10kV配電系統綜合繼電保護的實現研究

西南化工研究設計院有限公司 肖 羽

1 實現綜合繼電保護的主要途徑

1.1 安裝繼電保護裝置

當前，能夠應用于配電系統繼電保護的裝置，主要以電流互感器和高壓隔離開關為主。電流互感器能夠在滿足測試儀表功能的前提下，將繼電器等二次設備與高壓實現隔離，從而有效確保人身安全。同時，也能夠避免電路中出現短路電流時，由于短路電流直接通過測試儀表，以及繼電器而導致相應設備受到電流沖擊發生故障。

對于電流互感器的檢測，以絕緣電阻、交流耐壓、級性檢查、退磁檢查為主[1]。高壓隔離開關在配電系統中的作用，以隔離高壓電源為主，在對配電系統進行安全檢修過程中，應注重考慮是否存在帶負載操作現象，以切斷短路電流為主要目的，實現對于整個10kV配電系統的有效保護。

1.2 優化配電系統運行與檢查維護系數

為保障10kV配電系統的安全運行，在系統運行中安裝繼電保護裝置的同時，也需要結合系統運行的整體情況，明確系統運行中各項參數的變化是否符合系統安全狀況下的相關標準。無論是在系統的正常運行檢查還是故障維修處理中，都可應用這一方式來作為判斷系統運行發生故障的依據。對于配電系統運行與檢查維護中涉及的各項系數指標，以加強繼電保護的可靠性為主要目標，通常會涉及可靠度、可用度、故障率、修復率、計劃檢修率、切換時間等具體的指標內容[2]。而這些系數指標需要通過系統運行中的電流、電壓大小對于系統整體運行的影響顯示出來。在實際對10kV配電系統進行繼電保護時，主要可基于整定計算的方法來實現提升加強繼電保護的效果。

1.3 應用PLC技術

將PLC應用到10kV配電系統的繼電保護當中，能夠基于PLC系統各種豐富的I/O功能擴展模塊來滿足用戶對于保障配電系統運行安全的需求。結合當前推動配電系統運行自動化和智能化的發展趨勢，可應用PLC系統來實現對于10kV配電系統的自動化監測、測量與保護。借助PLC系統，可讓配電系統安裝的繼電保護裝置實現遠程監控的功能，對繼電保護裝置的總受樞、變壓器配出樞，以及三相電流是否過流等情況進行監視，當檢測到相應的元件存在異常或故障問題時，能夠直接基于遠程監控系統來啟動報警裝置。

2 實現10kV配電系統綜合繼電保護的具體措施分析

基于保障10kV配電系統安全運行的需求，以提升綜合繼電保護的水平效果為主要目的，在10kV配電系統的實際運行中，主要可采取以下幾個方面措施來保障配電系統的運行質量和效率。

2.1 科學設置繼電保護裝置

為提升10kV配電系統綜合繼電保護的實際效果，需要對系統實際運行中應用的各類保護裝置進行科學設置和選擇。電流電壓互感器、高壓斷路器隔離開關是當前10kV配電系統實現繼電保護時應用的主要裝置類型。對于電流電壓互感器的設置，應要求相關人員能夠基于10kV配電系統運行的實際情況，按照電流互感器變比為300:5的比例標準，選擇合適的電流與電壓互感器類型。應用電壓與電流互感器，能夠將其作為繼電保護與信號裝置電源，進而發揮隔離高壓電路與繼電保護裝置的作用。在實際選擇和設置電壓電流互感器時，需要在盡可能避免應用過長的二次測電纜線基礎上，結合10kV配電系統運行的實際需求來推動電壓電流傳感器朝著智能化的方向發展。

對于高壓斷路器隔離開關的設置，考慮到當前10kV配電系統中應用的高壓隔離開關并未裝有滅弧裝置，在發生短路電流的情況下很難切斷，因而需要考慮通過搭配高壓斷路器的方式來提升高壓隔離開關的實際應用效果。

在10kV配電系統中，還應注重對于高壓熔斷器負荷開關的科學設置。高壓熔斷器本身是一種能夠用于系統運行的保護電器，如果系統電路受到短路過負荷等因素的影響而熔斷，就可直接應用高壓熔斷器來將系統電路斷開。盡管高壓負荷開關能夠通過通斷操作的方式來隔離高壓電源，但發現當前配電系統中應用的高壓負荷開關內部設置的滅弧裝置也較為簡單，在設置高壓負荷開關時，也需要通過配合高壓熔斷器的方式來提升繼電保護的實際效果。結合當前配電系統運行的高效和安全需求，在科學設置繼電保護裝置的過程中，也可將其與PLC遠程監控系統配合起來，對相關人員對配電系統的安全運行情況、監測和排除系統運行的故障問題提供更便利的途徑。

2.2 繼電保護整定計算

以加強10kV配電系統的繼電保護為主要目標，從10kV配電系統運行涉及的相關指標和系數角度入手，可通過整定計算的方式來實現對于配電系統的繼電保護。基于10kV配電系統的運行要求，可應用裝設微機型三階段式電流相間保護裝置的方式，實現對配電系統的過電流保護、限時電流保護以及電流速斷保護需求。

