高選擇性。

3 配電網(wǎng)繼電保護配合模式的選擇原則

在實際應用中，需要根據(jù)上節(jié)所述4種配電網(wǎng)多級保護配合模式的特點，合理選用合適的繼電保護配合模式，可采用如圖4所示的流程，其主要思想如下。

對于供電半徑短、導線截面粗的城市配電線路，由于沿線短路電流差異小，難以實現(xiàn)多級3段式過流保護配合，因此主要采用延時時間級差配合方式實現(xiàn)線路的多級保護配合；對于供電半徑長、導線截面細的農(nóng)村配電線路，可以實現(xiàn)多級3段式過流保護配合，根據(jù)需要在可行的情況下，還可以采用3段式過流保護配合與延時時間級差配合相結合的方法進一步提高多級保護配合的性能。

對于架空配電線路和架空線路長度比例較高的電纜架空混合配電線路，在符合《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》(GB/T 14285—2006)對于僅設置延時速斷保護的要求，并且短路電流水平不是很高且變壓器抗短路能力較強時，變電站出線斷路器可不設置瞬時速斷電流保護，而設置具有一定延時時間的延時速斷保護，其延時時間可根據(jù)變壓器抗短路能力和實際需要設置。延時時間級差取決于繼電保護裝置的故障檢測時間、保護出口的驅動時間和斷路器的動作時間，可以根據(jù)第1.1節(jié)論述的時間級差來設置。

當變電站出線斷路器的I段可以延時1個級差時，可以采用2級單純延時時間級差全配合模式，或改進的3段式過流保護與2級延時時間級差全配合的混合模式；當變電站出線斷路器的I段可以延時2個級差時，可以采用3級單純延時時間級差全配合模式，或改進的3段式過流保護與3級延時時間級差全配合的混合模式。當變電站出線斷路器必須設置瞬時速斷電流保護時，可以采用多級改進的3段式過流保護配合模式，或2級延時時間級差部分配合模式，若下游分支/用戶較多時，為了提高饋線下游開關與主干線開關的可配合范圍，宜采用傳統(tǒng)的3段式過流保護與2級延時時間級差部分配合的混合模式，但是會減慢主干線上瞬時速斷保護范圍之外的饋線段故障切除時間。

對于電纜配電線路，由于即使在電纜上發(fā)生兩相相間短路，也會引發(fā)三相相間短路，因此無法實現(xiàn)時間級差部分配合方式，也不能選用單純時間級差部分配合模式和3段式過流保護與時間級差部分配合的混合模式。

配電網(wǎng)繼電保護裝置可以配置通信手段(如GPRS、光纖等)并與配電自動化系統(tǒng)主站進行數(shù)據(jù)交互，以便調(diào)度員及時掌握配電網(wǎng)運行情況，并在保護動作不正確時進行修正性故障定位和故障處理。

對于采用繼電保護配合后仍不能滿足供電可靠性要求的情形，可以建設適當數(shù)量的“三遙”或“兩遙”型配電終端、通信網(wǎng)絡和配電自動化主站，通過配電自動化系統(tǒng)與繼電保護協(xié)調(diào)配合進行故障處理，實現(xiàn)更加精細的故障定位、隔離和健全區(qū)域恢復供電。

圖4 配電網(wǎng)繼電保護配合模式的選擇流程Fig.4 Selection process of relay protection mode for distribution network

4 實例分析

圖5為某35 kV變電站一條10 kV農(nóng)網(wǎng)配電線路的輻射狀供電接線圖，導線型號為LGJ-150，饋線單位長度阻抗為(0.21＋j0.372)Ω。圖中，X變至Y中心為主干線，長度為16 km，其余饋線段均為分支線路，所有分支線路總長為13 km。A～D為主干線分段斷路器，Ai～Ei為分支/用戶斷路器。假設系統(tǒng)最大、最小運行方式下的短路容量分別為260 MVA和150 MVA，可靠系數(shù)分別取＝1.3，＝1.1，靈敏度系數(shù)取Ksen＝1.5，β取20%。

圖5 實例中的1O kV饋線接線圖Fig.5 1O kV feeder wiring diagram in example

根據(jù)繼電保護的相關規(guī)程[6-8]，對于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，并且過電流保護的時限不大于0.5～0.7 s的情況，可以不裝設瞬時電流速斷保護，而采用延時電流速斷保護或過電流保護，反之，則必須裝設瞬時電流速斷保護。為了充分說明配電網(wǎng)繼電保護的配合方法，本文分2種情況進行繼電保護的配置。

