配电网多级继电保护配合的关键技术研究.pdf

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配电网多级继电保护配合的关键技术研究1 配电网多级继电保护配合的关键技术研究2 配电网多级继电保护配合的关键技术研究3 配电网多级继电保护配合的关键技术研究4 配电网多级继电保护配合的关键技术研究5 配电网多级继电保护配合的关键技术研究6 配电网多级继电保护配合的关键技术研究7
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第43卷第9期2015年5月1曰电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandCOntrol、,o1.43NO.9Mayl,2015配电网多级继电保护配合的关键技术研究刘健,刘超,张小庆,张志华(1.陕西省电力科学研究院,陕西西安710054;2.西安理工大学自动化工程学院,陕西西安710048)摘要:为了更好地进行配电网继电保护配合设计,推导了实现多级3段式过流保护配合所需要的条件,提出一种区分两相短路和三相短路故障配置差异化定值的改进方法。以环状配电网为例,探讨了相互联络的配电网多级3段式过流保护的配置方法。在此基础上,综合时间级差配合方式,提出了4种配电网多级继电保护配合模式,分别分析了其特点。结合实例对所建议的方法进行了详细分析,结果表明差异化定值的改进方法能够有效增大保护范围,所建议的多级保护配合模式、配置和参数整定方法是可行的。关键词:配电网;故障;自动化;继电保护;整定;设计CoordinationofrelayprotectionforpowerdistributionsystemsLIUJian,LIUChao,ZHANGXiaoqing,ZHANGZhihua’f1.ShaanxiElectricPowerResearchInstitute,Xian710054,China;2.SchoolofAutomationandInformation’’Engineering,XianUniversityofTechnology,Xian710048,China)—Abstract:Tohelpthedesignofrelayprotectioninpowerdistributionsystems,theconditionstoguaranteemultistagethreesection够peovercurrentprotection(MTSOP)isdeduced.Animprovedmethodofcoordinationbysettingthethresholdvaluesofcurrentforthecasesofthree-phaseandtwo-phaseshortcircuit,respectively,isputforward.AloopeddistributionnetworkisusedasanexampletodiscussthedesignconsiderationsofMTSOPforinterconnecteddistribution—grids.Combinedwiththecoordinationbytimedelays,f—ourtypicalmodesofmulti-stageovercurrentprotectionareproposed.Thefeaturesandsettingmethodsaredetailed,respectively.Anexampleisgiventodemostratetheproposedapproachshowingthattheimprovedmethodwithdifferentsettingvaluescaneffectivelyincreasetherangeofprotection.