配電網繼電保護配合與故障處理關鍵技術探究

周琦

（國網江蘇省電力有限公司溧陽市供電分公司，江蘇溧陽，213300）

1 配電網繼電保護配合關鍵技術

1.1 SFCL與繼電保護配合技術

在高電壓等級電網運行過程中，短路電流增大問題較大突出，給配電網運行安全穩定性造成了較大威脅，通過將SFCL（Superconductor Fault Current Limiters，超導故障限流器）與繼電保護配合，可以有效解決這一問題。SFCL正常運行時阻抗接近于0，在配電網出現故障時阻抗可以迅速提升，將短路電流限制到安全水平內，確保電網安全可靠性。其中基于二代超導帶材的電阻型超導限流器的限流完全依賴超導材料物理特性，可靠性較高，在配電網發生故障時，電阻型SFCL可以在短時間內進入高阻態，限制短路電流。但是，在電阻型SFCL接入后，配電網線路固有參數被改變，對配電網現有繼電保護動作造成了約束。基于此，為保證配電網短路電流增大故障的順利解決，應引入電阻型SFCL與配電網繼電保護配合技術。

在電阻型SFCL與配電網繼電保護配合技術實踐過程中，電阻型SFCL對外電路表現為非線性電阻，限流模塊為隔離層、基帶層、超導層、穩定層組成的串并聯結構。

表1 電阻型SFCL結構

根據電阻型SFCL結構，可以標注不同超導帶材的控制信號，包括實時電流、總電流、分流電阻、兩端電壓等。而配電網的繼電保護為電流保護模式，根據起動電流、跳閘時間設定值的差異，可以將其劃分為限時電流速斷、電流速斷、過電流保護幾種類型。繼電保護對外電路表現為電流過量保護，即在流經保護位置電流在整定值以上時，將跳閘信號發送給斷路器，及時切斷線路。整個過程中，輸入信號為線路實時電流，輸出則為三段保護動作。根據電流保護的邏輯，可以進行電流整定值、動作時限的調整，滿足階段性電流保護需求。

常規安裝電阻型SFCL后，配電網線路電流幅值、波形變化較為顯著，極易在配電網發生短路故障時以高阻抗形式串聯到故障回路，致使短路等效阻抗大大提升，引發保護配合難題甚至致使保護拒動，延長故障持續時間，增加故障危害。為實現電阻型SFCL與配電網繼電保護的協同配合，可以調整電阻型SFCL的參數（超導帶材長度、分流電阻）。即分流電阻為1Ω時電阻型SFCL超導帶材的長度由200m調整到20m以內，或者將超導帶材長度為200m時電阻型SFCL的分流電阻由1Ω調整到0.8Ω及以下，確保電阻型SFCL與繼電保護協同配合。

需要注意的是，在電阻型SFCL參數調整時，應從初始值開始有序遞減，每調整一次分流電阻，即調整超導帶材長度，確定電流I段繼電保護動作的最大超導帶材長度。進而觀察電流I段繼電保護動作時0km短路位置超導帶材承壓，確保超導帶材承壓安全范圍內的最小長度。

1.2 繼電保護裝置與自動化裝置配合技術

繼電保護裝置與自動化裝置配合是智能配電網建設運行過程中關鍵技術之一，可以縮短事故停電時間，確保電力系統可靠運行。作為智能配電網的重要組成部分，配電自動化不僅可以擴大配電網電力資源供應范圍，而且可以實現配電網的高效率、經濟化運行。較之常規基于斷路器饋線開關的繼電保護模式來說，其可以在故障發生后及時判別瞬時性故障、永久性故障，規避基于多級開關保護配合的多級跳閘、越級跳閘問題。

