改善配电网分支线保护的方法研究

杨瑞亮 王玉军

（1.国网宁夏电力公司吴忠供电公司，宁夏 吴忠 751100； 2.施恩禧电气（中国）有限公司，江苏 苏州 215129）

电能质量的主要问题是电压暂降和短时间停电。供电可靠性的问题主要是长时间停电的次数和持续时间。这些问题都是由电力系统的故障引起的，其中大约80%故障属于配电系统线路故障，而配电架空线路故障中90%以上的故障发生在分支线路上，如果没有有效的分支线保护方案，分支线故障将引起整条线路停电，包括其他支线上的用户。

为了降低故障发生带来停电及影响，需要有合理的、有效的故障处理方案解决。

提高用户满意度，降低故障对用户影响的策略：对线路实施更好的防护，防止树木和动物对线路造成危害；更新线路上的老旧设备，严格检查设备和施工质量，降低设备故障率；进行有效的巡线；及时发现潜在隐患，及时修复；将线路合理分段，设置必要的联络点；在线路上使用更多的保护装置，如熔断器、重合器；使用更多、更快的重合闸操作；改善保护设备间的相互配合。

1 线路分段、联络及支线开关优化定位

优化线路分段开关、联络开关及支线开关可以优化设备投资，降低运行、维护费用，降低停电损失。

1.1 线路分段长度

“长度系数”定义为某一线路段末端可能的最大故障电流与该线路段首段开关设备最小脱扣电流之比。通常“长度系数”取2.5～3 之间，可以保证设备之间保护的选择性，以及保护的灵敏度，同时可以优化的开关设备的选择和定位。

1.2 安装分支线保护设备的收益分析

分支线是否需要安装保护设备可以按照未安装保护设备时分支线上的故障引起的停电损失，与安装保护设备之后时分支线上的故障引起的停电损失的差异来判断，如果停电损失得到降低，就应该在该分支线安装保护设备，可以用这种方法对分线线路装与不装保护设备进行优先排序。

图1 配电线路分段示意图

2 改善保护的措施

优化保护装置的配置，可以提高配电系统可靠性、降低成本。

2.1 采用熔断器

分支线路通常伸入小巷、山村，巡线人员查找故障点非常困难，在分支线上安装熔断器，可以非常低成本地将故障限制在更小的范围内，避免大量用户长时间断电；分支线的导线截面通常比较小，发生故障时就很可能使该导线烧毁，熔断器可以比上游断路器更快地切除故障。

1）熔断器作为后备保护

主线保护采用变电站断路器/重合器，支线采用熔断器保护，首次开断时特意不配合，变电站出线开关先于熔断器动作，断路器/重合器必须有快速分合闸设置。

熔断器作为后备保护优点是支线上的临时故障通过断路器开断排除，支线客户看到的是临时的停电，而非永久停电，在大故障电流地区，断路器和熔断器同时开断，通过重合闸恢复非故障线路供电。

熔断器作为后备保护缺点是所有主线路的客户都会经历短时电力中断。

图2 熔断器作为后备保护配合示意图

2）熔断器作为速断保护

主线保护采用变电站断路器/重合器，支线采用熔断器保护，支线熔断器与主站断路器需要完整保护配合，断路器/重合器无须有快速分合闸设置。

图3 熔断器作为速断保护配合示意图

熔断器作为速断保护的优点是避免了瞬时电力中断对整条线路的影响；缺点是熔丝链熔断清除了支线上的临时故障，导致支线永久停电。

3）熔断器作为速断保护的优化

使用更快速的熔断器可以更快地切除故障，其他用户经历的电压暂降持续时间就更短。

图4 多速率熔丝

使用更多的熔断器，在分支线、次分支线及用户入口处加入第二层和第三层熔断器，将线路分成更多地段。

图5 分支线设置多层级保护设备

2.2 采用重合器

为了避免分支线上的瞬时故障导致长时间断电，减小对支线用户的影响，可在长支线或者有重要用电单位的分支线上使用单相重合器。

重合器集合了熔断器作为后备和速断保护两种方案的优势，临时故障时，保护支线不停电，保护主干线不因支线故障而停电。重合器可以非常经济可靠地实现上述两个目标。

图6 采用重合器作为分支线保护

2.3 变电所出线开关重合闸的利弊

选择重合闸次数是一种折中行为，每次重合闸都存在使线路恢复的可能性，但是随着重合闸次数的增加，线路恢复的可能性迅速减小，还对故障点造成额外的损伤，引起持续的电压暂降，对线路及设备造成热应力和机械应力损害。

在可靠性和重合闸造成的问题之间寻找平衡。在断路器或重合器第一次动作时采用瞬时电流速断。由于重合闸会产生热涌流，所以在后续重合闸中采用快速反时限过流保护，或者是限时电流速断保护，不但可以避免涌流引起跳闸，还可以与下游的熔断器更好地配合。

3 改善保护设备间的相互配合

继电保护配合可以迅速切除故障，迅速恢复健全线路段的供电。配电网的继电保护配合比较困难。实际运行中，各种保护装置的选择及参数整定不够合理。故障后越级跳闸、多级同时跳闸现象非常多。

城市配电网供电半径短，线路分段数量多，发生故障时在线路各处的短路电流大小差异比较小，一般只能用纯时间配合的保护方案，能够实现主干线、分支线、用户等各级保护的配合。

