20 kV環網繼電保護整定與運行分析

蔡燕春，張少凡，楊詠梅，華煌圣

(廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620)

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20 kV環網繼電保護整定與運行分析

蔡燕春，張少凡，楊詠梅，華煌圣

(廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620)

摘要：中新廣州知識城20 kV配電網采用合環運行的方式，而目前行業標準和企業標準均未對合環運行的配電網繼電保護整定與運行作明確規定。為此，在分析環網運行對繼電保護影響的基礎上，提出在環網內設置1條解環線路的思路，給出20 kV環網繼電保護整定原則，并結合運行過程中常見設備的檢修情況，提供了繼電保護檢修策略。該整定與運行原則解決了20 kV環網繼電保護時間級差不夠和相繼動作等問題，滿足后備保護選擇性要求。

關鍵詞：20 kV環網；繼電保護；整定；檢修策略

中新廣州知識城(以下簡稱“知識城”)是在國家大力倡導建立資源節約型、環境友好型國家的背景下，由中國與新加坡合作開發的示范區，為滿足知識城社會經濟發展的需要，中國南方電網有限責任公司要求將知識城電網打造成 “智能、高效、可靠、綠色”的現代化電網示范區。按照廣州供電局有限公司發布的《中新知識城電網規劃設計原則》，知識城高壓電網為220 kV直降20 kV電壓序列模式，其中220 kV電網采用自愈式環網接線方式，20 kV配電網參考新加坡技術采用花瓣型接線方式[1]。

知識城20 kV配電網合環運行方式使配電網絡成為多電源供電結構，改變了傳統配電網絡輻射式供電結構。傳統配電網中簡單的階段式電流保護無法滿足運行要求[2]，需要在分析環網運行對繼電保護影響的基礎上，提出滿足選擇性要求的繼電保護整定與運行原則。

1知識城20 kV花瓣型電網

知識城中壓配電網花瓣型接線方式如圖1所示。

圖1　知識城配電網結構

為降低短路電流，每個“花瓣”的2回電源線路來自同一變電站同一段 20 kV母線，2個“花瓣”之間通過聯絡線聯絡。正常運行方式下，花瓣型電網合環運行，聯絡線處于充電運行狀態。

“花瓣”內部如圖2所示[3]。

圖2　花瓣型接線方式

按線路在“花瓣”內的作用，可將線路分為3類，即站端出線(L1、L7、L8、L14)、聯絡線路(L15)和其他線路?！盎ò辍痹谡＿\行方式下具有兩路供電電源，“花瓣”內任何設備均不影響其他設備供電。若變電站側20 kV母線故障或檢修，則本“花瓣”負荷通過聯絡線L15轉相鄰“花瓣”供電；若變電站側變壓器故障或檢修，則本“花瓣”負荷通過20 kV母聯斷路器轉相鄰變壓器供電。

為保證發生接地故障時快速隔離故障，知識城20 kV花瓣型電網選擇中性點經小電阻接地的方式，兼顧了繼電保護靈敏性和人身安全等因素，接地小電阻取5 Ω，最大接地短路電流為1.6 kA。為提高知識城的供電可靠性，故障發生時能在最小范圍內切除故障，20 kV環網內各間隔采用斷路器。為快速切除故障，20 kV環網中變電站與配電房之間或兩配電房之間的聯絡線路配置光纖電流差動保護，并作為反應相間故障和接地故障的主保護，該保護安裝于配電房和變電站內，配置獨立的光纖信道。各配電房內進、出線間隔配置反應相間故障和接地故障的后備保護；同時，為減少保護裝置的數量，節省運維成本，各配電房配置一體化配電終端，實現本配電房內各線路、配電變壓器間隔的相過流保護(2段)、零序過流保護(1段)及重合閘功能。

20 kV環網保護配置如圖3所示。

圖3　繼電保護配置

以上繼電保護配置原則可滿足20 kV環網故障隔離的要求，其中后備保護能解決以下問題：當故障點經過渡電阻接地，零序電流較小[4-5]時，線路光纖電流差動保護靈敏度不足；線路光纖電流差動保護退出或拒動；配電房斷路器拒動；配電房母線故障。

2環網運行對繼電保護的影響

2.1故障時存在2條短路電流路徑

當環網中任意一處發生故障時，系統通過2條電氣路徑向故障點提供短路電流(如圖4所示)，短路電流路徑上的保護均會檢測到故障。

圖4　環網故障短路電流

2.2時間級差嚴重不足

傳統配電網中時間級差不夠[6]的問題仍然存在，且進一步惡化。若將20 kV環網中的保護作為一個整體，則其上級保護是變電站220 kV主變壓器低壓側后備保護和曲折變壓器保護，其下級保護是配電房內出線間隔的后備保護，20 kV環網中的保護定值和時限應與之配合。

