城市電網10kV配電系統繼電保護的分析

曾枝

（廣東鷹視能效科技有限公司）

1 引言

由于電力系統的發電、變電、輸電、配電和用電等五個環節都需要依賴于城市電網10kV配電系統這一關鍵性的環節。因此，它能否安全、穩定、可靠的運行，不僅關系著政府、企業以及居民的日常工作生活秩序，更與社會的經濟建設和社會建設有著直接的關系，為了城市的正常安全生產活動的進行，應對城市電網10kV配電系統繼電保護裝置進行系統化的了解。但在當今城市生產生活中，仍存在著許多安全隱患，在一定程度上危及著人們的生產生活，更有甚者，演變為巨大的災害，危及人們的生命和財產安全。

2 配電系統繼電保護概述

繼電保護的主要作用就是防止因短路故障或不正常運行狀態造成電氣設備或供配電系統的損壞，從而提高供電的可靠性。因此，電保護是變電所二次回路的重要組成部分，也是供電設計的主要內容；繼電保護裝置就是能反映供配電系統中電氣設備發生的故障或不正常運行狀態，并能動作與斷路器跳閘或啟動信號裝置發出預警信號的一種裝置。其過流保護裝置的接線方式如圖1所示。

圖1 過流保護裝置的接線方式

3 10kV配電系統繼電保護的基本類型

一座城市的電力系統是否安全、可靠運行在很大程度上依靠于城市電網10kV配電系統繼電保護裝置的性能好壞。電力系統本身是一個系統化，程序化的科學裝置。正如圖2所示，在一個電力系統中一旦出現短路的故障，電壓和電流會發生相應的變化，具體表現在：電流急劇增大、電壓急劇下降同時電壓與電流的相位角會發生變化。因此，在進行城市配電系統繼電保護裝置設計時可結合電路本身帶有的物理特性，進行科學合理的設計，從而滿足不同環境下的配電網保護裝置的要求。城市電網10kV配電系統繼電保護裝置主要包括過負荷保護、電流速斷保護、反時限過電流保護、零序電流保護以及定時限過電流保護等幾種保護措施。這些保護裝置對電路系統中的過電壓及低電壓進行保護，在反映電流變化的同時也反映著電壓與電流之間相位角的變化。

4 城市電網10kV配電系統對其繼電保護裝置的要求

4.1 具有良好的速動性

速動性是指保護裝置在電路發生短路故障時能夠盡快切斷短路故障。其目的是提高系統穩定性，減輕故障設備和線路的損壞程度，從而縮小故障波及范圍，提高自動重合閥和備用電源或備用設備自動投入的效果等。在電路系統發生故障時，保護裝置應及時快速的切斷故障線路，以免波及其他正常運行的線路，避免發生重大災害同時在一定情況下允許保護裝置帶有一定的延時切除故障。因此，城市電網10kV配電系統對其繼電保護裝置應具有良好的速動性的要求，同時應根據電力系統接線以及被保護元件的具體情況對繼電保護裝置的速動性進行測評。

4.2 具有較高的靈敏性

靈敏性是指針對在設別或線路的被保護范圍內發生金屬性短路時，保護裝置應具有必要的靈敏系數，從而保證在配電系統中出現故障的原件能夠被迅速檢測出來并做出切斷處理。衡量繼電保護裝置靈敏性的數值成為繼電保護的靈敏系數，即在電路發生故障時通過裝置的故障量和給定的裝置起動值之比。它是考核繼電保護靈敏性的具體指標，在一般的繼電保護設計與運行規程中，對它都有具體的規定要求。繼電保護愈靈敏，愈能可靠地發映出要求動作的故障或異常狀態，但同時也愈易于在非要求動作的情況下產生無動作，因而與繼電保護裝置要求的選擇性發生矛盾，需要協調處理。事實上，在配電系統中，配電保護裝置的靈敏性越強，安全保障也就越高，從而可以為配電系統提高維護效率提供有利的的信息情報。

圖2 10kV配電室及變壓器繼電保護二次線路原理圖

4.3 具有較強的可靠性

可靠性是指繼電保護裝置保護該動作是進行相應的動作，不該動作是阻止相應的定做，從而可以確保故障設備和線路的處于安全狀態。自動化裝置與繼電保護的可靠性主要來源于設備本身的可靠性和設備功能的可靠性，因此，從這一方面來說，設備的誤動和拒動幾率是其具體表現。通常來說，單一指標無法系統衡量一個繼電保護裝置的可靠性，一般需要幾個指標綜合進行衡量評估?？煽啃栽u估的三個基本指標分別是平均無故障工作時間、有效度和成功率，根據這三個指標有效評估出自動化裝置與繼電保護的可靠性是機電保護裝置的關鍵所在。