(1)變電站出線斷路器配置延時速斷保護(情況1)。根據(jù)第3節(jié)選擇原則可知，宜采用3段式過流保護與時間級差全配合的混合模式。采用第1節(jié)所述的方法可以確定主干線可以配置改進方法下的4級3段式過流保護，分別配置在A、B、(C、E)、D，各級保護裝置距離母線的饋線長度分別為0，1.57，5.69，14.42 km，其中，C和E均為第3級，D為附加級[14]，其電流定值如表1中情況1所示，第1套定值按照三相短路電流整定，第2套定值按照兩相短路電流整定。

(2)變電站出線斷路器配置瞬時速斷保護(情況2)。根據(jù)第3節(jié)選擇原則可知，宜采用3段式過流保護與時間級差部分配合的混合模式，并且為了提高下游分支斷路器的可配合范圍，主干線上3段式過流保護采取傳統(tǒng)的整定方法。采用第1節(jié)所述的方法可以確定，主干線可配置傳統(tǒng)方法下的3級3段式過流保護，分別配置在A、B′、(C′、E′)，各級保護裝置距離母線的饋線長度分別為0，2.09，7.96 km，其中，C′和E′均為附加級[14]，其電流定值如表1中情況2所示。

對該配電網(wǎng)進行短路電流分析可知，各分支處的最小三相短路電流為450 A，最小兩相短路電流為390 A。因此，對于情況1，可將所有分支斷路器(不包括E)的電流定值均設置為300 A(三相相間短路)和260 A(兩相相間短路)，延時時間為0。對于情況2，將部分分支斷路器(A1、B2、B3、B4、C1、E1)的電流定值均設置為260 A，延時時間為0，當然也可根據(jù)短路電流的不同，差異化設置各個分支斷路器的定值。

表1 2種情況下主干線上各級保護的電流定值Table 1 Current setting values of multilevel protection on main trunk in two caseskA

注:“/”前表示第1套定值，“/”后表示第2套定值。

5 結 論

(1)配電網(wǎng)繼電保護配合模式可分為4種，即單純時間級差全配合模式、單純時間級差部分配合模式、單純3段式過流保護配合模式和3段式過流保護與時間級差混合模式。

(2)單純時間級差全配合模式的優(yōu)點是分支故障不影響主干線，次分支/用戶故障不影響分支。但是變電站須采用延時速斷保護。單純時間級差部分配合模式的優(yōu)點是變電站可采用瞬時速斷保護，且分支故障不影響主干線，但是只有部分饋線能夠實現(xiàn)保護配合。單純3段式過流保護配合模式的優(yōu)點是變電站可采用瞬時速斷保護且可實現(xiàn)主干線上多級保護配合，但是一般只有在饋線供電半徑較長的農(nóng)網(wǎng)中才能實現(xiàn)保護配合。3段式過流保護與時間級差混合模式較單純3段式電流保護配合模式的選擇性增強。

(3)實際應用中需根據(jù)4種配電網(wǎng)多級保護配合模式的特點，按照第3節(jié)建議的方法合理選用合適的繼電保護配合模式。

配電網(wǎng)繼電保護裝置可以配置通信手段與配電自動化系統(tǒng)主站進行數(shù)據(jù)交互，對于采用繼電保護配合后仍不能滿足供電可靠性要求的情形，可以穿插規(guī)劃一些“三遙”型智能配電終端，通過繼電保護與集中智能配電自動化協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)更加精細的故障定位、隔離和健全區(qū)域恢復供電。

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(編輯：張小飛)

Allocation Model and Selection Principle of Relay Protection for Distribution Network

LIU Jian1，LIU Chao2，ZHANG Xiaoqing1，ZHANG Zhihua1
(1.Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi，an 710054，China；2.State Gird Shaanxi Economic Research Institute，Xi，an 710075，China)

To improve the reliability of distribution network，the key technologies of relay protection coordination planning design for distribution systems were investigated.Four modes of relay protection were proposed，such as the only time Delay Full Coordination mode(DFC)，the only time Delay Part Coordination mode(DPC)，the only three Section Current Protection Coordination mode(SCC)and the Hybrid Coordination mode of three Section current protection and time Delay(HSD).The basic principles of the four relay protection coordination modes were described and their characteristics were compared.Then，the selection principles of the coordination modes of relay protection were suggested，which was analyzed through examples.The results show that the proposed multilevel protection coordination modes and the selection method are feasible.

distribution network；relay protection；planning；fault；automation

TM 773

A

1000-7229(2015)11-0024-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.004

2015-05-27

2015-08-25

劉健(1967)，男，總工程師，博士，教授，博士生導師，百千萬人才工程國家級人選，主要研究方向為配電網(wǎng)及其自動化技術；

劉超(1990)，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為配電網(wǎng)繼電保護；

張小慶(1971)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化；

張志華(1987)，男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化。