階段電流保護在10kV線路中分析與應用

國網黑龍江省電力有限公司齊齊哈爾供電公司 張延福

短路電流是整定計算的基礎，其是由各序分量依據對稱分量法計算而成故障量，依據電力系統短路故障電流分析，當供電系統產生三相相間故障發生短路時[1]，短路電流的計算公式如下：

公式（1）中EΦ表示電源的電動勢；Zd表示故障點到保護安裝位置短路阻抗；Zd.min表示在大運行方式下系統最小等值電源阻抗。

供電系統大方式表示是電源點到短路故障位置等值阻抗最小而短路電流最大的方式，供電系統小方式原理相反表示，是電源點到短路故障位置等值阻抗最大而短路電流最小的方式。

10kV線路短路電流的大小將隨故障點位置的遠近而變化，當故障點遠離電源時系統等值阻抗較大計算短路電流較小，其短路電流與位置關系如圖1所示，成反比例曲線，當等值電源及系統故障方式改變時，短路電流將隨之變化。

圖1 電流變化曲線

1 配電網特點

配電網電流保護的傳統原理是通過電流值及時間值使保護動作，目前我國大力發展新能源發電，致使配電網存在一些問題，如配網使用線路很短、級聯開關、柱上開關及環網柜較多，致使電流保護原理難以滿足城市配網發展需要，因此對階段電流保護原理和整定計算的配合提出更多要求，如一旦線路發生故障，電流保護不能快速選擇性切除故障，致使頻繁停電增加居民用戶的損失，使人民電力獲得感降低[2]。

配網短路故障多是不可預見性隨時隨地都可發生的，其主要特點為：故障發生時往往伴隨多級開關跳閘或是越級停電現象，主要由于短路電流計算時分段電流保護配置不全所致，其次當線路發生故障時搶救不及時、技術方法不嫻熟導致故障并未完全排除再次送電，致使用戶多次停電降低用電可靠性。對此，對于完善配電網整定計算原理、提高故障定位能力提出更高要求。

當短路故障發生時，要使短路電流對電力系統沖擊最小，故障點最近的保護能第一時間跳閘切除短路電流，往往選擇斷路器作為10kV線路的饋線開關，但是城區配網發生故障時，是由多方面原因造成的如同桿架設多條線路伴隨著多級跳閘的問題，導致不能快速識別故障產生的原因和類型，如一條線路瞬時性故障搭接到另一條線路或者是單條線路永久性故障。

配電網是電力傳輸到城區最終分配線路，電力設備簡單，結構多為放射性布局，層級分布，當配網線路發生異常運行狀態時，保護裝置能迅速反應突變量變化判斷故障狀態的發生，但整定計算定值設置的不合理可導致保護的誤動及拒動，整定計算定值是繼電保護裝置保護電網安全運行的最后一道屏障起著至關重要的作用，由于配電網建設的薄弱，對配電繼保配合及整定計算方案制定提出更高的要求，保障配網高質量運行[3]。

我國對一次電網的設計與可研方面大多數重視發電及輸電和變電的建設，往往輕視配電網對城區供電的需求，傳統配電網構建形式為線路從變電站低壓側母線出線柜引出，經桿塔專供給用戶的專用線路和經T接及環網柜拉手的公用負荷線路，多為輻射型單電源供電線路，在電源側安裝線路保護，保護原理為三段式電路保護，分別為電流速斷保護、瞬時電流速斷保護及過電流保護，由于城區配網多為瞬時性故障，所以保護自帶重合閘功能。現如今，我國城市配電網故障自愈能力多數依靠自動重合閘裝置，配網線路只重合一次，重合不成功線路三跳，這樣通過重合閘糾正能力對多T接線路及串聯線路實現故障點的判斷，提升城區配網自適應能力。

2 重合閘

在配網繼電保護裝置中自動重合閘是其主要功能之一，其目的是當配網線路發生短路故障時將斷路器跳開，保護裝置通過此功能重合斷路器，減少瞬時性故障對供電可靠性的影響。配網線路中80%以上故障都為非永久性故障，多數發生為鳥害或者樹木危害，以及空中物體掛在線路上等問題，引起電流增大保護裝置判斷跳閘，但此種情況多數為瞬時發生，并非影響線路絕緣水平，故障會瞬時消失，所以需要保護裝置自行重合開關送電，這樣減少供電員工因查找短路問題而影響送電時間，提高電網的供電能力[4]。

自動重合閘應用到配網線路中主要為三相一次重合閘，除了可以重合瞬時線路引起的故障，還可重合因開關機構內部問題或保護偷跳引起開關誤動而重合，其主要工作原理如圖2所示。

