淺談35kV變電站出線與配電設備的保護級差配合

國網冀北電力有限公司唐山市曹妃甸區供電分公司 李耐心 張海韻 孫 瀟 董洪澤

當今社會經濟發展速度不斷加快，社會經濟的發展對電網穩定的需求越來越高，繼電保護是電力系統的重要組成部分，它擔負著切除故障元件并保證電力系統安全穩定運行的任務。因此電網對繼電保護提出了可靠性、靈敏性、選擇性和速動性的“四性”要求[1]，而電網的“四性”正是依靠合理的整定計算來獲得。由于受上級電源系統定值及時間限額的限制，使得35kV 變電站出線與配電網設備的保護整定和配置出現諸多困難[2]。

1 保護配置情況

八里灘變電站為兩臺主變、35kV 和10kV 母線單母線分段配置，由110kV 漁林站35kV 出線漁八線312、110kV 柏各莊站35kV 出線柏八線311兩個電源接入，如圖1所示。八里灘變電站投入的主要保護類型有：345開關過電流保護、35kV 備自投保護、變壓器保護（主變差動、非電量及高后備保護）、線路保護（投入過流Ⅰ段、Ⅱ段）以及電容器保護，當前保護配置情況如下：（1）上級電源柏各莊311：保護變比800/5，過流I 段11A、0.3s，過流II 段4.5A、1.3s；（2）上級電源漁林312：保護變比600/5，過流I 段21A、0.3s，過流II 段7.5A、1.3s；（3）八里灘345：保護變比800/5，備自投充電保護5.7A、0.1s，過流I 段7.63A、0.15s，過流II 段3.91A、1.15s；（4）10kV 出線511、514保護變比為600/5，513、521、523保護變比為500/5，定值均為：過流I 段15A、0s，過流II 段7.5A、0.7s；（5）八里灘301、302：保護變比400/5，過流II 段5A、1s，過負荷2.6A、3s；（6）短路阻抗：35kV 2.919/9.008，10kV 6.639/16.448，單臺主變7.44，主變并列3.72（兩臺主變參數相同）。

當前35kV 八里灘變電站的511出線為工職院環網柜、路南環網柜供電，出線情況如圖2所示。由于八里灘511開關、一號桿斷路器、工職院環網柜出口以及路南環網柜出口均配有電流保護，且定值的過流Ⅰ段時限均為0s，沒有級差配合。當路南環網柜出口發生過流Ⅰ段故障時，上述四級開關過流I 段保護可能同時動作，導致工職院環網柜、路南環網柜全部失電，供電可靠性差。考慮將八里灘511出口過流Ⅰ段時限調整為0.15s，退出一號桿斷路器保護，工職院環網柜、路南環網柜定值不變（兩個環網柜進線保護均未投）。理論上，這樣可保證當路南環網柜出口發生過流Ⅰ段故障時，工職院環網柜除517外其他出口商業性負荷可靠供電，但路南環網柜依舊有全停的風險。

圖1 八里灘變電站接線情況

圖2 八里灘變電站511出線情況

2 保護定值核算

高后備保護過流Ⅰ段不投，所以針對過流Ⅰ段保護的級差配合，只需核算10kV 過流Ⅰ段時限更改后是否對345開關過流保護造成影響。下面結合八里灘母線故障對保護定值進行核算。

2.1 35kV 母線故障

當八里灘35kV4母由柏各莊站供電時，八里灘35kV 母線短路阻抗為6.255/9.008；當八里灘35kV5母由漁林站供電時，八里灘35kV 母線短路阻抗為2.919/4.292。結合上述兩種情況取極值，八里灘35kV 母線短路阻抗為2.919/9.008。即當八里灘35kV4母（5母）由小方式下的柏各莊站供電時短路電流最小；當八里灘35kV4母（5母）由大方式下的漁林站供電時短路電流最大。

故障電流計算：當八里灘35kV4母（5母）由漁林站供電時，大方式下短路電流為5652A，遠大于漁林站312出口過流Ⅰ段定值（一次值2520A）。八里灘35kV4母（5母）由柏各莊站供電時，大方式下短路電流為2638A，遠大于柏各莊311出口過流Ⅰ段定值（一次值1760A）。同理，八里灘35kV4母（5母）分別由柏各莊站、漁林站供電時，大方式下短路電流均大于對應上級電源出口過流Ⅰ段定值。

結論：任何運行方式下，八里灘站35kV 母線故障均有可能導致上級供電電源出口過流Ⅰ段動作，故345過流Ⅰ段定值應滿足級差配合，同時該定值需按照八里灘35kV 母線故障時有1.5倍靈敏度整定，當前定值已取合理范圍內的最大值（7.63A）。

2.2 10kV 母線故障

由圖1可知，當主變并列運行時，如電源取自漁林站，八里灘10kV 母線短路阻抗為6.639/8.012；如電源取自柏各莊站，八里灘10kV 母線短路阻抗為9.975/12.728。當主變非并列運行時，如電源取自漁林站，八里灘10kV 母線短路阻抗為10.359/11.732；如電源取自柏各莊站，八里灘10kV母線短路阻抗為13.639/16.448。結合上述情況取極值，八里灘10kV 母線短路阻抗為6.639/16.448。當主變并列運行、電源取自大方式下的漁林站時，八里灘10kV4母（5母）短路電流最大；當主變非并列運行、電源取自小方式下的柏各莊站時，八里灘10kV4母（5母）短路電流最小。

