20 kV环网继电保护整定与运行分析

蔡燕春，张少凡，杨咏梅，华煌圣

(广州供电局有限公司，广东 广州 510620)



20 kV环网继电保护整定与运行分析

蔡燕春，张少凡，杨咏梅，华煌圣

(广州供电局有限公司，广东 广州 510620)

摘要：中新广州知识城20 kV配电网采用合环运行的方式，而目前行业标准和企业标准均未对合环运行的配电网继电保护整定与运行作明确规定。为此，在分析环网运行对继电保护影响的基础上，提出在环网内设置1条解环线路的思路，给出20 kV环网继电保护整定原则，并结合运行过程中常见设备的检修情况，提供了继电保护检修策略。该整定与运行原则解决了20 kV环网继电保护时间级差不够和相继动作等问题，满足后备保护选择性要求。

关键词：20 kV环网；继电保护；整定；检修策略

中新广州知识城(以下简称“知识城”)是在国家大力倡导建立资源节约型、环境友好型国家的背景下，由中国与新加坡合作开发的示范区，为满足知识城社会经济发展的需要，中国南方电网有限责任公司要求将知识城电网打造成 “智能、高效、可靠、绿色”的现代化电网示范区。按照广州供电局有限公司发布的《中新知识城电网规划设计原则》，知识城高压电网为220 kV直降20 kV电压序列模式，其中220 kV电网采用自愈式环网接线方式，20 kV配电网参考新加坡技术采用花瓣型接线方式[1]。

知识城20 kV配电网合环运行方式使配电网络成为多电源供电结构，改变了传统配电网络辐射式供电结构。传统配电网中简单的阶段式电流保护无法满足运行要求[2]，需要在分析环网运行对继电保护影响的基础上，提出满足选择性要求的继电保护整定与运行原则。

1知识城20 kV花瓣型电网

知识城中压配电网花瓣型接线方式如图1所示。

图1　知识城配电网结构

为降低短路电流，每个“花瓣”的2回电源线路来自同一变电站同一段 20 kV母线，2个“花瓣”之间通过联络线联络。正常运行方式下，花瓣型电网合环运行，联络线处于充电运行状态。

“花瓣”内部如图2所示[3]。

图2　花瓣型接线方式

按线路在“花瓣”内的作用，可将线路分为3类，即站端出线(L1、L7、L8、L14)、联络线路(L15)和其他线路。“花瓣”在正常运行方式下具有两路供电电源，“花瓣”内任何设备均不影响其他设备供电。若变电站侧20 kV母线故障或检修，则本“花瓣”负荷通过联络线L15转相邻“花瓣”供电；若变电站侧变压器故障或检修，则本“花瓣”负荷通过20 kV母联断路器转相邻变压器供电。

为保证发生接地故障时快速隔离故障，知识城20 kV花瓣型电网选择中性点经小电阻接地的方式，兼顾了继电保护灵敏性和人身安全等因素，接地小电阻取5 Ω，最大接地短路电流为1.6 kA。为提高知识城的供电可靠性，故障发生时能在最小范围内切除故障，20 kV环网内各间隔采用断路器。为快速切除故障，20 kV环网中变电站与配电房之间或两配电房之间的联络线路配置光纤电流差动保护，并作为反应相间故障和接地故障的主保护，该保护安装于配电房和变电站内，配置独立的光纤信道。各配电房内进、出线间隔配置反应相间故障和接地故障的后备保护；同时，为减少保护装置的数量，节省运维成本，各配电房配置一体化配电终端，实现本配电房内各线路、配电变压器间隔的相过流保护(2段)、零序过流保护(1段)及重合闸功能。

20 kV环网保护配置如图3所示。

图3　继电保护配置

以上继电保护配置原则可满足20 kV环网故障隔离的要求，其中后备保护能解决以下问题：当故障点经过渡电阻接地，零序电流较小[4-5]时，线路光纤电流差动保护灵敏度不足；线路光纤电流差动保护退出或拒动；配电房断路器拒动；配电房母线故障。