4.4 具有可選擇性

選擇性是指首先由故障設備或線路本身的保護切除故障，當故障設備或線路本身的保護或斷路器拒動時，才允許由相鄰設備、線路的保護或斷路器失靈保護切除故障，從而避免大規模停電的發生。通常，一個配電系統繼電保護裝置的選擇性是由保護方案和整體計算所決定的。為使繼電保護裝置在供電系統中發生故障時有選擇可靠地切除障礙，把停電影響范圍盡可能的縮小，保證非故障設備能繼續正常運行，有三種方法可以實現：

（1）按整定動作電流配合，使上下級相鄰保護裝置的動作電流之比不小于2。

（2）按動作整合時間配合，使上下級相鄰保護裝置的動作實時限有一定的級差，定時限級差應大于0.5s，定時限與反時限之間極差應為0.7s以上。

（3）當時限極差不能滿足選擇性要求時，可采用相對閉鎖、自動重合閘或備用電源自動投入裝置加以彌補。

5 電流保護分析

5.1 定時限過電流保護

為了實現過電流保護動作的選擇性，各保護的動作時間一般按階梯原則進行整合，即相鄰保護的動作時間，自負荷向電源方向逐級增大，且每套保護的動作時間是恒定不變的，與短路電流的大小無關，具有這種動作時限特性的過電流保護稱為定時限過電流保護。

5.2 定時限過電流保護工作原理

正如圖3所示：電流互感器1KA、2KA：電流繼電器WBC：控制小母線FU1、FU2：控制回路熔斷器SA：分合閘操作開關R：信號燈串聯電阻HL-G：綠色信號燈HL-R：紅色信號燈YA-N：斷路器合閘線圈YA-F：斷路器跳閘線圈QF：斷路器輔助接點1KS、2KS：信號繼電器KM：中間繼電器KT：時間繼電器1XB、2XB：掉閘壓板定時限過流保護動作原理：定時限過流保護，其動作時限與故障電流之間的關系表現為定時限特性，即繼電器保護動作時限與系統短路電流的數值大小無關，只要系統故障電流轉換成保護裝置中的電流，達到或超過保護的整定電流值，繼電保護就以固有的整定時限動作，使斷路器掉閘，切除故障。當主電路出現過電流時，電流繼電器3KA或4KA線圈獲電，繼電器的常開觸點閉合，使時間繼電器KT開始計時，計時結束。KT的常開觸點（延時）閉合，并接通信號繼電器2KS及跳閘線圈YA-F，從而實現斷路器掉閘。速斷保護是由電流繼電器1KA或2KA控制中間繼電器KM動作的（動作無延時），當1KA或2KA常開觸點閉合，KM線圈獲電后，KT的常開觸點閉合，并接通信號繼電器1KS及跳閘線圈YA-F，從而實現斷路器掉閘。電流回路中，1KC、2KC為速斷保護元件，有較大的整定電流。3KC、4KC為過電流保護元件，有較小的整定電流。串接于同一電流互感器回路。在正常情況下，繼電器均流過負荷電流，由于負荷電流小于速斷保護元件和過電流保護元件的整定值，繼電器不起動，保護不動作，斷路器不跳閘。當變壓器低壓出線發生短路故障時，3KC（4KC）起動，接通時間元件KT，開始汁算時間，過電流保護元件動作順序如下：3KC（4KC）→KT（線圈）→KT延時閉合接點→2KS→2XB→YR變壓器高壓側斷路器跳閘。當變壓器高壓側發生短路故障時，速斷保護元件1KC、2KC起動，速斷保護元件動作順序如下：1KC（2KC）→KA→1KS→lXB→YR斷路器跳閘，切除故障點。

圖3 定時限過電流保護原理圖

6 結束語

發展水平的提高，城市化進程的不斷加快，保證城市用電系統的有序運行是經濟社會發展的關鍵所在。城市電網10kV配電系統繼電保護裝置是有效預防電網突發事件產生，將危險因子扼制在萌芽狀態的核心。在城市電網10kV配電系統中，各種類型的電氣設備通過電氣線路緊密地聯合在一起，因此，應正確設置利用繼電保護裝置來促進經濟發展。

[1]龍 杰.城市電網10kV配電系統繼電保護的分析探討[J].科技創新導報，2011（27）：125.

[2]解江勝.城市電網10kV配電系統繼電保護的分析探討[J].電子世界，2013（24）：69.

[3]盧志剛，陳偉坤，張曉輝，張丹，馬麗葉.城市電網輸配全局最大供電能力分析[J].電網技術，2015，39（06）：1623～1630.