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  • 架空配電線路繼電保護配置與整定解決方案

    一、背景與意義

    近年來,配電網安全運行水平與供電可靠性有了很大的進步,但與國際先進水平還有一定的差距。提高配電網相間故障隔離的選擇性,實現單相接地故障的就近快速隔離,是當前提高配電網設備及人身安全性和供電可靠性的重要課題。

    目前,我國配電網的故障處理存在以下問題:

    (1)配電網的繼電保護配置相對弱化,發生配網故障時選擇性差,線路下游、支線、用戶系統故障會造成全線停電,停電范圍大,故障點查找難,供電恢復時間長。

    (2)小電流接地故障沒有得到有效解決。部分變電站接地故障選線裝置原理上有缺陷,正確選線率低。配網自動化系統一般不具備小電流接地故障隔離功能,主要依賴錄波型故障指示器實現故障定位,可靠性差。耐接地電阻能力低,不能保證人身安全。

    2017年國網公司下發的《配電網技術導則》增加了小電流接地系統“永久性單相接地故障選線選段、就近快速隔離”的要求,“參考國際先進做法,改變長期以來單相接地故障下持續運行2小時的傳統做法”。

    本方案圍繞進一步提高安全性與供電可靠性的目標,擬采用暫態原理接地故障檢測技術實現小電流接地故障快速就近隔離、通過完善繼電保護配合減少相間短路故障越級跳閘。

    二、故障處理思路

    1.相間故障保護思路

    提高線路出口斷路器Ⅰ段保護定值,在實現與主變壓器后備保護配合的同時,將線路保護瞬時動作區域縮短至2km以內,為實現線路出口保護與下游保護的配合創造條件。

    為分支開關、分界開關配置電流保護,與線路出口保護實現三級配合,有選擇性的切除線路出口I段保護區外分支線與用戶故障,防止越級跳閘。線路出口I段保護區內分支線與用戶故障,通過二次重合閘(或主站遙控方式)恢復對非故障區域的供電。

    主干線路故障由原有集中型配電自動化處理。

    在距離較長的(大于8km)架空線路中,在線路后半段(約三分之一處)配置中間斷路器保護,與線路出口保護通過電流定值的配合,直接切除主干線路后半段的故障區段,解決出線保護無法保護線路全長的問題。

    2.小電流接地故障保護思路

    國家電網頒布的《配電網技術導則(Q/GDW 10370—2016 )》要求就近快速隔離永久性單相接地故障,南方電網在積極推廣小電流接地故障的自動跳閘。國際上法國、意大利、日本等國都采用自動跳閘隔離小電流接地故障。就近自動隔離小電流接地故障,既可保留小電流接地系統在瞬時性接地故障自愈的優點,又能避免長期運行帶來的危害。

    線路出口斷路器與線路分段開關、分支開關、分界開關配置暫態原理小電流接地故障方向保護,通過階梯式動作時限配合,有選擇性就近切除故障,防止故障點上游線路區段停電。

    對于單聯絡電源的架空環網,通過聯絡開關合閘以及與分段開關動作的配合恢復故障點下游非故障區段的供電。

    暫態接地保護利用故障產生的暫態信號,耐接地電阻能力超過2kΩ,不受消弧線圈影響,不需要在中性點投入并聯電阻,投資小,安全性好。

    三、架空線路相間短路保護方案

    1.變電站線路出口斷路器保護

    配置三段式保護,二次重合閘(第二次重合閘可由主站遙控方式代替)。

    (1)Ⅰ段保護

    配置Ⅰ段保護的目的:減少線路出口短路大電流對主變的危害,減少母線電壓暫降的危害。

    按照與主變壓器二次側Ⅱ段保護電流定值配合的原則,選擇線路出線I段保護電流定值。因為電流定值大為提高,保護區大約在2km以內,線路出口電流I段保護越級動作的范圍大為減少

    在I段保護區內分支線、用戶故障時,出口保護仍然會越級跳閘,這時通過二次重合閘恢復對非故障區域的供電。

    (2)電流Ⅱ段保護

    由于線路出口斷路器配置了電流I段保護,因此將Ⅱ段保護動作時限選為0.5s,以與下游保護配合,提高保護動作的選擇性。

    (3)電流Ⅲ段保護

    Ⅲ段保護動作時限選為1.8s。

    (4)重合閘。

    線路出口采用二次重合閘,以在I段保護區內分支線、用戶故障時恢復供電。

    (5)保護動作情況說明

    I段保護保護區外分支線路與用戶側故障時,由分支開關、分界開關或用戶側保護動作切除故障,不會越級跳閘。


    圖片1.png

    如果I段保護區內分支線路出現永久性故障,越級跳閘后通過重合閘或主站遙控方式恢復主干線路的供電。

    主干線路故障由集中型配電自動化處理。

    2.中間斷路器保護

    中間斷路器保護的作用:防止線路下游主干線路故障造成全線停電,解決線路出口斷路器保護在長線路末端故障時靈敏度不滿足要求的問題。實際工程中,線路長度小于5km時,可不配置中間斷路器保護。

