光伏接入對配電網電流保護的影響分析

陜西渭南市瑞泉中學 張鎮航

光伏接入對配電網電流保護的影響分析

陜西渭南市瑞泉中學 張鎮航

本文介紹了我國傳統配電網三段式電流保護的整定原則及計算，在此基礎上針對光伏系統接入配電網位置的不同，詳細分析了其對三段式電流保護的影響，同時給出光伏并網后的繼電保護改進措施。

光伏并網；三段式電流保護；影響分析

一、引言

近些年來，在環境問題和能源問題的雙重壓力下，世界各地紛紛轉向可再生清潔能源的開發利用，我國也在努力推出許多有關光伏發電產業的優惠政策。光伏發電因擁有節約能源損耗和提高輸出效率的能力所被人看重，然而光伏并網也會給配電網帶來多方面影響。當光伏接入配電網后，會改變原有配電網的結構，使原來簡單的單電源輻射結構變為復雜的多電源網絡[1]。當配電網上游有短路故障發生時，配電網上短路故障電流的大小和方向將會因為光伏接入而發生變化，使得繼電保護難以繼續正確可靠地保護線路，繼而影響配電網保護性能。例如因為靈敏度降低、保護范圍減小而發生拒動或因為保護范圍增大導致誤動問題等出現。

目前來看，國外由于科技較發達、實驗室設備更為先進，他們對光伏發電技術的研究也更為深入，但很多國外文獻關于光伏系統并網保護的影響大部分都是基于中性點直接接地系統來分析，而我國由于國情不同，所以不能照搬國外文獻的分析方案。我國傳統配電網一般采用三段式電流保護，尤其是在中低壓配電網中應用廣泛，這類保護安裝靈活，保護方案簡單，從經濟角度和實用角度來看都非常不錯。因此本文對光伏并網后的配電網電流保護進行詳細的影響分析研究，并提出相應的改進辦法來使繼電保護在光伏并網的配電網中不發生過大變動的基礎上依然可以可靠動作。

二、傳統配電網三段式電流保護整定及原則

圖1 單電源配電網結構圖

1.電流速斷保護

電流速斷保護是指當線路上短路電流值大于保護整定值能瞬間反應動作的保護，也叫電流I段保護。為保證電流速斷保護的選擇性，設置一個使電流速斷保護發生動作的最小電流，即為整定電流Iset。將Iset設定為大于下一出口的最大短路電流，這樣就可以從根本上避免了電流速斷保護在下一區間出口短路發生誤動的情況。

由上述可知，保護R2的整定電流為：

考慮到非周期分量，短路故障電流帶來的誤差，動作保護存在延遲等的影響，因此要引入可靠系數，，此時，

電流速斷保護的優勢在于可以快速反應故障，進行動作，且安裝便捷，經濟性良好，缺陷在于保護范圍容易因系統運行方式變化而產生大幅度變動，也因此保護范圍不能延伸到線路末端。

2.限時電流速斷保護

電流速斷保護雖然具有選擇性，卻因無法區分末端短路電流致使無法保護線路全長，因此需要增加一段帶時限的保護，隔離同一線路上電流速斷保護范圍外的故障發生點，同時也可以成為電流速斷保護的后備保護[2]。

限時電流速斷保護必須滿足能夠保護自身所在全部線路，而且不會先于下一級的電流速斷保護動作，從而保證繼電保護裝置動作的選擇性。限時電流速斷保護的保護范圍不應超過下級線路的電流速斷保護的保護范圍，以圖中保護R2為例，可以得到其Ⅱ段整定值為：

因為在實際連接中肯定會存在誤差，使得保護范圍與計算值不同，就可能導致保護裝置R2的Ⅱ段電流速斷保護發生誤動，故而引入可靠系數=1.1～1.2：

由于限時電流速斷保護要比下級線路的電流速斷保護反應動作慢，因此需要給限時電流速斷保護在電流速斷保護的基礎上增加一個時限，即：

電流保護Ⅰ、Ⅱ段相互配合可以讓保護在0.5s內快速切除故障，因此他們也常一起被稱為線路的主保護。

3.定時限過電流保護

當線路上的短路電流值超過最大負荷電流值時，此時過電流保護啟動，所以啟動電流值須大于本線路的最大負荷電流，同時也要考慮到保護能夠在切除故障后可以正常回歸。過電流保護一般是作為下級線路電流保護拒動時才啟動的遠后備保護，當本線路電流保護拒動時，也可以作為本線路的近后備保護。由此可得公式：

應繼電保護選擇性的要求，保護2的過電流保護應在保護1線路的主保護和近后備保護（保護1的過電流保護）都不動作后才可以發揮作用，因此保護2的動作時限應該比保護1高出一個時限，即：

三、光伏并網對配電網電流保護影響分析

光伏電源并入配電網后，會對電流保護造成影響，使電流保護的靈敏度和保護范圍都發生變化。故障發生點、光伏接入位置、線路保護間的位置不同，對電流保護造成的影響也有很大差異。本節將按PV接入配電網的位置分類具體討論其對電流保護造成的影響，以下各處發生的短路故障都默認為三相短路故障。