农村或城郊配电网供电半径比较长，发生故障时在线路各处的短路电流大小差异比较明显，具有采用完全配合保护方案的可行性。

3.1 时间级差配合的继电保护方案

1）不装设瞬时电流速断保护的可行性分析

GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》在4.4.1.4 节规定：过电流保护的时限不大于0.5～0.7s，且没有4.4.1.3 所列的情况，或没有配合上要求时，可不装设瞬动的电流速断保护。

GB/T 50062《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》在其5.0.2 节规定：当过电流保护的时限不大于0.5～0.7s，且无上述所列两种情况，或无配合上要求时，可不装设瞬动的电流速断保护。

根据GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》和GB/T 50062《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定可以明确：在线路短路不会造成母线电压低于额定电压的60%、线路导线截面较大允许带时限切除短路，且过电流保护的时限不大于0.5～0.7s 的情况下，可以不装设瞬时电流速断保护，而采用限时电流速断保护或过电流保护，为配电线路上多级保护装置提供配合的条件。

110kV 变电站主变10kV 侧的过流保护动作时间一般设置为0.5～0.7s，在此0.5～0.7s 范围内，可以安排适当的多级差保护的配合。

2）时间配合的级差设置

如出线断路器用弹簧机构，级差可以设置为0.2s，可以实现两级配合。

如出线断路器用永磁机构，级差可以设置为0.15s，可以实现三级配合。

（1）断路器/重合器与下游侧熔断器的配合

在小于支线保护熔断器处最大故障电流范围内，熔断器在上游断路器保护整定动作电流值时的全开断时间tc应不大于断路器在该动作电流的延时时限top的75%。

图7 熔断器与上游断路器的配合

（2）熔断器之间的配合

只要下游侧熔断器在其安装点最大故障电流时的全开断时间tc不大于其上游侧熔断器在该故障电流时的弧前时间tm的75%即可。

图8 上下游熔断器间的配合

3）时间级差保护配置原则

（1）两级级差保护配合

主干线分段开关全部采用负荷开关，分支线采用熔断器或重合器。

变电站出线断路器根据需要决定是否装设重合闸，其速断保护设置一个延时时限，与支线重合器或者熔断器配合。

图9 分支线采用熔断器或者重合器线路

（2）三级级差保护配合方案一

主干线分段开关全部或部分采用负荷开关，分支线采用单相重合器和熔断器。

变电站出线断路器根据需要决定是否装设重合闸，其保护设置两个延时时限。

支线单相重合器重合后速断保护设置一个延时时限，与下游支线熔断器配合。

图10 分支线采用单相重合器和熔断器熔线路

（3）三级级差保护配合方案二

主干线分段开关安装一台断路器，分支线采用单相重合器和熔断器。

变电站出线断路器根据需要决定是否装设重合闸，其保护设置两个延时时限。

分段断路器速断保护设置一个延时时限，与下游支线重合器和熔断器配合。

图11 主干线分段开关安装一台断路器线路

3.2 装设瞬时电流速断保护的可行性分析

对于线路短路使母线电压下降到低于额定电压的60%、导线截面过小而不允许带时限切除短路，需要快速切除故障；以及主变老旧，抗短路能力差，为了确保主变安全而需要快速切除故障的情况下，必须设置瞬时电流速断保护。

DL/T 584—2007《3kV—110kV 电网继电保护装置运行整定规程》规定：瞬时电流速断保护的电流整定值应躲过线路末端最大三相短路电流整定。并按照线路首端最小两相短路电流来校验保护的灵敏度。

配电线路的短路电流随着线路长度的增加而较小；最大短路电流：系统在最大运行方式下的三相短路电流；最小短路电流：系统在最小运行方式下的两相短路电流；瞬时电流速断保护的电流整定值应躲过线路末端最大三相短路电流整定，可靠系数一般取1.2～1.3，即

瞬时电流速断保护存在保护死区，不能保护线路全长，见下图死区部分；在架空配电网上发生的短路故障中，绝大部份为两相短路故障。两相短路 电流为三相短路电流的0.866 倍，两相短路而不引起瞬时电流速断保护动作的区域见下图（死区）部分。Lmin为两相短路瞬时速断保护动作区域。

架空配电线路P 点之后两相短路后变电站Ⅰ段瞬时速断电流保护不动作，其Ⅱ段或Ⅲ保护会延时启动，这个延时就给P 点之后线路创造了多时间级差保护配合的条件。时间级差配合的方法同前所述。

架空配电线路P 点之前发生两相或三相短路故障，将引起变电站出线断路器跳闸，不具备多时间级差配合条件。如下图中分支线重合器下游发生故障，出线断路器会出现越级跳闸，但是在重合闸配合下，还是可以将故障隔离在支线上。

图12

4 结论

对于我国中压配电网而言，通过对线路结构的合理设计和分段、联络开关的恰当配置，并在主干线及分支线路安装更多的保护装置，配置合适的继电保护方案，与日常的线路运行维护相结合，可以明显提高配电网的供电可靠性和电能质量，这些方法也非常简便实用。

[1] 王章启,顾霓虹.配电自动化开关设备[M].北京: 水利电力出版社,1995.

[2] （美）T.A.Short 著.徐政译.配电可靠性与电能质量[M].北京: 机械工业出版社,2008.

[3] 刘健,等.配电网继电保护与故障处理[M].北京:中国电力出版社,2014.