—Itisalsoshownthattheproposedmultistageprotectionmodes,designandsettingmethodsarefeasible.Keywords:distributiongrids;fault;automation;relayprotection;setting;design中图分类号:TM76文献标识码:A文章编号:1674-3415(2015)09・0035-07O引言据统计,用户平均停电时间(扣除缺电因素)的90%以上是由配电网引起的【lJ。主网的故障处理基本上依靠继电保护和安全自动装置完成J,而在配电网中实现继电保护配合比较困难,一般需要建设配电自动化系统来进行故障处理J。但是,继电保护装置具有响应快速、不受通信影响等优点,若与配电自动化协调配合取长补短,则可以大大提高故障处理性能L6J。在配电网继电保护配合方面已经取得了一些研究成果:DL/T584.2007、GB/T14285.2006GB/T—500622008等相关标准中都对3~10kV线路保护基金项目:国家电网公司重大科技项目(5226SX13044H)的配置进行了规定J。文献[1O一131也探讨了配电网继电保护配置与整定的问题。但是在实际当中,各级继电保护配置以及参数整定的不够合理,故障发生后造成越级跳闸和多级跳闸的现象还非常普遍【J。文献[15付旨出对于供电半径较短、分段数较多的开环运行的城市配电线路,在线路发生故障时,故障位置上游各个分段开关处的短路电流大小往往差异比较小,为此建议了一种利用级差配合的配电网继电保护方案,旨在实现分支故障不影响主干线、次分支/用户故障不影响分支。但是,文献[151的方法不能实现配电网主干线路上的多级保护配合。对于供电半径较长的城郊或者农村配电线路,在主干线路发生故障时,故障位置上游各个分段开关处的短路电流水平差异比较明显,具有采取多级3段式过流保护配合的可行性。一36.电力系统保护与控制文献【15]未对该问题进行深入分析。针对上述问题,本文研究配电网多级3段式过流保护配合的关键问题和改进方法,系统地总结配电网继电保护的配合模式及特点。1基于三段式过流保护配合的馈线长度分析由于三段式过流保护III段电流定值不需考虑上下级之间的配合关系,而只需在动作时限上进行配合,因此本章主要基于I、II段保护配合的灵敏度及选择性要求,分析馈线长度与其可实现的三段式过流保护配合级数的关系。1.1传统三段式过流保护配合的馈线长度分析对于图1所示的配电线路,假设其能实现级保护配合,也即可以沿线布置套3段式过流保护装置,将整条馈线分为个馈线段。将由各级3段式过流保护装置连接构成的路径称为该馈线的保护路径。图1可配置级保护示意图Fig.1Schematicdiagramconf—igurationofnlevelprotection用(f0=0)表示在保护路径上第iv/个馈线段的末端到变电站10kV母线的长度,其等效阻抗为z;用表示在保护路径上第n级保护装置的瞬时速断保护范围的末端到母线的长度,其等效阻抗为。设系统最大方式和最小方式下的系统阻抗分别为和.max(10kV侧系统阻抗主要是电抗),根据《3~110kV电网继电保护装置运行整定规程》(DL/T584.2007),若要求各级保护装置的I段保护在系统最小运行方式下两相短路时至少保护该级馈线段长度的比例为,对于第n级瞬时电流速断保护(I段),则有≥『1/2.U【+z:≥,11U√3I。i+z,一一-,刀1(2)[Xs.min"t-Zn[=Kt+l为了满足可靠配合的要求,第.1级延时速断保护(II段)的范围小于第,z级瞬时电流速断保护(I段)的范围,且必须满足灵敏度。要求,即≥。经整理,可得Ji+zolI+一I,2联立式(2)和(4),得(3)(4)Int--l≥n_1+I=K.8rl6el6一X+(5)+golKK。。X+Zn_ll式(5)就是为了实现第F/级3段式过流保护配合所需要满足的通用条件。在主干馈线导线类型和截面相同的情况下,其单位长度阻抗用Z表示,则Z=liz(6)将式(6)代入式(5)并取临界值,可以推出,:±兰:±—一【+(1一)一1]+[+(+(1一)一,)](l_(2._t2866r+(+,一l)0.(7)其中:为系统母线电压;为可靠系数,≥1.3;为第一1级馈线段末端最小两相短路电流;为第一1级保护的II段电流定值;为折算后的等效系数,即KK=.。,。为与下一级I段保护配合引入的可靠系数;和为馈线单位长度电阻和电抗。