1、10KV配電系統(tǒng)保護原理及選擇摘要：配電自動化技術(shù)是服務(wù)于城鄉(xiāng)配電網(wǎng)改造建設(shè)的重要技術(shù)，配電自動化包括饋線自動化和配電管理系統(tǒng)，通信技術(shù)是配 電自動化的關(guān)鍵。目前，我國配電自動化進行了較多試點，由配電 主站、子站和饋線終端構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)已得到普遍認(rèn)可，光纖通信 作為主干網(wǎng)的通信方式也得到共識。 筆者主要對饋線自動化原理和 10KV配電變壓器的保護配置方式進行技術(shù)-經(jīng)濟比較。關(guān)鍵詞：饋線自動化、通信技術(shù)、10KV配電變壓器、斷路器負(fù)荷開關(guān)、熔斷器、保護配a一、配電網(wǎng)饋線保護的技術(shù)現(xiàn)狀電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電和配電三部分組成。發(fā)電環(huán)節(jié)的保護集 中在元件保護，其主要目的是確保發(fā)電廠發(fā)生電氣故障時將設(shè)備的

2、 損失降為最小。輸電網(wǎng)的保護集中在輸電線路的保護，其首要目的 是維護電網(wǎng)的穩(wěn)定。配電環(huán)節(jié)的保護集中在饋線保護上，配電網(wǎng)不 存在穩(wěn)定問題，一般認(rèn)為饋線故障的切除并不嚴(yán)格要求是快速的。不同的配電網(wǎng)對負(fù)荷供電可靠性和供電質(zhì)量要求不同。許多配電網(wǎng)僅是考慮線路故障對售電量的影響及配電設(shè)備壽命的影響，尚未將 配電網(wǎng)故障對電力負(fù)荷（用戶）的負(fù)面影響作為配電網(wǎng)保護的目的。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電力用戶用電的依賴性越來越強，供電 可靠性和供電電能質(zhì)量成為配電網(wǎng)的工作重點， 而配電網(wǎng)饋線保護的主要作用也成為提高供電可靠性和提高電能質(zhì)量，具體包括饋線 故障切除、故障隔離和恢復(fù)供電。具體實現(xiàn)方式有以下幾種:1.1傳統(tǒng)的

3、電流保護過電流保護是最基本的繼電保護之一?？紤]到經(jīng)濟原因，配電 網(wǎng)饋線保護廣泛采用電流保護。配電線路一般很短，由于配電網(wǎng)不 存在穩(wěn)定問題，為了確保電流保護動作的選擇性，采用時間配合的 方式實現(xiàn)全線路的保護。常用的方式有反時限電流保護和三段電流 保護，其中反時限電流保護的時間配合特性又分為標(biāo)準(zhǔn)反時限、非 常反時限、極端反時限和超反時限，參見式（1）、（ 2）、（ 3） 和（4）。這類保護整定方便、配合靈活、價格便宜，同時可以包 含低電壓閉鎖或方向閉鎖，以提高可靠性；增加重合閘功能、低周 減載功能和小電流接地選線功能。電流保護實現(xiàn)配電網(wǎng)保護的前提是將整條饋線視為一個單元。當(dāng)饋線故障時，將整條線路切

4、掉，并不考慮對非故障區(qū)域的恢復(fù)供 電，這些不利于提高供電可靠性。另一方面，由于依賴時間延時實 現(xiàn)保護的選擇性，導(dǎo)致某些故障的切除時間偏長，影響設(shè)備壽命。1.2重合器方式的饋線保護實現(xiàn)饋線分段、增加電源點是提高供電可靠性的基礎(chǔ)。重合器保護是將饋線故障自動限制在一個區(qū)段內(nèi)的有效方式 參考文獻(xiàn)。參見圖1,重合器R位于線路首端，該饋線由 A B、C三個分段器 分為四段。當(dāng)AB區(qū)段內(nèi)發(fā)生故障F1，重合器R動作切除故障，此 后，A B、C分段器失壓后自動斷開，重合器 R經(jīng)延時后重合，分 段器A電壓恢復(fù)后延時合閘。同樣，分段器B電壓恢復(fù)后延時合閘。當(dāng)B合閘于故障后，重合器R再次跳開，當(dāng)重合器第二次重合后,