2环网运行对继电保护的影响

2.1故障时存在2条短路电流路径

当环网中任意一处发生故障时，系统通过2条电气路径向故障点提供短路电流(如图4所示)，短路电流路径上的保护均会检测到故障。

图4　环网故障短路电流

2.2时间级差严重不足

传统配电网中时间级差不够[6]的问题仍然存在，且进一步恶化。若将20 kV环网中的保护作为一个整体，则其上级保护是变电站220 kV主变压器低压侧后备保护和曲折变压器保护，其下级保护是配电房内出线间隔的后备保护，20 kV环网中的保护定值和时限应与之配合。

设环网中有n个配电房，配电房进线间隔均为断路器，并配置带方向的后备保护。由图4可知，20 kV环网中待整定的后备保护逐级配合应满足如下关系：

(1)

(2)

式中：tb为220kV主变压器低压侧后备保护动作时限；tqzb为曲折变压器零序过流保护动作时限；t2,min、t0,min分别为配电房出线间隔相过流Ⅱ段保护、零序过流保护的动作时限；Δt为保护间配合时间级差，可取0.3s或0.25s。

根据《中新知识城电网规划设计原则》，20kV环网内配电房数量最多可达7个，因此取n=7。知识城220kV主变压器低压侧后备保护与上级220kV主变压器高压侧后备保护配合，保护时限取最大值，tb=2.1s，曲折变压器保护受小电阻阻值选择原则中接触电压的限制，要求最长的接地故障隔离时间为1.8s，再考虑断路器动作时间，取tqzb=1.7s，t2,min=0.3s，t0,min=0.1s，显然不满足式(1)和式(2)。

传统配电网中，一般需要整定的保护有站端出线和用户分界断路器保护2级。与之相比，环网中待整定的保护级数更多，且无法实现保护逐级配合。

2.3保护相继动作导致保护动作行为复杂

因系统至故障点的电气距离不同，2条路径中流过的短路电流Id1、Id2有差异。若Id1达到了线路L3配电房B侧过流保护的电流定值，而I′d2小于线路L3配电房G侧过流保护电流定值，则线路L3配电房B侧过流保护会按规定时限动作，但故障并未隔离，系统按剩下的电气路径向故障点提供短路电流Id2。若I′d2达到了线路L3配电房G侧过流保护电流定值，则该保护能按规定时限动作，最终切除故障。

以上保护动作过程表明，相继动作会延长故障的最长切除时间[7]。若不考虑保护相继动作，按保护同时动作来处理站端出线保护与220kV主变压器低压侧后备保护、曲折变压器保护等上级保护的配合，则环网中线路保护相继动作会导致上级保护越级动作跳220kV主变压器低压侧，引起本“花瓣”及该220kV主变压器低压侧所供其他“花瓣”全部失压，扩大事故范围。

2.4检修方式下继电保护选择性差

当20kV环网的一、二次设备因检修或异常退出运行时，若继电保护检修策略不合理，则无法达到在最小范围内隔离故障的目的。

以图4中线路L2光纤电流差动保护退出为例。当线路L2发生永久性故障时，若不采取措施，线路L2配电房A侧保护及线路L3配电房G侧保护动作隔离故障，导致配电房B失压。与线路L2光纤电流差动保护投运时仅切除线路L2两侧断路器并可保证配电房B持续供电相比，显然扩大了事故范围。

3继电保护整定与运行分析

3.1整定原则

上述分析表明，环网运行继电保护整定应解决配合时间级差严重不足的问题，才能保证故障时最小范围内切除故障。为此，本文根据继电保护整定的相关标准要求，结合知识城20kV环网运行方式和继电保护配置，按照故障时不允许保护越级跳220kV主变压器低压侧的要求，提出整定原则。

在20kV环网中预设1条解环线路，如图5中线路L3。如果线路主保护未动作，则环网内解环线路两侧后备保护最先动作，使环网解列为2条辐射型线路。若图5中f1故障，解环线路L3两侧断路器跳闸后，故障点与系统完全隔离，全部保护返回，不涉及其他线路后备保护之间的配合；若图中f2故障，则解环线路L3两侧断路器跳闸后，线路L4、L5、L6构成的辐射型线路2与故障点已隔离，线路上所有保护返回，仅需要考虑线路L1、L2构成的辐射型线路1各级保护之间的配合；同理，f3故障时仅需要考虑辐射型线路2各级保护之间的配合问题。

