配電網合環調電對繼電保護的影響分析

張樹培，王科，張曦源，李明澤，秦超

（1. 云南電網有限責任公司保山供電局，保山 678000；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；3. 云南電網有限責任公司楚雄供電局，楚雄 675000；4. 云南電網有限責任公司麗江供電局，麗江 674100；5. 云南電網有限責任公司曲靖陸良供電局，陸良 655600）

0 前言

隨著城網改造的逐漸深入，配電網的發展對供電可靠性的要求越來越高。配電網一般采用“閉環設計，開環運行”的供電方式，在雙向供電和多電源供電增多的情況下，為提高供電的可靠性，減少停電對用戶的影響，研究安全可靠的合環調電技術對配電網的發展有重要意義，但合環調電產生的合環電流一定程度上提高了繼電保護不正確動作的概率，如果合環操作與保護定值配合不當輕則導致合環失敗，重則影響電網安全，所以需要通過分析，降低合環調電操作對繼電保護的影響。

1 合環調電對繼電保護影響

合環調電是通過對配電網聯絡開關進行合環、解環操作，實現設備操作、導負荷等調電過程不停電。實際合環調電過程是具有安全風險的，因為合環前兩側存在電壓差[1]，當聯絡開關合上時兩端的電壓差會發生突變，引起環路各個節點的電壓大小和相位變化，要經歷一個功率振蕩過程才能達到新的穩態。在這過程中，合環時產生的沖擊電流和合環后的穩態電流都會對繼電保護產生影響。

1）合環沖擊電流對保護的影響：合環瞬間沖擊電流的大小受兩側電壓的幅值差、環網總阻和電壓的相角差影響，若沖擊電流過大則會引起繼電保護的動作或繼電保護拒動后的越級跳閘，導致合環失敗甚至危及電網的運行安全。

2）合環穩態電流對保護的影響：合環后，配電線路改變了原有的網絡拓撲結構，形成電氣環網和復雜的電磁環網，導致循環潮流出現，潮流重新分布后產生的循環功率可能導致電流增大，嚴重時將造成保護裝置動作。

除了合環沖擊電流與穩態電流的影響外，合環后若遇饋線發生短路故障，對保護的靈敏度也有影響。所以要想繼電保護和合環調電相互配合，一方面要讓繼電保護裝置能在合環調電前后保持正常運行，另一方面也要讓合環調電操作不會造成繼電保護裝置的動作，合環調電才能安全順利的完成。

2 合環電流與保護定值的配合分析

針對配電網輻射狀[2]的特點，配電網的保護配置中最常見的是采用三段式過流保護，包括電流速斷保護（電流Ⅰ段）、限時電流速斷保護（電流Ⅱ段）和定時限電流速斷保護（電流Ⅲ段），文獻[3]介紹了配網差動保護方法，但由于差動保護受配網硬件水平和通信的制約，暫不能在配電網中普遍運用。

電流速斷保護的電流定值高、動作時間短，特點是動作迅速但不能保護本條線路的全長。限時電流速斷保護的電流定值低于電流速斷保護、動作時間延長，特點是可以保護本條線路全長且有足夠的靈敏度和一定的選擇性，可以作為速斷保護的后備。定時限電流速斷保護的電流定值按照能躲過最大負荷電流來整定，定值更低，動作時間也更長，特點是保護范圍最長，可以起到遠后備作用。

合環沖擊電流的計算模型如圖1所示，根據模型列出該電路的微分方程（公式1）[4]，可以求解沖擊電流i(t)的表達式（公式2），其中im為合環穩態電流的幅值。文獻[5,6]分析出當頻率f=50 Hz、時間t=/2（0.01 s）時，沖擊電流達到最大值，其最大瞬時值im和有效值iM分別如公式(3)(4)所示，其中KM稱為沖擊系數，其值為1到2之間，在實用計算中一般取1.8～1.9。

當KM=1.9時，iM=1.62(im/)

當KM=1.8時，iM=1.52(im/)

所以合環沖擊電流最大有效值iM可視為合環穩態電流iP(iP=im/)乘一個固定的系數。

圖1 合環沖擊電流計算模型

要使合環電流不導致電流速斷保護動作，需要判斷合環沖擊電流的大小是否超過電流速斷保護的整定值iset1?？紤]較為嚴重的沖擊電流（KM=1.9），合環電流不造成電流速斷保護誤動的條件是：1.62iP＜iset1，iP＜iset1＜1.62。

要使合環電流不導致限時電流速斷保護動作，一方面要判斷電流定值iset2是否躲過沖擊電流（1.62iP），如果躲不過還要判斷時間定值是否躲過沖擊電流的衰減時間，由于沖擊電流的衰減周期不超過10個周波（0.2s）[7]所以合環電流不造成限時電流速斷保護動作的條件是：iP＜iset2/1.62或0.2s≤tset2。另一方面，穩態電流iP不造成限時電流速斷保護動作的條件是iP＜iset2，但是對定時限電流速斷保護來說，同樣要保證iP＜iset3，穩態電流才能不讓定時限電流速斷保護動作，因為正常情況下iset3＜iset2，所以保證iP＜iset3后限時電流速斷保護和定時限電流速斷保護均不會動作。