5、分段器A將再次合閘，此后B將自動閉鎖在分閘位置，從而實現(xiàn)故 障切除、故障隔離及對非故障段的恢復(fù)供電。目前在我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造中仍有大量重合器得到應(yīng)用，這種簡 單而有效的方式能夠提高供電可靠性， 相對于傳統(tǒng)的電流保護有較 大的優(yōu)勢。該方案的缺點是故障隔離的時間較長，多次重合對相關(guān) 的負(fù)荷有一定影響。1.3基于饋線自動化的饋線保護配電自動化包括饋線自動化和配電管理系統(tǒng)， 其中饋線自動化 實現(xiàn)對饋線信息的采集和控制，同時也實現(xiàn)了饋線保護。饋線自動 化的核心是通信，以通信為基礎(chǔ)可以實現(xiàn)配電網(wǎng)全局性的數(shù)據(jù)采集 與控制，從而實現(xiàn)配電SCADA配電高級應(yīng)用（PAS。同時以地理信息系統(tǒng)（GIS）為平臺實現(xiàn)了配電

6、網(wǎng)的設(shè)備管理、圖資管理，而SCADA GIS和PAS的一體化則促使配電自動化成為提供配電網(wǎng)保護 與監(jiān)控、配電網(wǎng)管理的全方位自動化運行管理系統(tǒng)。參見圖 2所示 系統(tǒng)，這種饋線自動化的基本原理如下：當(dāng)在開關(guān) S1和開關(guān)S2之間發(fā)生故障（非單相接地），線路出口保護使斷路器B1動作，將 故障線路切除，裝設(shè)在S1處的FTU檢測到故障電流而裝設(shè)在開關(guān)S2處的FTU沒有故障電流流過，此時自動化系統(tǒng)將確認(rèn)該故障發(fā)生 在S1與S2之間，遙控跳開S1和S2實現(xiàn)故障隔離并遙控合上線路 出口的斷路器，最后合上聯(lián)絡(luò)開關(guān) S3完成向非故障區(qū)域的恢復(fù)供 電。這種基于通信的饋線自動化方案以集中控制為核心， 綜合了電 流保護、

7、RTU遙控及重合閘的多種方式，能夠快速切除故障，在幾 秒到幾十秒的時間內(nèi)實現(xiàn)故障隔離，在幾十秒到幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)恢復(fù) 供電。該方案是目前配網(wǎng)自動化的主流方案，能夠?qū)伨€保護集成 于一體化的配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中，從故障切除、故障隔離、恢復(fù)供電 方面都有效地提高了供電可靠性。同時，在整個配電自動化中，可 以加裝電能質(zhì)量監(jiān)測和補償裝置，從而在全局上實現(xiàn)改善電能質(zhì)量 的控制。二、饋線保護的發(fā)展趨勢目前，配電自動化中的饋線自動化較好地實現(xiàn)了饋線保護功 能。但是隨著配電自動化技術(shù)的發(fā)展及實踐，對配電網(wǎng)保護的目的 也要悄然發(fā)生變化。最初的配電網(wǎng)保護是以低成本的電流保護切除 饋線故障，隨著對供電可靠性要求的提高，又出

8、現(xiàn)以低成本的重合器方式實現(xiàn)故障隔離、恢復(fù)供電，隨著配電自動化的實施，饋線保 護體現(xiàn)為基于遠(yuǎn)方通信的集中控制式的饋線自動化方式。 在配電自 動化的基礎(chǔ)上，配電網(wǎng)通信得到充分重視，成本自動化的核心。目 前國內(nèi)的主流通信方式是光纖通信， 具體分為光纖環(huán)網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)。建立在光纖通信基礎(chǔ)上的饋線保護的實現(xiàn)由以下三部分組成:1)電流保護切除故障;2)集中式的配電主站或子站遙控 FTU實現(xiàn)故障隔離;3)集中式的配電主站或子站遙控 FTU實現(xiàn)向非故障區(qū)域的恢復(fù)供電。這種實現(xiàn)方式實質(zhì)上是在自動裝置無選擇性動作后的恢復(fù)供電。如果能夠解決饋線故障時保護動作的選擇性，就可以大大提咼饋線保護的性能，從而一次性地實現(xiàn)故