設環網中有n個配電房，配電房進線間隔均為斷路器，并配置帶方向的后備保護。由圖4可知，20 kV環網中待整定的后備保護逐級配合應滿足如下關系：

(1)

(2)

式中：tb為220kV主變壓器低壓側后備保護動作時限；tqzb為曲折變壓器零序過流保護動作時限；t2,min、t0,min分別為配電房出線間隔相過流Ⅱ段保護、零序過流保護的動作時限；Δt為保護間配合時間級差，可取0.3s或0.25s。

根據《中新知識城電網規劃設計原則》，20kV環網內配電房數量最多可達7個，因此取n=7。知識城220kV主變壓器低壓側后備保護與上級220kV主變壓器高壓側后備保護配合，保護時限取最大值，tb=2.1s，曲折變壓器保護受小電阻阻值選擇原則中接觸電壓的限制，要求最長的接地故障隔離時間為1.8s，再考慮斷路器動作時間，取tqzb=1.7s，t2,min=0.3s，t0,min=0.1s，顯然不滿足式(1)和式(2)。

傳統配電網中，一般需要整定的保護有站端出線和用戶分界斷路器保護2級。與之相比，環網中待整定的保護級數更多，且無法實現保護逐級配合。

2.3保護相繼動作導致保護動作行為復雜

因系統至故障點的電氣距離不同，2條路徑中流過的短路電流Id1、Id2有差異。若Id1達到了線路L3配電房B側過流保護的電流定值，而I′d2小于線路L3配電房G側過流保護電流定值，則線路L3配電房B側過流保護會按規定時限動作，但故障并未隔離，系統按剩下的電氣路徑向故障點提供短路電流Id2。若I′d2達到了線路L3配電房G側過流保護電流定值，則該保護能按規定時限動作，最終切除故障。

以上保護動作過程表明，相繼動作會延長故障的最長切除時間[7]。若不考慮保護相繼動作，按保護同時動作來處理站端出線保護與220kV主變壓器低壓側后備保護、曲折變壓器保護等上級保護的配合，則環網中線路保護相繼動作會導致上級保護越級動作跳220kV主變壓器低壓側，引起本“花瓣”及該220kV主變壓器低壓側所供其他“花瓣”全部失壓，擴大事故范圍。

2.4檢修方式下繼電保護選擇性差

當20kV環網的一、二次設備因檢修或異常退出運行時，若繼電保護檢修策略不合理，則無法達到在最小范圍內隔離故障的目的。

以圖4中線路L2光纖電流差動保護退出為例。當線路L2發生永久性故障時，若不采取措施，線路L2配電房A側保護及線路L3配電房G側保護動作隔離故障，導致配電房B失壓。與線路L2光纖電流差動保護投運時僅切除線路L2兩側斷路器并可保證配電房B持續供電相比，顯然擴大了事故范圍。

3繼電保護整定與運行分析

3.1整定原則

上述分析表明，環網運行繼電保護整定應解決配合時間級差嚴重不足的問題，才能保證故障時最小范圍內切除故障。為此，本文根據繼電保護整定的相關標準要求，結合知識城20kV環網運行方式和繼電保護配置，按照故障時不允許保護越級跳220kV主變壓器低壓側的要求，提出整定原則。

在20kV環網中預設1條解環線路，如圖5中線路L3。如果線路主保護未動作，則環網內解環線路兩側后備保護最先動作，使環網解列為2條輻射型線路。若圖5中f1故障，解環線路L3兩側斷路器跳閘后，故障點與系統完全隔離，全部保護返回，不涉及其他線路后備保護之間的配合；若圖中f2故障，則解環線路L3兩側斷路器跳閘后，線路L4、L5、L6構成的輻射型線路2與故障點已隔離，線路上所有保護返回，僅需要考慮線路L1、L2構成的輻射型線路1各級保護之間的配合；同理，f3故障時僅需要考慮輻射型線路2各級保護之間的配合問題。

圖5　環網中待整定后備保護

設置解環線路后，將圖5的保護整定配合轉化為2條輻射型線路保護的整定配合(如圖6所示)，這樣不僅待整定保護數量減少為原來的1/2，且保護配合更加清晰。輻射型線路負荷側保護可退出，電源側保護不需要帶方向。

圖6　解環后待整定后備保護

輻射型線路1和輻射型線路2的保護整定基本相同，選擇輻射型線路1進行整定。優先保證20 kV環網內站端出線保護、解環線保護和環網間聯絡線保護、配電房出線保護的整定，環網內其他線路保護視是否有時間級差進行整定，若無時間級差則退出。