綜上所述，參考文獻[8]中對合環條件的梳理，合環前根據潮流和沖擊電流的計算結果利用公式(5)(6)(7)的條件對繼電保護整定值進行校核，滿足條件后合環操作可以不讓繼電保護裝置動作。由于原繼電保護的整定值是以開環運行的方式進行整定，如果合環后饋線發生故障，離故障點較遠的變電站出線開關處流過的故障電流將會比合環操作前小，將會使對應開關保護的靈敏度下降，在靈敏度要求下，為滿足合環調電后的供電可靠性，可以利用合環調電系統動態調整保護定值，待定值調整后進行定值校核，如果定值校核后合環電流還是會造成保護裝置動作，則還需要采取措施減小合環電流。

3 減小合環電流的措施分析

合環電流的計算主要采用電力系統中較為成熟的潮流計算，文獻[10]中有給出了具體的算法，根據配電網潮流分布和合環電流的特征，減小合環電流可以從合環前和合環時采取措施。

在合環前減小合環電流的思路是通過改變合環前系統的網路狀態減小潮流和可能的最大沖擊電流。具體措施包括改變合環點、調整負荷水平、變壓器變比、調節無功補償、投入限流裝置等。

1）改變合環點：根據系統當前聯絡開關狀態，在合環前可以通過模擬仿真計算進行最優合環點選擇，通過合環的策略制定，有針對性的避開對系統影響較大的合環點。

2）調整負荷水平：實際操作中，導致合環失敗的原因有時不是合環支路本身的沖擊電流，而是非合環支路沖擊電流越限引起的保護誤動作，所以通過人工或自動的方式對負荷水平進行調整，選擇環網內負荷較輕時合環，很大程度上能夠減輕合環操作對系統的影響。

3）調節變壓器變比：投入運行的變壓器阻抗大小主要與變壓器的分接頭所處的位置有關，若主變分接頭變動一個檔位，在配電網合環操作過程時可能會幾十安培的合環電流改變，因此調節主變分接頭的位置是一種有效的調節合環電流的手段。

4）調節無功補償裝置：在系統中投切電容器可以改變電力網絡的無功負荷，無功變化會影響到電壓的大小，采取調節無功補償器措施來降低合環電流的調整原則是在合環線路相角滯后側投入電容器或者在合環線路相角超前側退出電容器。

5）投入限流裝置：通過投入電抗器等限流裝置再合環，可以對合環時產生的沖擊電流起到一定的限制作用，同時由于投入限流裝置會產生一定程度的壓降，還能維持母線電壓水平。

在合環時減小合環電流的思路是通過系統對合環點兩側信息量的監測，參考文獻[11]中的研究，引用類似“同期合閘”判別條件的方式，控制合環點兩側在電壓差最小的情況下進行合環。具體措施是利用信息采集裝置在接收到遠傳控制裝置下發的合環操作命令后，根據合環點兩側的電壓頻差Δf≤0.02 Hz和角差是否固定來判斷當前開關兩側合環操作屬于同一系統的同頻合環還是兩個系統網的差頻合環，然后依據各自的同期合環條件進行邏輯判斷。

同頻合環判據如下：

a.合環開關兩側電壓幅值差小于整定值：ΔU≤15%；

b.合環開關兩側電壓角度差小于整定值：Δ≤15°；

c.合環開關兩側電壓頻率差小于整定值：Δf≤ 0.02 Hz；

d.合環開關兩側電壓相序一致[10]；

e.合環開關在分閘位置。

差頻合環判據如下：

a.合環開關兩側電壓幅值差小于整定值：ΔU≤15%；

b.頻率差小于整定值：Δf≤0.25 Hz；

c.頻率差加速度小于整定值≤ 1 Hz/s；

d.合環開關兩側電壓角度差減去導前角小于整定值：Δ-≤15°；

e.合環開關兩側電壓相序一致[10]；

6）合環開關在分閘位置：在合環操作時依據同頻合環或差頻合環的判斷條件進行邏輯判斷，只有滿足全部判斷條件時才能進行合環，如果不滿足條件則持續判斷，直至超時退出合環操作。

4 降低繼電保護合環流程

通過以上分析，要使配網系統在合環調電過程中降低對繼電保護的影響，可按圖2所示的流程進行合環操作：在指定合環/解環點后，計算潮流和合環電流，同時對轉供線路進行短路計算，判斷靈敏度是否滿足要求，并按需要動態調整保護定值。依據潮流與沖擊電流的計算結果對調整后的保護定值進行校核，若合環電流不會造成保護動作，則進入合環操作程序，按同頻或差頻合環判別步驟開展合環操作，若合環電流會造成保護動作，則運用合環前減小合環電流的措施對系統運行狀態進行調整，之后重復計算校核過程。

5 結束語

在配電網調電合環過程中，產生的合環穩態電流和沖擊電流可能導致繼電保護動作，為了保證合環順利，需要使繼電保護裝置的定值躲過合環電流，對于任何合環調電控制裝置而言，一方面需要分析合環電流導致保護動作的判斷條件進行邏輯判斷，另一方面要根據合環電流的特點在合環操作過程中采取針對性的措施對合環電流進行限制。通過不斷完善理論和改進分析軟件提高配網合環調電的邏輯判斷和操作水平，將有利于提高合環調電操作的安全性和可靠性，對配電網供電質量具有重要意義。

圖2 降低對繼電保護影響的合環操作流程圖