9、障切除與故障隔離。這需要饋線上的多個保護裝置利用快速通信協(xié)同動作， 共同實現(xiàn)有選擇性的故障隔離，這就是饋線系統(tǒng)保護的基本思想。三、饋線系統(tǒng)保護基本原理3.1基本原理饋線系統(tǒng)保護實現(xiàn)的前提條件如下:快速通信;2）控制對象是斷路器;3）終端是保護裝置，而非 TTU.在高壓線路保護中， 高頻保護、 電流差動保護都是依靠快速通信實現(xiàn)的主保護， 饋線系統(tǒng)保護是在多于兩個裝置之間通信的基礎(chǔ)上 實現(xiàn)的區(qū)域性保護?；驹砣缦拢簠⒁妶D 3 所示典型系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用斷路器作為分段開關(guān)，如圖A、B、C、D、E、F.對于變電站M，手拉手的線路為A至D之 間的部分。變電站N則對應(yīng)于C至F之間的部分。N側(cè)的饋線系統(tǒng) 保

10、護則控制開關(guān)A、B、C、D的保護單元UR1至UR7組成。當(dāng)線路故障 F1 發(fā)生在 BC 區(qū)段，開關(guān) A、 B 處將流過故障電流，開關(guān) C 處無故障電流。但出現(xiàn)低電壓。此時系統(tǒng)保護將執(zhí)行步驟：Step1 ：保護起動， UR1 、 UR2、 UR3 分別起動；Step2 :保護計算故障區(qū)段信息;Step3 :相鄰保護之間通信;Step4:UR2、 UR3 動作切除故障;Step5:UR2重合。如重合成功，轉(zhuǎn)至 Step9 ;Step6:UR2重合于故障，再跳開;Step7 :UR3在 T內(nèi)未測得電壓恢復(fù)，通知 UR4合閘;Step8:UR4合閘，恢復(fù) CD 段供電，轉(zhuǎn)至 Step10;Step9

11、: UR3在T時間內(nèi)測得電壓恢復(fù)，UR3重合;Step10 ：故障隔離，恢復(fù)供電結(jié)束。3.2 故障區(qū)段信息 定義故障區(qū)段信息如下： 邏輯 1：表示保護單元測量到故障電流， 邏輯 0：表示保護單元未測量到故障電流，但測量到低電壓。當(dāng)故障發(fā)生后，系統(tǒng)保護各單元向相鄰保護單元交換故障區(qū)段，對于一個保護單元， 當(dāng)本身的故障區(qū)段信息與收到的故障區(qū)段信息的異或為 1 時，出口跳閘。為了確保故障區(qū)段信息識別的正確性，在進行邏輯1 的判斷時，可以增加低壓閉鎖及功率方向閉鎖。3.3 系統(tǒng)保護動作速度及其后備保護為了確保饋線保護的可靠性， 在饋線的首端 UR1處設(shè)限時電200ms 內(nèi)流保護，建議整定時間內(nèi) 0.2

12、 秒，即要求饋線系統(tǒng)保護在 完成故障隔離。在保護動作時間上，系統(tǒng)保護能夠在 20ms 內(nèi)識別出故障區(qū)段信息，并起動通信。光纖通信速度很快，考慮到重發(fā)多幀信息，相鄰保護單元之間的通信應(yīng)在 30ms 內(nèi)完成。斷路器動作時間為 40ms 100ms. 這樣，只要通信環(huán)節(jié)理想即可實現(xiàn)快速保護。3.4 饋線系統(tǒng)保護的應(yīng)用前景 饋線系統(tǒng)保護在很大程度上沿續(xù)了高壓線路縱聯(lián)保護的基本原則。由于配電網(wǎng)的通信條件很可能十分理想。 在此基礎(chǔ)之上實現(xiàn)的 饋線保護功能的性能大大提高。 饋線系統(tǒng)保護利用通信實現(xiàn)了保護的 選擇性，將故障識別、故障隔離、重合閘、恢復(fù)故障一次性完成，具 有以下優(yōu)點：1）快速處理故障，不需多次重

13、合； 2）快速切除故障，提高了電動機類負(fù)荷的電能質(zhì)量； 3）直接將故障隔離在故障區(qū)段，不影響非故障區(qū)段； 4）功能完成下放到饋線保護裝置， 無需配電主站、 子站配合。四。系統(tǒng)保護展望 繼電保護的發(fā)展經(jīng)歷了電磁型、晶體管型、集成電路型和微機型。微機保護在擁有很強的計算能力的同時， 也具有很強的通信能 力。通信技術(shù)， 尤其是快速通信技術(shù)的發(fā)展和普及，也推動了繼電保 護的發(fā)展。系統(tǒng)保護就是基于快速通信的由多個位于不同位置的保護 裝置共同構(gòu)成的區(qū)域行廣義保護。電流保護、距離保護及主設(shè)備保護都是采集就地信息，利用局部電氣量完成故障的就地切除。線路縱聯(lián)保護則是利用通信完成兩 點之間的故障信息交換，進行處于