圖2 重合閘工作原理

圖中重合閘啟動原理為保護跳閘啟動和開關偷跳通過TWJ位置繼電器啟動，經過延時時間t重合閘出口動作，斷路器合閘。

3 階段電保護

3.1 電流速斷保護

對于電流快速增大而保護零秒動作的瞬時電流保護，由于其具有選擇性，只能保護線路的一部分，其整定方式為躲本線路末端故障大方式下最大短路電流[5]，其公式為：

公式（2）中：Krel為可靠系數，其取值感應保護時1.5，電磁保護時1.3。

因為電流速斷保護只能保護部分線路，所以用保護范圍來反應速斷的靈敏性，最小的保護范圍為系統等值阻抗最大時兩相相間短路的情況，其保護范圍為全線路的15%～20%的長度。其公式如下：

最大保護范圍為：

3.2 延時電流速斷保護

因為電流速斷保護只能保護部分線路，當線路末端發生故障時不能快速切除故障，進而引出一段時間△t的延時電流保護作為電流速斷保護的后備保護，當線路故障超出電流速斷的保護范圍時，延時電流速斷保護可以保護本線路全長且滿足靈敏性要求，其主要整定原則為保護本線路末端故障時有足夠的靈敏，其公式如下：

公式（5）中Klm表示靈敏度取1.3～1.5。

次要整定原則為與下一級線路電流速斷保護配合，公式為：

公式（6）中Kfz為分支系數，IdzI為相鄰線路電流速斷定值。其動作時間比相鄰線路速斷保護動作高一個時間極差△t=0.3s，公式為：

3.3 過電流保護

過電流保護作為相鄰線路的遠后備保護，不僅能保護本線路，還能保護下級線路全長，當相鄰線路末端故障開關拒動時，由本保護快速切除故障。其整定計算原則之一為躲本線路最大允許負荷電流，其公式為：

公式（8）中Kzqd為啟動系數，按負荷性質而定多數為1，Kf為返回系數微機保護取0.95，Ifh.max為最大允許負荷電流。

其原則之二為與相鄰線路過電流保護配合，公式為：

保護動作時間為：

階段式電流保護共分為三段過流保護，按選擇性和靈敏性共同保護本線路及相鄰下一級線路，其保護范圍及保護動作時間如圖3所示，對保護線路安全穩定運行起絕對作用。

圖3 動作時間

4 算例分析與應用

某110kV變電站10kV線路結構如圖4所示，其線路長度為2.823km，線路型號為JKLYJ-240架空線路，幾何均距Dcp=1.07，線路單位電阻值R=0.125Ω/km，單位電抗值X=0.3174Ω/km，電纜長度為1.575km，單位電阻值R=0.163Ω/km，電抗值X=0.093Ω/km，線路所帶3臺變壓器，其中#1、#2變壓器容量為1600kVA，兩臺變壓器并列運行短路電壓分別為Uk%=6.07和Uk%=6.05，#3變壓器容量為630kVA，短路電壓為Uk%=6.01，上級110kV變電站10kV側等值阻抗大方式Zd.min=j0.4380，小方式Zd.max=j0.7621，線路CT變比為600/5A，所帶負荷為專用負荷，線路保護型號為CSC-211北京四方線路保護裝置。

圖4 一次系統圖

依據圖4一次系統，繪制出10kV線路等值阻抗計算圖如圖5所示。

圖5 阻抗計算圖

根據圖5阻抗圖可以計算出10kV線路電流速斷、瞬時電流速斷、過電流保護定值。其計算過程如下。

一是電流速斷保護按躲線路末端最大故障電流整定。

按保證線路出口有靈敏度整定：

取Idz=4920A，Idzj為4920/（600/5）=41A，時間t1=0s。小方式下電流速斷保護的范圍為如下：

大方式時：

二是延時電流速斷保護按保證線路末端故障有1.3倍靈敏度整定。

取Idz=1800A，二次值為1800/120=15A，時間為：t2=t1+0.3s=0.3s。

三是過電流保護躲線路最大負荷電流。

線路最大負荷電流為221.13A，公式為：

取Idz=360A，二次值為360/120=3A，時間t3=t2+0.3s=0.6s。

對#1、#2變低壓側靈敏度為2.7，對#3變低壓側靈敏度為1.34，滿足靈敏度要求。由于本線路為架空線路故投重合閘，重合閘時間取3s。

5 結語

10kV線路是配電網的主要供電方式，保護多層多級別分布，階段電流保護的三段式電流保護原理可以滿足選擇性與靈敏性的要求，其整定原則符合10kV線路發生短路時分段式切除故障，并通過算例分析，為配網科學有效運行提供理論支撐。