3.2動作時限整定

3.2.1環網間聯絡線保護

配電房內出線保護動作時限是環網保護配合的下限?？紤]本環網負荷由相鄰環網通過聯絡線轉供時，本環網故障應盡量不影響相鄰環網供電，將解環線路保護作為環網間的聯絡線路保護的上一級保護。即環網間聯絡線保護動作時限整定為：

式中：t1,con、t2,con、t0,con分別為環網間聯絡線相過流Ⅰ段保護、相過流Ⅱ段保護和零序過流保護的動作時限，t1,min為配電房出線間隔相過流Ⅰ段保護的動作時限。

3.2.2環網內解環線路保護

在環網內線路保護中，解環線路保護的動作時限最短，整定為：

式中t1,sol、t2,sol、t0,sol分別為解環線路相過流Ⅰ段保護、相過流Ⅱ段保護和零序過流保護的動作時限。

3.2.3環網內站端出線保護

220 kV主變壓器低壓側過流保護電流定值與環網內線路過流Ⅰ段保護電流定值、Ⅱ段保護電流定值之和配合時，相繼動作造成最長故障隔離時間的條件為：環網內近后備保護過流Ⅰ段保護動作后，遠后備保護過流Ⅰ段保護才動作。因此，要滿足保護不越級跳220 kV主變壓器低壓側的要求，站端出線相過流Ⅰ段保護動作時限t1,d應滿足以下關系：

同理，考慮零序過流保護相繼動作，站端出線零序過流保護動作時限t0,d應滿足以下關系：

220 kV主變壓器低壓側后備保護電流定值已經躲過環網內線路過流Ⅱ段保護電流定值，因此，站端出線相過流Ⅱ段保護動作時限

3.2.4其他線路保護

環網內其他線路保護按逐級配合要求整定動作時限，其中相過流Ⅰ段保護、相過流Ⅱ段保護、零序過流保護可整定的級數n1、n2、n0分別為：

3.3電流整定

考慮到配電房數量大且不斷發展，若各一體化配電終端電流定值有較大差異，則難以開展運行維護工作，因此電流定值應盡量一致，以提高定值的適應性。經分析計算，以下定值能滿足靈敏度要求：相過流Ⅰ段保護電流定值為4 kA，相過流Ⅱ段保護電流定值為1.040 kA，零序過流保護電流定值為60 A。

3.4保護動作行為分析

3.4.1故障點兩側保護同時動作

如圖6中f1處故障，故障點位于環網中線路光纖電流差動保護范圍之外，故障點兩側電流均達到相過流Ⅰ段保護電流定值。根據環網中線路整定動作時限，在t=t1,min+2Δt時刻，解環線路L3兩側斷路器跳閘，系統沿著輻射型線路1向故障點提供短路電流；在t=t1,min+3Δt時刻，線路L2配電房A側過流Ⅰ段保護動作跳開該側斷路器，至此故障被完全隔離，未擴大事故范圍。

3.4.2保護相繼動作

如圖6中f2處故障，則Id1>4 kA，0 A4kA，則在t=t1,min+3Δt+t1,min+2Δt時刻，線路L3兩側保護動作并跳開兩側斷路器，至此，故障被完全隔離，未擴大事故范圍。

3.4.3檢修方式下保護動作

常見設備檢修方式包括光纖電流差動保護退出、配電終端退出、“花瓣”解環運行、相鄰“花瓣”通過聯絡線轉本“花瓣”、相鄰220kV主變壓器通過20kV母聯斷路器供本“花瓣”等。檢修方式下應制定合理的檢修策略，以滿足保護選擇性要求。

以圖6中線路L2的光纖電流差動保護退出為例進行說明。保護選擇性要求是：本線路故障時，由線路兩側后備保護切除故障；其他線路故障時，由對應線路差動保護切除故障，而線路L2兩側的后備保護不越級動作；配電房出線故障時，由配電房出線保護切除故障，而線路L2兩側的后備保護不越級動作。第1個要求表明，線路L2配電房B側后備保護動作時限必須作為解環線路L3保護的下級進行整定；第2、3個要求表明，線路L2配電房B側后備保護動作時限不能整定為0s，而應作為配電房出線保護的上級整定。

根據整定原則，環間聯絡線后備保護能完整地對相間故障和接地故障作出反應，且動作時限與解環線路L3后備保護動作時限、配電房出線保護動作時限配合。因此，線路L2的光纖電流差動保護退出時，可將線路L2配電房B側后備保護定值調整為環間聯絡線后備保護定值，保證滿足選擇性要求。