    配置兩段式電流保護與一次重合閘,重合到故障上加速跳閘。

    (1)電流Ⅱ段保護。電流Ⅱ段保護的動作時限選為0.5s,以與下游分支線與分界開關保護配合。

    (2)電流Ⅲ段保護。動作時限按階梯時限原則整定,時間級差0.2s。

    (3)重合閘。重合閘的作用是防止瞬時性故障引起長時間停電,且在出現越級跳閘時恢復對非故障區段的供電。配置一次重合閘,動作時限設為1s。

    (4)保護動作情況說明。配電線路三相短路電流隨故障距離的變化曲線如圖3-2所示,短路電流隨著故障距離的增加急劇下降,在故障位置距變電站1km時,短路電流就大致下降到母線處短路電流的一半。因此中間斷路器Ⅱ段電流定值與出口Ⅱ段電流定值能夠配合,可避免出口保護越級跳閘。

    圖片2.png

    如果出口Ⅱ段電流保護區延伸到中間斷路器后,則中間斷路器下游故障時出口斷路器會越級跳閘;通過重合閘恢復中間斷路器上游線路區段供電。

    3.分支斷路器保護

    分支斷路器保護的作用:防止分支線路故障造成越級跳閘。

    配置兩段式電流保護,一次重合閘,重合到故障上后加速跳閘。

    (1)電流Ⅱ段保護。動作時限比上游Ⅱ段保護動作時限低一個時間級差,統一選為0.3s。

    (2)電流Ⅲ段保護。Ⅲ段保護動作時限按比上游保護Ⅲ段保護動作時限低一個時間級差(0.2s)。

    (3)重合閘。配置一次重合閘,防止分支線路瞬時性故障引起長時間停電。動作時限為1s。

    4.分界斷路器保護

    分界斷路器保護的作用:防止用戶系統內故障造成越級跳閘。

    分界斷路器配置兩段式電流保護、一次重合閘,重合到故障上加速跳閘。

    (1)電流Ⅱ段保護。動作時限選為0.1s,以與下游配變熔斷器保護配合,避免越級跳閘。

    (2)電流Ⅲ保護。Ⅲ段保護動作時限按比分支開關保護Ⅲ段保護動作時限低一個時間級差(0.2s)。

    (3)重合閘。配置一次重合閘,動作時限選為1s;重合閘作用是防止用戶系統發生瞬時性故障時,會造成用戶長時間停電。

    四、架空線路小電流接地故障保護方案

    1.工作原理

    發生小電流接地故障時,故障點上游的暫態零序電流方向相同,均流向母線;故障點下游和非故障線路暫態零序電流方向與故障點上游相反,均流向線路。根據開關處暫態零序電流的方向,即可判斷故障點的方向。

    圖片3.png

    線路出口斷路器與線路分段開關、分支開關、分界開關配置暫態原理小電流接地故障方向保護,保護通過階梯式動作時限配合,就近切除接地故障。

    暫態接地方向保護通過比較零序電壓導數與零序電流的極性判斷故障方向,二者相反時判為正向故障,相同時判為反向故障。

    變電站亦可配置暫態選線裝置,自動選擇故障線路,自動跳閘切除故障。

    暫態原理接地保護具有以下優點:利用故障產生的暫態信號,靈敏度高,不受消弧線圈影響;耐接地電阻能力達2kΩ,能夠有效地保護人體觸電、導線墜地與樹閃故障;不需要在中性點投入電阻或注入信號,安全性好,投資小。

    2.接地方向保護的配置與整定

    變電站出線開關、線路分段開關、分支開關、分界開關部署暫態接地方向保護,檢測到接地故障方向為正時保護啟動,通過階梯式時間配合就近切除接地故障。

    保護動作時限整定原則:最末級保護動作時限不小于2s,時間級差0.5s。

    圖片4.png

    五、對一二次設備的要求

    架空線路柱上開關選型遵循國網公司一二次融合的要求,內置有零序電流傳感器,由于目前零序電壓傳感器內置方式不夠成熟,采用外置方式。

    柱上分段開關兩側各配置線電壓互感器,提供電壓測量信號和保護裝置工作電源;其中一側配置零序電壓傳感器,提供零序電壓測量信號。分支、分界開關電源側配置一個線電壓互感器,提供電壓測量信號和保護裝置工作電源;配置零序電壓傳感器,提供零序電壓測量信號。

    柱上開關能夠快速動作切除故障,動作時間小于100ms。柱上開關保護終端同時滿足相間短路保護、小電流接地故障方向保護、故障測距以及配電SCADA的需求。

    小電流接地系統變電站配置暫態選線裝置,具備自動跳閘切除故障的功能。


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