2.2.1 故障電流計算

八里灘主變并列運行：電源取自漁林站。10kV 母線大方式下短路電流為8284A，折算到35kV 側為2485A。該電流大于345過流Ⅰ段保護定值（并列運行時流過345開關的電流是故障電流的一半為1242.5A 大于345過流Ⅰ段一次值1220.8A）。并且，漁林312過流Ⅰ段定值（一次值2520A）無法可靠躲過該短路電流（可靠系數應為1.35）；電源取自柏各莊站。10kV 母線大方式下短路電流為5514A，折算到35kV 側為1654A。該電流小于345過流Ⅰ段保護定值（并列運行時流過345開關的電流是故障電流的一半為827A 小于345過流Ⅰ段一次值1220.8A）。并且，柏各莊311過流Ⅰ段定值（一次值1760A）無法可靠躲過該短路電流（可靠系數應為1.35）。

八里灘主變分列運行或單主變運行：電源取自漁林站。10kV 母線大方式下短路電流為5309A，折算到35kV 側為1592.8A。該電流大于345過流Ⅰ段保護定值（一次值1220.8A）。并且，漁林312過流Ⅰ段定值（一次值2520A）能夠可靠躲過該短路電流；電源取自柏各莊站。10kV 母線大方式下短路電流為4032.6A，折算到35kV 側為1209.8A。該電流接近345過流Ⅰ段保護定值（一次值1220.8A）。并且，柏各莊311過流Ⅰ段定值（一次值1760A）能夠可靠躲過該短路電流。

2.2.2 結論

八里灘變電站不得并列運行（345、545合位），否則10kV 母線故障可能導致上級電源出口過流Ⅰ段動作；若不退出345開關過流Ⅰ段保護，八里灘511開關與345開關過流Ⅰ段時限應滿足級差配合，否則當35kV 母線并列（345開關合位）、511出口發生短路故障時，345開關過流Ⅰ段保護可能與511開關過流Ⅰ段保護同時動作，造成35kV4號母線、1號主變失壓。

3 方案分析

針對是否應退出345過流Ⅰ段保護問題，根據圖1，依定值核算結論，結合不同運行方式具體分析。

兩臺主變運行、35kV 母線并列運行：不退出345開關過流Ⅰ段保護，則當35kV 母線并列、511出口至工職院環網柜發生故障時，由于511、345開關保護過流Ⅰ段時限均為0.15s，不排除511、345開關同時跳閘的可能性。當前運行方式下會造成35kV4號母線、1號主變失壓且10kV4號母線全停。兩臺主變并列運行時則會導致35kV4號母線、1號主變失壓且1號主變反供電；若退出345開關過流Ⅰ段保護，則當前運行方式下35kV 母線故障，或兩臺主變并列運行方式下任一母線故障時均會導致上級電源出口保護動作，35kV 備自投動作合于故障，另一路上級電源出口保護動作切除故障，最終變電站全停。

兩臺主變運行、35kV 母線分列運行：該方式下若路南環網柜出線故障，工職院環網柜517、路南環網柜出口過流Ⅰ段0s 動作，八里灘511過流Ⅰ段0.15s 不動，可保證工職院環網柜除517外其他出口商業性負荷可靠供電。若八里灘出口至工職院環網柜發生故障，八里灘511過流Ⅰ段0.15s 動作，保護正確隔離故障；當35kV 母線發生故障時，對應上級電源線路跳閘，35kV 備自投動作，345開關合于故障，備自投充電保護啟動并加速跳開345開關。保護正確隔離故障，僅故障側主變、母線及線路停電。當10kV 母線發生故障時，對應高后備動作，保護正確隔離故障，僅故障側主變、母線及線路停電。該方式下退出345開關過流Ⅰ段保護不影響供電可靠性[3]。

圖3 單主變運行應避免的情況1

圖4 單主變運行應避免的情況2

單主變運行：圖3和圖4兩種方式是單主變運行應該避免的情況，若不退出345開關過流Ⅰ段保護，則當511出口至工職院環網柜發生故障時，由于511、345保護過流Ⅰ段時限均為0.15s，不排除511、345開關同時跳閘導致全站失電的可能性。其他單主變運行方式可避免上述問題。

定值調整方案：將兩臺主變分列運行（345、545開關均在分位）作為八里灘變電站的正常運行方式，當八里灘站單電源運行時（故障或檢修），應退出345過流Ⅰ段保護或選取適當的單主變運行方式。當主變并列運行時，應退出345過流Ⅰ段并投入545過流Ⅰ段，545過流Ⅰ段定值大小、時限均與上級電源滿足級差配合，當10kV4母、5母或出線發生過流Ⅰ段故障時，第一時間跳開545開關，減少故障電流，可以避免上級電源保護越級動作。根據八里灘主變能夠承受沖擊的能力，將八里灘10kV 出線保護過流Ⅰ段時限調至0.15～0.3s，具體原則如下：10kV 出線只帶一級開閉站時，若開閉站出線帶柱上智能開關，則過流Ⅰ段時限可整定為對應變電站出口0.3s、開閉站出口0.15s、線路某開關0s，若不帶柱上智能開關，則對應變電站出口0.15s、開閉站出口0s；10kV 出線帶兩級開閉站時，過流Ⅰ段時限可整定為對應變電站出線0.3s、一級開閉站出線0.15s、二級開閉站出線0s，不考慮出線是否帶柱上智能開關。

上述方案理論上可實現八里灘511出口兩個環網柜過流Ⅰ段保護時限分級，并對環網柜開關固有特性要求較低[4]。該方案基于工職院環網柜與路南環網柜保護裝置，繼電器分閘時間與開關固有分閘時間之和小于0.15s，否則無法解決八里灘511負荷供電不可靠問題。