繼電保護與自動化裝置配合技術包括電流定值+延時級差、保護動作延時級差兩種。其中電流定值+延時級差適用于供電半徑處于較高水平、分段數處于較低水平的開環運行配電網，其故障位置上游若干分段開關周邊短路電流水平差異較為顯著；保護動作延時級差適用于供電半徑處于較低水平、分段數處于較高水平的開環運行配電網，其故障位置分段開關周邊短路電流水平差異不顯著。一般繼電保護與自動化裝置配合實現需要對配電網出線開關、饋線開關設置差異化保護動作延時，出于控制短路電流對系統造成沖擊目的，配電網變壓器低壓側進線開關過流保護動作在0.5s及以上，此時，繼電保護與自動化裝置配合的延時就需要小于0.5s。根據時間裕度需求，可以設定出線端保護動作延時為0.20s～0.25s。

以兩級級差保護與電壓時間型饋線自動化配合為例，將重合器設置在配電網出線開關位置，調整保護動作延時為0.20s～0.25s。進而將電壓時間型分段器設置到主干饋線開關位置。同時將配有0.00s保護動作延時時間、0.50s快速重合閘延時時間的斷路器設置到分支開關位置。

1.3 繼電保護裝置與一次設備配合技術

在配電網運行過程中，繼電保護裝置是二次設備，通過與一次設備配合，可以利用一次設備操作前、操作后兩個運行狀態明確的特征，提升保護動作的選擇性、速動性功能、靈敏性與可靠性。特別是在設備由旁路開關轉帶時，通過先投繼電保護后送一次設備，配合零序保護、縱聯保護、差動保護切換，可以縮短旁路開關、被帶開關并列時間，順利發揮繼電保護系統對一次系統的支持功效。

1.4 上級繼電保護與下級繼電保護配合技術

在配電網運行過程中，上級繼電保護、下級繼電保護配合較為常見，即在下一級配電元件、線路出現故障時，故障線路、元件所在級別的繼電保護定植可以與上一級電力線路、元件的繼電保護整定值配合，有選擇性地切除配電網故障。在配電網上級繼電保護與下級繼電保護配合過程中，需要借助多級3段式過流保護配合技術，順利區分兩相短路、三相短路配置定植差異，提高故障處理性能。在多級3段式過流保護配合技術應用過程中，可忽略上級繼電保護、下級繼電保護之間的配合關系，而是立足動作時限，結合I段保護配合、II段跋扈配合靈敏度要求，確定保護定值，規避傳統基于線路末端三相短路電流整定的兩相間短路范圍保護不明問題。

根據配電網線路結構的差異，多級3段式過流保護的配置也具有一定差異。對于輻射狀線路，保護配置級數判定依據是供電半徑、最小饋線長度對比值；而對于類似手拉手環狀配電的多供電途徑配電線路，需要在考慮一側饋線轉帶對側饋線負荷的情況下，結合非正常運行狀態下聯絡開關合閘引發的被轉帶側饋線潮流變更情況，進行故障功率方向元件的配置，根據線路故障功率方向區別，進行基于正常運行的正向定值、基于異常運行的反向定值設置。

2 基于配電網繼電保護配合的故障處理

2.1 基于SFCL與繼電保護配合的故障處理

基于SFCL與繼電保護配合的故障處理流程如下。

如圖1所示，根據電阻型SFCL的限流優勢，調整SFCL分流電阻小于0.8Ω。此時，在配電網直流側短路故障發生后，SFCL暫時不啟動，先由繼電保護啟動，在延時時間內發送重合閘信號，若常規繼電保護無法切除故障，則運行SFCL，促使SFCL串聯故障回路，短時間內提升短路等效阻抗，限制故障電流上升率，確保端口發生瞬時雙極短路時全部換流站不必所，順利完成整個配電網故障清除。

圖1 基于SFCL與繼電保護配合的故障處理流程

若配電網系統發生永久性故障，則電阻型SFCL與繼電保護配合僅切除故障區域，其他區域在短暫擾動后仍然會沿著預先設定的策略恢復正常運行，不會對整個配電網造成影響。同時重合閘失敗，SFCL會再次啟動，限制故障電流上升，規避因重合閘失敗而引發的全線路崩潰問題。