当只有1级保护时,其最小馈线长度,可由式(7)中第一个式子求出;当有2级以上保护时,第,z(2)级保护配合所需要的最小馈线长度可由式(7)中两个式子分别迭代求得,并取其中的较大值。1.2基于差异化定值改进方法的馈线长度分析传统的三段式电流保护定值是不区分短路类型的,其I段定值按照线路末端三相短路电流整定,当线路发生两相相间短路时,可能没有保护范围,电力系统保护与控制“”常运行方式相反的定值称为反向定值。根据第3章的原则确定两个方向的保护级数,对于不需要反向保护的保护装置,闭锁其反向保护即可。“”例如,对于图4(a)所示的手拉手环状配电线路,S】和S2为变电站10kV出线断路器,A、B、C、E和F为分段断路器,N为联络开关。假设根据第一章公式得出S馈线可配置4级正向3段式过流保护,s2馈线配置3级正向3段式过流保护。假设根据分析,在S转带S2馈线负荷的运行方式下,在F设置反向保护,可以实现5级保护配合,则配置该反向保护,其作用如图4fb)所示。假设根据分析,在S2转带S馈线负荷的运行方式下,在B设置反向保护,可以实现4级保护配合,则配置该反向保护,其作用如图4(c)所示。其余开关处的反向保护均闭锁。4级3级2级1级保护保护保护保护(c)“”图4手拉手环状配电网多级保护配置示例1Fig.4Anexampleofrelayprotectionforloopedgrid“”例如,对于图5(a)所示的手拉手环状配电线路,假设根据第一章公式得出S馈线可配置2级正向3段式过流保护,S2馈线可配置2级正向3段式过流保护。虽然在E未设置正向保护,但是假设根据分析,在S转带S:馈线负荷的运行方式下,在E设置反向保护,可以实现3级保护配合,则配置该反向保护,其作用如图5(b)所示。虽然在B未设置正向保护,假设根据分析,在S:转带S馈线负荷的运行方式下,在B设置反向保护,可以实现3级保护配合,则配置该反向保护,其作用如图5(c)所S.ABCNEFS2缴1级、保护保护“”图5手拉手环状配电网多级保护配置示例2Fig.5Anotherexampleofrelayprotectionforloopedgrid示。在本文图中,实心代表合闸状态,空心代表分闸状态,方块代表断路器,圆圈代表负荷开关。S为变电站10kV出线断路器,A~H为分段断路器/开关,Ai~Hi为分支断路器/开关,Aii~Hii为次分支/用户断路器/开关,N为联络开关。3配电网多级保护配合模式配电网多级继电保护配合方法有3段式过流保护配合法和延时时间级差配合法两种,根据对这两种方法配置的差异,可以形成4种配置模式,各种配合模式的可配合级数、变电站出线断路器最短动…作时间,m.n.和最长动作时间,rn如表1所示。表14种配合模式表1.ab1e1Atableoffourcoordinationmodes模模配合式模式2式模式4模式13可配ⅣⅣ+2f与3^,+lf与2+1f与合级N232级全配级全配2级部数合1合1分配合1tmi1sO△△r20△2△0axs△△△r2△△3△2△1)模式1:单纯3段式过流保护配合模式,即采用3段式过流保护的I、II段配合进行线路保护。例如,对于图6(a)所示的配电网,变电站出线断路器S1与分段断路器A、(B、C)、D构成4级3段式过流保护,其中,B和C均为第3级。所有断△路器的保护动作延时时间I段均为0S,II段均为。由于该模式需要依靠电流定值之间的差异,优点是可以实现主干线上的多级保护配合,但当分支线或用户故障,主干线上保护动作,故缺点是选择性较差,故障停电用户数多。2)模式2:单纯延时时间级差全配合模式,即采用3段式过流保护的III段进行线路保护。例如,对于图6fb1所示的配电网,变电站出线断路器S1、分支断路器(A1、Bl、B2、C1、D1、D2)和次分支断路器(A11、A12、Cll、D21、D22)配置过流III段保护,依靠保护动作时间配合构成3级延时级差保护配合。其中,次分支断路器的延时时问为0S,△分支断路器延时时间为,变电站出线断路器延时时间为2AT。由于该模式只需设置不同的延时时间就可以实现保护配合,优点是两相相间短路和三相相间短路刘健,等配电网多级继电保护配合的关键技术研究一39.