需要說明的是，以上分析認為線路L2配電房A側后備保護能完整地對相間故障和接地故障作出反應，因此未對定值作調整，否則也應調整為環間聯絡線后備保護定值。

在其他檢修方式下，可參照線路光纖電流差動保護退出時的保護策略，投入相應的后備保護，并調整其定值為環間聯絡線后備保護定值。

4應用示例

以知識城20kV花瓣型環網(如圖7所示)為對象，給出整定運行示例，環網中配電房數量選擇最大規模7個，線路L4為預先設置的解環線路。220kV主變壓器低壓側后備保護時限tb=2.1s，曲折變壓器保護時限tqzb=1.7s。配電房內出線間隔的后備保護相過流Ⅱ段保護動作時限t2,min=0.3s，零序過流保護動作時限t0,min=0.1s。相過流保護配合時間級差取0.3s，零序過流保護配合時間級差取0.25s。知識城20kV花瓣型環網中各保護定值配合見表1。站端出線保護與解環線路保護間可整定級數計算結果：相過流Ⅰ段保護0級，相過流Ⅱ段保護2級，零序過流保護0級。若相過流Ⅰ段保護和零序保護無時間級差，則相應保護退出。

圖7　知識城20 kV花瓣型環網

表1知識城20 kV花瓣型環網動作時限配合

斷路器相過流Ⅰ段保護動作時限/s相過流Ⅱ段保護動作時限/s零序過流保護動作時限/sQF10.901.800.85QF2退出1.50退出QF30.000.300.10QF4退出1.20退出QF50.000.300.10QF60.600.900.60QF70.600.900.60QF80.000.300.10QF90.300.600.35QF100.000.300.10QF11退出1.20退出QF120.000.300.10QF13退出1.50退出QF140.000.300.10QF150.901.800.85QF160.300.600.35

檢修方式下繼電保護策略以配電終端退出為例說明。配電終端退出會導致配電房內各間隔無保護運行，因此應調整相鄰配電房配電終端的保護定值，確保在發生相間故障和接地故障時均能在最小范圍內隔離故障。若圖7中配電房A終端退出，則要求投入與相鄰配電房B聯絡的線路后備保護，相過流Ⅰ段保護、相過流Ⅱ段保護、零序過流保護的時限分別按0.30 s、0.60 s、0.35 s整定。

5結束語

配電網合環運行有利于提高供電可靠性，中國部分地區試點重要負荷采取合環供電方式，知識城20 kV電網正是其中之一。目前行業標準和企業標準均未對合環運行的配電網繼電保護整定運行作規定，本文在分析環網運行對繼電保護影響的基礎上，給出適用于環網隔離故障需求的保護配置，明確提出環網線路發生故障時不允許保護越級跳220 kV主變壓器低壓側。20 kV環網繼電保護整定采取在環網內設置1條解環線路的方法，考慮環網線路中保護相繼動作和時間級差不夠的特點，合理分配時間級差，滿足后備保護選擇性的要求。該整定原則為解決合環運行的配電網后備保護配合問題提供了一種新思路。

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蔡燕春(1984)，男，湖北浠水人。工程師，工學碩士，從事繼電保護整定運行工作。

張少凡(1979)，男，安徽含山人。工程師，工學學士，從事繼電保護整定運行工作。

楊詠梅(1970)，女，四川資陽人。工程師，工學學士，從事繼電保護整定運行工作。

(編輯李麗娟)

聲明

2015年第12期《基于動態潮流模型的最小發電費用增量計算》一文，作者黃為民，文中作者單位英文翻譯有誤，應將“School of Energy and Electric Engineering”改為“The College of Energy and Electrical Engineering”，特此聲明。

Analysis on Relay Protection Setting and Operation of 20 kV Loop Network

CAI Yanchun, ZHANG Shaofan, YANG Yongmei, HUA Huangsheng

(Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510620, China)

Abstract：20 kV power distribution network of Zhongxin Guangzhou knowledge city adopts closed-loop operation mode, while there are no explicit provisions about relay protection setting and operation of closed-loop power distribution network in present industrial standards and enterprise standards. Therefore, on the basis of analyzing influence on relay protection by closed-loop operation, thinking of setting one looping-off line in the loop network is proposed, setting principles for relay protection of 20 kV loop network are provided, and overhaul strategy for relay protection is afforded by combining overhaul conditions of common equipments in running process. The setting and operation principles could solve problems such as insufficient time differentials of relay protection and successive action, which could satisfy requirements for selection of backup protection.

Key words：20 kV loop network; relay protection; setting; overhaul strategy

作者簡介：

中圖分類號：TM773

文獻標志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)02-0064-06

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.02.013

收稿日期：2015-07-20修回日期：2015-09-10