图5　环网中待整定后备保护

设置解环线路后，将图5的保护整定配合转化为2条辐射型线路保护的整定配合(如图6所示)，这样不仅待整定保护数量减少为原来的1/2，且保护配合更加清晰。辐射型线路负荷侧保护可退出，电源侧保护不需要带方向。

图6　解环后待整定后备保护

辐射型线路1和辐射型线路2的保护整定基本相同，选择辐射型线路1进行整定。优先保证20 kV环网内站端出线保护、解环线保护和环网间联络线保护、配电房出线保护的整定，环网内其他线路保护视是否有时间级差进行整定，若无时间级差则退出。

3.2动作时限整定

3.2.1环网间联络线保护

配电房内出线保护动作时限是环网保护配合的下限。考虑本环网负荷由相邻环网通过联络线转供时，本环网故障应尽量不影响相邻环网供电，将解环线路保护作为环网间的联络线路保护的上一级保护。即环网间联络线保护动作时限整定为：

式中：t1,con、t2,con、t0,con分别为环网间联络线相过流Ⅰ段保护、相过流Ⅱ段保护和零序过流保护的动作时限，t1,min为配电房出线间隔相过流Ⅰ段保护的动作时限。

3.2.2环网内解环线路保护

在环网内线路保护中，解环线路保护的动作时限最短，整定为：

式中t1,sol、t2,sol、t0,sol分别为解环线路相过流Ⅰ段保护、相过流Ⅱ段保护和零序过流保护的动作时限。

3.2.3环网内站端出线保护

220 kV主变压器低压侧过流保护电流定值与环网内线路过流Ⅰ段保护电流定值、Ⅱ段保护电流定值之和配合时，相继动作造成最长故障隔离时间的条件为：环网内近后备保护过流Ⅰ段保护动作后，远后备保护过流Ⅰ段保护才动作。因此，要满足保护不越级跳220 kV主变压器低压侧的要求，站端出线相过流Ⅰ段保护动作时限t1,d应满足以下关系：

同理，考虑零序过流保护相继动作，站端出线零序过流保护动作时限t0,d应满足以下关系：

220 kV主变压器低压侧后备保护电流定值已经躲过环网内线路过流Ⅱ段保护电流定值，因此，站端出线相过流Ⅱ段保护动作时限

3.2.4其他线路保护

环网内其他线路保护按逐级配合要求整定动作时限，其中相过流Ⅰ段保护、相过流Ⅱ段保护、零序过流保护可整定的级数n1、n2、n0分别为：

3.3电流整定

考虑到配电房数量大且不断发展，若各一体化配电终端电流定值有较大差异，则难以开展运行维护工作，因此电流定值应尽量一致，以提高定值的适应性。经分析计算，以下定值能满足灵敏度要求：相过流Ⅰ段保护电流定值为4 kA，相过流Ⅱ段保护电流定值为1.040 kA，零序过流保护电流定值为60 A。

3.4保护动作行为分析

3.4.1故障点两侧保护同时动作

如图6中f1处故障，故障点位于环网中线路光纤电流差动保护范围之外，故障点两侧电流均达到相过流Ⅰ段保护电流定值。根据环网中线路整定动作时限，在t=t1,min+2Δt时刻，解环线路L3两侧断路器跳闸，系统沿着辐射型线路1向故障点提供短路电流；在t=t1,min+3Δt时刻，线路L2配电房A侧过流Ⅰ段保护动作跳开该侧断路器，至此故障被完全隔离，未扩大事故范围。

3.4.2保护相继动作

如图6中f2处故障，则Id1>4 kA，0 A4kA，则在t=t1,min+3Δt+t1,min+2Δt时刻，线路L3两侧保护动作并跳开两侧断路器，至此，故障被完全隔离，未扩大事故范围。

3.4.3检修方式下保护动作

常见设备检修方式包括光纤电流差动保护退出、配电终端退出、“花瓣”解环运行、相邻“花瓣”通过联络线转本“花瓣”、相邻220kV主变压器通过20kV母联断路器供本“花瓣”等。检修方式下应制定合理的检修策略，以满足保护选择性要求。