2.2 基于繼電保護裝置與自動化裝置配合的故障處理

2.2.1 主干線故障

在主干線發生故障后，若主干線為全架空饋線，則基于繼電保護裝置與自動化裝置配合的故障處理流程如下：

如圖2所示，在全架空饋線主干線故障發生后，變電站出線斷路器會發出跳閘指令，切斷故障電流。經0.50s延時后，出線斷路器重合。若出線斷路器順利重合，則表明主干線故障為瞬時性故障，相關故障信息可以存入配電自動化裝置終端瞬時性故障處理記錄；若線斷路器無法順利重合，則表明主干線故障為永久性故障，自動化裝置會遙控故障區域周邊開關分閘，將故障區域隔離。進而遙控出線斷路器、聯絡開關合閘，恢復無故障區域供電，并將信息存入永久性故障處理記錄。

圖2 基于繼電保護裝置與自動化裝置配合的故障處理流程

若主干線為全電纜饋線，則其故障均為永久性故障，出線斷路器會在故障發生后發送跳閘命令切斷故障電流。與此同時，主站自自動化裝置收集終端上報各開關故障信息，確定故障位置，并遠程控制環網柜故障區域周邊開關分閘，將故障區域隔離。進而遠程控制出線斷路器、環網柜聯絡開關合閘，促使非故障區域電力資源供應恢復，并在永久性故障處理記錄內存儲記錄。

2.2.2 分支線路故障

在分支線路發生故障時，相應分支線路繼電保護裝置會第一時間發出跳閘命令，經過0.50s延時后重合。若相應支線故障為暫時性故障，自動化裝置可以及時識別，確保電力資源在短時間內恢復供應；若相應支線故障為永久性故障，則自動化裝置可以及時識別，配合繼電保護裝置再次跳開并閉鎖在分閘狀態下隔離故障，避免支線故障后全線停電問題出現。

2.3 基于繼電保護裝置與一次設備配合的故障處理

2.3.1 差動保護誤動作

在配電網用旁路開關轉變主變開關操作中，差動保護退出時間早于轉帶停止以及主變開關恢復，接入B相開關后，差動保護誤動作，延時30s打印變位信息。針對這一問題，應根據閉鎖式高頻保護為重點，在縱聯保護為兩側電流不統一且負荷電流與分流差較大的電流差動保護模式時，先退出電流差動保護，切換至旁路后，將被轉帶開關轉入備用，再次投入保護。

2.3.2 啟動保護失靈

在配電網啟動機組過程中，主開關處于分位，而合上機組側刀閘時開關C相觸頭未斷開，引發機組保護啟動失靈，造成啟備變與高壓聯絡線對側跳閘，全線中斷。為解決上述故障，除了按順序操作刀閘、開關外（先斷開線路兩側開關后斷開母線側刀閘），還需要在合刀閘前對開關操作電源進行檢查，確定電源、失靈啟動電源正常后，等待繼電保護裝置自檢轉入正常程序，進而合母線側刀閘與線路側開關，規避開關未斷位導致的繼電保護啟動指令問題。

2.4 基于上級繼電保護與下級繼電保護配合的故障處理

2.4.1 分支斷路器下游兩相相間短路

在配電網局部分支斷路器下游出現兩相相間短路故障時，分支斷路器可與變電站出線斷路器形成單純延時時間級差部分配合模式——2級0.00s延時級差保護配合。在該配合模式中，局部分支線采用III段保護，出線斷路器采用I段保護和III段保護，局部分支線III段保護可以與出線斷路器III段保護配合，借助III段保護在短時間內切除近端故障，避免分支故障干擾主干線運行。

2.4.2 分支開關下游三相相間短路

在分支開關下游出現三相相間短路故障時，因次分支開關、分支開關過流保護延時為0.00s，故障檢測時間、中間繼電器驅動時間在0.03s左右。此時，借助出線斷路器端配置的保護定值（局部分支斷路器電流定值為240A，延時時間為0.00s），可以在0.20s～0.80s之間驅動斷路器完成分閘，順利切除故障電流。