圖2 含光伏接入的配電網斷路故障結構圖

1.PV接入配電網饋線終端（PV接入E母線）

（1）故障位于本線路

當K1處發生故障時，本應該斷路器QF1跳開保護本線路，但光伏接入后，短路點的故障電流由電網和pv共同提供，保護裝置QF2、QF3流過反向故障電流，由于其無方向判斷功能，當PV提供的短路電流大到超過保護整定值時，會導致QF2、QF3誤動。PV容量越大，到故障發生點出短路阻抗越小，影響越明顯。

（2）故障位于相鄰饋線

當K3處發生故障，本應該由斷路器QF4跳開，但同樣由于光伏的接入導致保護裝置QF1、QF2、QF3流過反向故障電流，電流較大時可能會導致這3個保住裝置誤動，失去選擇性。由傳統電流三段式保護整定原則可知，QF3的起動電流最小，因此斷路器QF3最有可能誤動。同時，流過QF4的故障電流為PV與電網電源疊加提供的，致使其感受的電流增大，可能會使其保護范圍擴大，延伸至下一線路，與QF5失去配合。

2.PV接入配電網饋線中部（PV接入C母線）

當K1發生故障時，QF1應切除故障，因QF1對策沒有保護裝置，所以切除的實際線路為本線路后續全部，如此，當PV接入在母線C時，則非常可能致使切除后續線路變為孤島運行，光伏電源持續給故障點K1提供短路電流。因光伏系統自身設有保護系統，最終將為防止損壞設備而退出電網。因此，需要在AC段斷路器QF1對側加裝保護裝置和方向元件。

當K2發生故障時，對于保護裝置QF1來講，由于PV的接入將使流過其電流減小，產生汲取作用，使得保護QF1的靈敏度下降，保護范圍縮短，嚴重情況下，將有可能拒動。對于保護裝置QF2來講，其感受到的電流來自電網電源與光伏電源的電流疊加，PV起到助增作用，致使其靈敏度增大，保護范圍延長。如果延伸到DE段則將與QF3失去配合，無法保證選擇性。

當K3發生故障時，分析同1），非常有可能導致QF1誤動，QF4保護范圍擴大。

3.PV接入配電網始端（PV接入A母線）

當PV接入饋線始端時，相當于增加了系統的容量，雖然故障時各線路上保護裝置感受到的短路電流增加了，但是因為PV的容量和配電網相比還是比較小的，故而其對保護的影響很小，此處不做討論。

需要注意的是，如果要分析多個PV同時接入對保護的影響，只需要按上述思路分別分析，最后的疊加情況要綜合考慮PV的容量、接入距離、等值阻抗等因素。由上述分析可知，在光伏電源并入配電網時，原有的保護可能不再滿足原有繼電保護裝置“四性”要求，保護整定值需要根據情況進行調整，原有配電網繼電保護的設置方法也需要改進。

四、總結

本文通過對傳統配電網三段式電流保護整定原則及計算的仔細研究基礎上，詳細分析了光伏接入配電網不同位置時對電流三段式保護的影響，可知光伏系統在接入配電網后對繼電保護動作的可靠性和選擇性都產生了不可忽視的影響，并提出了相應的改進措施：

1.當光伏系統接在保護上游時，故障發生在保護裝置下游，此時光伏電源對故障電流起到助增作用，增加了流過保護的短路電流，擴大了靈敏度和保護范圍，為了保證保護裝置選擇性此時需對其整定值從新進行計算，使繼電保護可以可靠動作。

2.當光伏系統處在保護裝置的下游時，而故障點在光伏系統下游時，此時光伏系統起到汲取作用，減小了流過保護的短路電流，減小了靈敏度和保護范圍，為了保證繼電裝置的選擇性此時需對其整定值從新進行計算。

3.當光伏系統同時在保護與故障點下游時，可認為對電流保護沒有影響。

4.當相鄰饋線發生故障時，來自光伏系統提供的反向電流將會經過上游護裝置，如果這個反向電流足夠大，那么保護裝置將會發生誤動作，因此在上游的電流保護應該添加方向電流元件。

[1]趙擁華．分布式新能源接入配電網的繼電保護研究[D]．華北電力大學,2014．

[2]李曉暉．分布式電源對配電網繼電保護影響的研究[D]．華北電力大學(北京),2011．

[3]祁歡歡,荊平,戴朝波,趙波．分布式電源對配電網保護的影響及保護配置分析[J]．智能電網,2015,(01)：8-16．

[4]王樹東,錢其三．分布式電源對配電網保護的影響分析及改進方案[J]．重慶理工大學學報(自然科學),2014,(01)：87-90．

[5]王樹東,錢其三．分布式電源對配電網保護的影響分析及改進方案[J]．重慶理工大學學報(自然科學),2014,(01)：87-90．

張鎮航，男，陜西渭南人，現就讀于陜西渭南市瑞泉中學高中，研究方向：電力系統繼電保護。