图6配电网的典型多级继电保护配合模式—Fig.6Atypicalmultilevelrelayprotectioncoordin ̄ionmodeofdistributiongrid时都能全面配合,分支故障不影响主干线,次分支/用户故障不影响分支(3级配合时),故障停电用户少。但是因为变电站出线断路不配置l段保护,对于必须瞬时切除故障的网络不适用。3)模式3:单纯延时时间级差部分配合模式,即变电站出线断路器采用I、III(或II段)段保护,部分分支线采用II1段保护,分支线III段保护与变电站出线断路器III(或II段1段保护配合。例如,对于图6(c)所示的配电网,在一部分分支断路器(C】、C2、D1、D2)下游发生两相相间短路故障时,这些分支断路器可以与变电站出线断路器s构成2级延时级差保护配合。其中,分支断路器与变电站出线断路器的延时时问均为0s。该模式优点是变电站出线断路器配置有I段保护,可瞬时切除近端故障,且分支故障不影响主干线。缺点是当馈线较短或导线截面较粗时,部分上游分支故障会造成越级跳闸,一般只有在一部分两相相问短路时才能实现配合。4)模式4:3段式过流保护与延时时间级差混合模式,即主干线采用I、II保护,分支线和次分支采用III段保护,当I段可延时时,主干线I段与分支线III段及次分支III段之间依靠时间级差配合;当I段不能延时时,主干线II段与部分(I段保护范围之外)分支线III段及次分支III段之间依靠时问级差配合。具体包括与3级或2级全配合延时时间级差混合模式,与2级部分配合延时时间级差混合模式。例如,对于图6(d)所示的配电网,变电站出线断路器S与分段断路器A、B、C构成4级3段式过流保护配合,其保护动作延时时问I段均为2AT,II段均为3AT;S1、A、B、C与分支断路器(A1、B1、C1、Dl、D2)和次分支断路器(A11、B2l、D11、D)构成3级全配合延时级差保护,次分支断路器的延时时间均为0s,分支断路器的延时时问均为△。此例反映3段式过流保护与3级全配合延时时间级差混合模式。例如,对于图6(e)所示的配电网,变电站出线断路器S与分段断路器A、B、C构成4级3段式过流保护配合,其保护动作延时时间I段均为0s,II段均为AT;部分分支断路器(B2、C1、D1、D2)的延时时间均为0s,S、A、B、C与分支断路器构成2级部分配合延时级差保护。此例反映3段式过流保护与2级部分配合延时时间级差混合模式。由于该模式将3段式过流保护配合法与延时时间级差配合法综合起来,优点是选择性增强,主干线与分支线故障各不影响,故障停电用户减少。缺点是与全配合方式混合时降低了变电站出线开关动作的迅速性;与部分配合方式混合时只有一部分两相相问短路故障时可以提高选择性。4实例分析图7为某乡村10kV配电线路接线图。图中,ⅣXl变至联络开关为主干线1,X1变至Y大棚菜Ⅳ为主干线2,x2变至联络开关为主干线3,其他参数如表2所示。Y大棚菜图7某10kV乡村配电网接线图Fig.7A10kVdistributiongridincountryside..40..电力系统保护与控制表2算例系统参数名称主干线1主干线2主干线3导线型号LGJ一240LGJ.150LGJ240供电半径/l1278km计算参数:1.3,1.2,K1.5,fl=20%系统短路容量/MVASma ̄=400,i=260为了充分展示本文论述的方法,分两种情形进行继电保护的配置。△1)情形1:变电站出线断路器I段可延时。采用本文论述的方法可知,宜采用模式4的Ⅳ+1全配合模式,经分析可以确定:主干线1可配置3级正向保护,分别配置在A、B、C,延伸到主干线3可设置附加级反向保护1级,可选择设置在K;主干线3可配置3级正向保护,分别配置在I、J、K,延伸到主干线1可设置附加级反向保护1级,可选择设置在L。主干线2呈辐射状,可配置5级正向3段式过流保护,分别配置在D、E、F、G、H,其中H为附加级。对该配电网进行短路电流分析可知:各分支处的最小三相短路电流为430A,最小两相短路电流为372A。因此将所有分支断路器的电流定值均设置为280A(三相短路)和240A(两相短路),延时时问0S。采用基于改进的多级保护配合方式整定,其电流定值如表3所示,表中,第一套定值按照三相短路电流整定,第二套定值按照两相短路电流整定。