在過電流保護方面，考慮到在10kV配電系統實際運行的情況下，動作電流容易超過線路最大負載電流，可通過切除外部故障的方式來讓線路電壓恢復到正常狀態。在這一過程中，基于這一前提來進行過電流保護定值的計算，需要基于以下公式來實現。電動機會自啟動且產生短時過載情況下的二次動作電流：，不考慮電動機自啟動因素情況下的二次動作電流：，式中：KK代表可靠系數，通常取值在1.15～1.20；Kzd代表電動機的自啟動系數通常取值在1.5～3；Kh代表電流繼電器的返回系數通常取值為0.85；KT代表電流繼電器的變化值；IcMAX代表線路的最大負荷。將相關系數在通常情況下的取值代入到以上公式當中，在確定電流保護時限為0.6～0.8s的前提下，可基于二次動作電流的大小來選擇合適型號的繼電保護裝置。

在限時電流速斷保護方面，在考慮保護配電系統的線路全長前提下，應考慮動作電流不超過線路末端二相短路電流的大小，動作電流的實現也需要比過電流保護小0.3s左右。基于此，在對這一情況下的二次動作電流進行計算時，主要可應用以下公式：，式中：Z系統小代表整個配電系統在最小運行方式下的阻抗標值；Z線路代表配電系統線路全長的阻抗標值。

結合10kV配電系統的實際運行情況，發現在電流速斷保護的情況下，由于10kV配電系統通常應用1.5km以內長度的進線電纜進行設計，導致短路電流和上級短路電流沒有明顯差異，上下值定值的配合難度就會提高。在考慮10kV配電系統選擇性運行要求的基礎上，需要通過時限控制的方式，結合以上對二次動作電流的計算結果來構建帶時限電流速斷保護配置。

在此基礎上，還需要對速段保護的靈敏度進行校驗。如果10kV配電系統應用的變壓器容量不超過2000kVA，可結合系統運行的實際情況來選擇，是否需要通過縱聯差動保護方式來進行配置。基于靈敏度檢測的結果，當系統高壓側過電流保護低于標準要求時，需要將縱插聯動保護裝置安裝于變壓器的性線中，并通過構建過負荷保護、低電壓保護、單相接地保護等方面的措施，提升保障10kV配電系統安全運行的效果。而如果變壓器的容量超過2000kVA，對于不符合電流速斷保護靈敏度要求的情況，需要直接設置縱聯差動保護裝置以及反時限過電流保護裝置。

2.3 設計PLC控制系統

以設計PLC控制系統的方式來實現10kV配電系統的安全運行，能夠以滿足系統控制要求的方式來提升配電系統的運行和生產效率。在設計PLC控制系統時，首先需要明確系統整體的設計思路。PLC控制系統的設計應具體，包括硬件系統和軟件系統兩個部分，并能夠在系統設計完成后，通過調試測試的方法來驗證系統運行的有效性。

結合前面的分析可發現，應用PLC控制系統最主要的目的就是能夠實現對于10kV配電系統的遠程監控。在基于PLC控制系統應用原理的前提下，可明確對于PLC控制系統的功能設計應具體包括采集與處理、監督、管理和控制的功能。系統運行應能夠對10kV配電系統中的總受柜、變壓器配出柜等電氣設備運行參數進行采集，然后通過模擬量輸入模塊，對采集到的數據進行濾波、放大以及模數轉換，從而得到數字量信號。如果在這一采集和分析的過程中出現欠壓或過流警報的情況，可直接通過設備自動跳閘或手動控制開關的方式來實現保護。這一過程主要通過電纜，以及上位監控管理機來實現對于采集參數的提取和處理。

圖1 PLC控制系統運行流程

具體而言，在PLC系統的硬件設計部分，需要結合10kV配電系統的整體運行情況，選擇合適的PLC系統類型。著重從PLC系統的CPU、數字輸入點以及輸出點等指標來確定具體的系統硬件型號。而對于系統的具體設計，主要以應用一套繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，充分發揮微處理器在PLC編制程序運行中的作用。在結合10kV配電系統整體控制要求與PLC系統設計方案的前提下，需要明確I/O分配表。

對于PLC控制系統中的硬件設備，具體包括斷路器、電壓互感器、電流互感器、避雷器以及移相電容器等電器元件。而對于PLC控制系統軟件的設計，需要在明確系統運行程序的前提下，應用控制開關來實現對于10kV配電系統的斷電控制，并對系統運行中產生的過流、欠壓保護等情況進行數據的采集，基于自動檢測的原理來實現對于整個配電系統運行的有效保護。在明確PLC控制系統的設計要求以及I/O分配表之后，可通過設計PLC梯形圖的方式（如圖2所示），滿足應用PLC控制系統進行遠程監控的要求。

圖2 PLC梯形圖

在完成PLC系統的硬件和軟件設計后，還需要通過調試測試的方法來進行驗證。在對PLC梯形圖程序進行編譯確保沒有失誤之后，將該程序安裝到PR控制系統當中，以開關模擬的方式來實現對于配電系統運行的遠程監控。基于PLC技術本身擁有的較強抗干擾能力和控制能力，控制系統構成簡單化等方面的特點和優勢，可將其用于對10kV配電系統的遠程監控當中，第一時間了解其中可能存在的故障和異常情況，在提高配電系統整體運行管理水平的同時，也能夠有效保障配電系統的運行安全。

綜上，要想發揮綜合繼電保護在10kV配電系統運行中的作用，可嘗試多種方法。考慮到當前配電系統運行中的繼電保護存在一定的問題，對于10kV配電系統綜合繼電保護的優化，可在保證科學設置繼電保護裝置的基礎上，著重從配電網絡故障維護的角度來優化設計，也可基于PLC控制系統來實現對于整個配電系統運行的自動化控制，提升10kV配電系統的運行效率和質量。