以图6中线路L2的光纤电流差动保护退出为例进行说明。保护选择性要求是：本线路故障时，由线路两侧后备保护切除故障；其他线路故障时，由对应线路差动保护切除故障，而线路L2两侧的后备保护不越级动作；配电房出线故障时，由配电房出线保护切除故障，而线路L2两侧的后备保护不越级动作。第1个要求表明，线路L2配电房B侧后备保护动作时限必须作为解环线路L3保护的下级进行整定；第2、3个要求表明，线路L2配电房B侧后备保护动作时限不能整定为0s，而应作为配电房出线保护的上级整定。

根据整定原则，环间联络线后备保护能完整地对相间故障和接地故障作出反应，且动作时限与解环线路L3后备保护动作时限、配电房出线保护动作时限配合。因此，线路L2的光纤电流差动保护退出时，可将线路L2配电房B侧后备保护定值调整为环间联络线后备保护定值，保证满足选择性要求。

需要说明的是，以上分析认为线路L2配电房A侧后备保护能完整地对相间故障和接地故障作出反应，因此未对定值作调整，否则也应调整为环间联络线后备保护定值。

在其他检修方式下，可参照线路光纤电流差动保护退出时的保护策略，投入相应的后备保护，并调整其定值为环间联络线后备保护定值。

4应用示例

以知识城20kV花瓣型环网(如图7所示)为对象，给出整定运行示例，环网中配电房数量选择最大规模7个，线路L4为预先设置的解环线路。220kV主变压器低压侧后备保护时限tb=2.1s，曲折变压器保护时限tqzb=1.7s。配电房内出线间隔的后备保护相过流Ⅱ段保护动作时限t2,min=0.3s，零序过流保护动作时限t0,min=0.1s。相过流保护配合时间级差取0.3s，零序过流保护配合时间级差取0.25s。知识城20kV花瓣型环网中各保护定值配合见表1。站端出线保护与解环线路保护间可整定级数计算结果：相过流Ⅰ段保护0级，相过流Ⅱ段保护2级，零序过流保护0级。若相过流Ⅰ段保护和零序保护无时间级差，则相应保护退出。

图7　知识城20 kV花瓣型环网

表1知识城20 kV花瓣型环网动作时限配合

断路器相过流Ⅰ段保护动作时限/s相过流Ⅱ段保护动作时限/s零序过流保护动作时限/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

检修方式下继电保护策略以配电终端退出为例说明。配电终端退出会导致配电房内各间隔无保护运行，因此应调整相邻配电房配电终端的保护定值，确保在发生相间故障和接地故障时均能在最小范围内隔离故障。若图7中配电房A终端退出，则要求投入与相邻配电房B联络的线路后备保护，相过流Ⅰ段保护、相过流Ⅱ段保护、零序过流保护的时限分别按0.30 s、0.60 s、0.35 s整定。

5结束语

配电网合环运行有利于提高供电可靠性，中国部分地区试点重要负荷采取合环供电方式，知识城20 kV电网正是其中之一。目前行业标准和企业标准均未对合环运行的配电网继电保护整定运行作规定，本文在分析环网运行对继电保护影响的基础上，给出适用于环网隔离故障需求的保护配置，明确提出环网线路发生故障时不允许保护越级跳220 kV主变压器低压侧。20 kV环网继电保护整定采取在环网内设置1条解环线路的方法，考虑环网线路中保护相继动作和时间级差不够的特点，合理分配时间级差，满足后备保护选择性的要求。该整定原则为解决合环运行的配电网后备保护配合问题提供了一种新思路。

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蔡燕春(1984)，男，湖北浠水人。工程师，工学硕士，从事继电保护整定运行工作。

张少凡(1979)，男，安徽含山人。工程师，工学学士，从事继电保护整定运行工作。

杨咏梅(1970)，女，四川资阳人。工程师，工学学士，从事继电保护整定运行工作。

(编辑李丽娟)

声明

2015年第12期《基于动态潮流模型的最小发电费用增量计算》一文，作者黄为民，文中作者单位英文翻译有误，应将“School of Energy and Electric Engineering”改为“The College of Energy and Electrical Engineering”，特此声明。

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

作者简介：

中图分类号：TM773

文献标志码：B

文章编号：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