14、異地的兩個裝置協(xié)同動作。近年來 出現(xiàn)的分布式母差保護則是利用快速的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多個裝置之間 的快速協(xié)同動作如果由位于廣域電網(wǎng)的不同變電站的保護裝置共同 構(gòu)成協(xié)同保護則很可能將繼電保護的應(yīng)用范圍提高到一個新的層次。這種協(xié)同保護不僅可以改進保護間的配合， 共同實現(xiàn)性能更理想的保 護，而且可以演生于基于繼電保護相角測量的穩(wěn)定監(jiān)控協(xié)系統(tǒng)， 基于 繼電保護的高精度多端故障測距以及基于繼電保護的電力系統(tǒng)動態(tài) 模型及動態(tài)過程分析等應(yīng)用領(lǐng)域。目前，在輸電網(wǎng)中已經(jīng)出現(xiàn)了基于GPS的動態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)和分散式行波測距系統(tǒng)。在配電網(wǎng)，伴隨賊配 電自動化的開展。配電網(wǎng)饋線系統(tǒng)保護有可能率先得到應(yīng)用。五、10KV配電變壓器的

15、配置方式 無論是在環(huán)網(wǎng)供電單元、箱式變電站或是終端用戶的高壓室結(jié)線方式中，如配電變壓器發(fā)生短路故障時，保護配置能快速可靠地 切除故障，對保護10kV高壓開關(guān)設(shè)備和變壓器都非常重要。保護方 式的配置一般有兩種：一種利用斷路器；另一種則利用負(fù)荷開關(guān)加高 遮斷容量的后備式限流熔斷器組合。這兩種配置方式在技術(shù)和經(jīng)濟上各有優(yōu)缺點，以下對這兩種方式進行綜合比較分析。5、1環(huán)網(wǎng)供電單元接線形式1）環(huán)網(wǎng)供電單元的組成環(huán)網(wǎng)供電單元（RMU）由間隔組成，一般至少有3個間隔，包括2 個環(huán)纜進出間隔和1個變壓祥回路間隔。2）環(huán)網(wǎng)供電單元保護方式的配置環(huán)纜饋線與變壓器饋線間隔均采用負(fù)荷開關(guān)通常為具有接通、隔斷和接地功能

16、的三工位負(fù)荷開關(guān)。變壓器饋線間隔還增加高遮斷容 量后備式限流熔斷器來提供保護。實際運行證明，這是一種簡單、可靠而又經(jīng)濟的配電方式。3）環(huán)網(wǎng)供電單元保護配置的特點負(fù)荷開關(guān)用于分合額定負(fù)荷電流，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等特 點，但不能開斷短路電流，高遮斷容量后備式限流熔斷器為保護元 件，可開斷短路電流，如將兩者有機地結(jié)合起來，可滿足配電系統(tǒng)各 種正常和故障運行方式下操作保護的要求。斷路器參數(shù)的確定和結(jié)構(gòu) 的設(shè)計制造均嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求進行， 兼具操作和保護兩種功能，所以 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，大量使用不現(xiàn)實。環(huán)網(wǎng)柜中大量使用負(fù)荷開 關(guān)加高遮斷容量后備式熔斷器組合裝置， 把對電器不盡相同的操作與 保護功能

17、分別由兩種簡單、便宜的元件來實現(xiàn)，即用負(fù)荷開關(guān)來完成 大量發(fā)生的負(fù)荷合分操作，而采用高遮斷容量后備式限流熔斷器對極 少發(fā)生短路的設(shè)備起保護作用，很好地解決問題，既可避免使用操作 復(fù)雜、價格昂貴的斷路器，又可滿足實際運行的需要。六、10kV配電變壓器保護配置方式的合理選擇:a)斷路器具備所有保護功能與操作功能，但價格昂貴;b)C）負(fù)荷開關(guān)與斷路器性能基本相同，但它不能開斷短路電流;負(fù)荷開關(guān)加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合，可斷開短路部分熔斷器的分?jǐn)嗳萘勘葦嗦菲鬟€高，因此，使用負(fù)荷開關(guān)加高遮斷容量后備式限流熔斷器組合不比斷路器效果差，可費用卻可以大大降低。6、1負(fù)荷開關(guān)加高遮斷容量后備式熔斷器組合