表3情形1主干线上各级保护的电流定值Table3Currentsettingvaluesonthetrunksincase1“注1:单元格中斜杠前后分别表示第1套定值和第2套定值,即第1”套定值/第2套定值。注2:[]内为反向定值,其余为正向定值。2)情形2:变电站出线断路器I段不允许延时(即必须装设瞬时电流速断保护)。采用本文论述的方法可知,宜采用模式4的Ⅳ+1部分配合模式,经分析可以确定:主干线1可配置3级正向保护,分别配置在A、B、C,延伸到主干线3可设置附加级反向保护1级,可选择设置在J;主干线3可配置3级正向保护,分别配置在I、J、K,延伸到主干线1可设置附加级反向保护1级,可选择设置在B。主干线2呈辐射状,可配置4级正向3段式过流保护,分别配置在D、E、F、G,其中G为附加级。将部分分支断路器(Al、B2、JJ、D1、E2、F2、F3)的电流定值均设置为240A,延时时间0S,当然也可根据短路电流的不同差异化设置各个分支断路器的定值。采用传统3段式过流保护的方式整定,其电流定值如表4所示。表4情形2主干线上各级保护的电流定值Table4Currentsettingvaluesonthetrunksincase2注:[]内为反向定值,其余为正向定值。通过结果可以看出,采用本文的方法得出的保护配置方案和定值,与传统保护配置简单、保护安装位置和定值设置过于随意相比,不会发生越级跳闸现象,并且采用多级保护方案,可以减小线路的故障率。对比表3与表4可以看出,采用改进方法的保护方案比传统方法下可配置保护级数多,能够减少停电范围,提高供电可靠性。5结论(1)对于供电半径较长的配电线路,沿线短路电流水平差异较明显时,可以实现多级3段式过流保护配合。(2)区分三相短路与两相短路的定值差异化整定的改进方法,能够改善传统整定方法在发生两相短路故障时灵敏度下降并且保护范围不足的问题。(3)所得出的实现多级3段式过流保护配合所需要的条件和配置方法,是保护配合设计的依据。刘健,等配电网多级继电保护配合的关键技术研究一41.(4)配电网多级继电保护配合可以分为4种模式,文中分析了其特点,给出了配置方式和原则。参考文献[1]中国电力可靠性管理中心.2010年伞国电力可靠性指标[R1.北京:2011.[2]余贻鑫,栾文鹏.智能电网述评【J】.中国电机工程学—报,2009,29(34):18.YUYixin,LUANWenpeng.Smartgridanditsimplementations[J].ProceedingsoftheCSEE,2009,29(34):1-8.[3]戴志辉,王增平,焦彦军,等.阶段式保护原理性失效风险的概率评估方法[JJ_电工技术学报,2012,27(6):—175182.DAIZhihui,WANGZengping,JIAOYanjun,eta1.Probabilisticassessmentmethodforfailureriskofsteppedprotectionphilosophy[J].TransactionsofChinaElectrotechnica1Society,2012,27(6):l75-182.[4]朱林,段献忠,苏盛,等.基于证据理论的数字化变电站继电保护容错方法[J].电工技术学报,2011,26(1):154-161.ZHULin,DUANXianzhong,SUSheng,eta1.Evidence—theorybasedfaulttolerantmethodforprotectiverelaysindigitalsubstations[J].TransactionsofChina—ElectrotechnicalSociety,2011,26(1):154161.[5]王海燕,曾江,刘刚.国外配网自动化建设模式对我国配网建设的启示[J].电力系统保护与控制,2009,—37(11、:125129.WANGHaiyan,ZENGJiang,LIUGang.EnlightenmentofDASconstructionmodeinforeigncountriestoChina[J].PowerSystemProtectionandCon 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