18、的優(yōu)點采用負(fù)荷開關(guān)加高遮容量熔斷器組合，具有如下優(yōu)點:a）開合空載變壓器的性能好。環(huán)網(wǎng)柜的負(fù)荷種類，絕大部分為 配電變壓器，一般容量不大于1250 kVA極少情況達(dá)1600 kVA 配電變壓器空載電流一般為額定電流的 2%右，較大的配電變壓器 空載電流較小。環(huán)網(wǎng)柜開合空載變壓器小電流時，性能良好，不會產(chǎn) 生較高過電壓。b）有效保護配電變壓器，特別是對于油浸變壓器，采用負(fù)荷開 關(guān)加高遮斷容量后備式限流熔斷器比采用斷路器更為有效， 有時后者 甚至并不能起到有效的保護作用。有關(guān)資料表明，當(dāng)油浸變壓器發(fā)生 短路故障時，電弧產(chǎn)生的壓力升高和油氣化形成的氣泡會占據(jù)原屬于 油的空間，油會將壓力傳給變壓器油箱

19、體，隨短路狀態(tài)的繼續(xù)，壓力進一步上升，致使油箱體變形和開裂。為了不破壞油箱體，必須在 20ms內(nèi)切除故障。如采用斷路器，因有繼電保護再加上自身動作時 間和熄弧時間，其全開斷時間一般不會少于 60ms這就不能有效地保護變壓器。而高遮斷容量后備式限流熔斷器具有速斷功能，加上其具有限流作用，可在10ms之內(nèi)切除故障并限制短路電流，能夠有效地保護變壓器。因此,應(yīng)采用高遮斷容量后備式限流熔斷器而盡量不用斷路器來保護電器,即便負(fù)荷為干式變壓器，因熔斷器保護動作快，也比用斷路器好。C）從繼電保護的配合來講，在大多數(shù)情況下，也沒有必要在環(huán)網(wǎng)柜中采用斷路器，這是因為環(huán)網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)的首端斷路器（即110kV 或22

20、0kV變電站的10kV饋出線斷路器）的保護設(shè)置一般為：速斷保護 的時間為0S,過流保護的時間為0.5s，零序保護的時間為0.5s。若環(huán)網(wǎng)柜中采用斷路器，即使整定時間為0 s動作，由于斷路器固有 動作時間分散，也很難保證環(huán)網(wǎng)柜中的斷路器而不是上一級斷路器首 先動作。d）高遮斷容量后備式限流熔斷器可對其后所接設(shè)備，如電流互 感器、電纜等都可提供保護。高遮斷容量后備式限流熔斷器的保護范 圍可在最小熔化電流（通常為熔斷器額定電流的23倍）到最大開斷 容量之間。限流熔斷器的電流-時間特性，一般為陡峭的反時限曲線, 短路發(fā)生后，可在很短的時間內(nèi)熔斷，切除故障。如果采用斷路器作保護。必定使其它電器如電纜、電

21、流互感器、變壓器套管等元件的熱 穩(wěn)定要求大幅度提高，加大了電器設(shè)備的造價，增大工程費用。在這里，有必要指出在采用負(fù)荷開關(guān)加高遮斷容量后備式熔斷器 組合時，兩者之間要很好地配合，當(dāng)熔斷器非三相熔斷時，熔斷器的 撞針要使負(fù)荷開關(guān)立即聯(lián)跳，防止缺相運行。6、2終端用戶高壓室接線形式標(biāo)準(zhǔn)GB 142851993繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程規(guī)定，選擇配電變壓器的保護開關(guān)設(shè)備時，當(dāng)容量等于或大于800kVA 應(yīng)選用帶繼電保護裝置的斷路器。 對于這個規(guī)定，可以理解為基于以F兩方面的需要:a）配電變壓器容量達(dá)到800kVA及以上時，過去多數(shù)使用油浸變 壓器，并配備有瓦斯繼電器，使用斷路器可與瓦斯繼電器相配合，從 而對變壓器進行有效地保護。b）對于裝置容量大于800kVA的用戶，因種種原因引起單相接地 故障導(dǎo)致零序保護動作，從而使斷路器跳閘，分隔故障，不至于引起 主變電站的饋線斷路器動作，影響其他用戶的正常供電。此外，標(biāo)準(zhǔn)還明確規(guī)定，即使單臺變壓器未達(dá)到此容量，但如果 用戶的配電變壓器的總?cè)萘窟_(dá)到 800kVA時，亦要符