配电网合环调电对继电保护的影响分析

张树培，王科，张曦源，李明泽，秦超

（1. 云南电网有限责任公司保山供电局，保山 678000；2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；3. 云南电网有限责任公司楚雄供电局，楚雄 675000；4. 云南电网有限责任公司丽江供电局，丽江 674100；5. 云南电网有限责任公司曲靖陆良供电局，陆良 655600）

0 前言

随着城网改造的逐渐深入，配电网的发展对供电可靠性的要求越来越高。配电网一般采用“闭环设计，开环运行”的供电方式，在双向供电和多电源供电增多的情况下，为提高供电的可靠性，减少停电对用户的影响，研究安全可靠的合环调电技术对配电网的发展有重要意义，但合环调电产生的合环电流一定程度上提高了继电保护不正确动作的概率，如果合环操作与保护定值配合不当轻则导致合环失败，重则影响电网安全，所以需要通过分析，降低合环调电操作对继电保护的影响。

1 合环调电对继电保护影响

合环调电是通过对配电网联络开关进行合环、解环操作，实现设备操作、导负荷等调电过程不停电。实际合环调电过程是具有安全风险的，因为合环前两侧存在电压差[1]，当联络开关合上时两端的电压差会发生突变，引起环路各个节点的电压大小和相位变化，要经历一个功率振荡过程才能达到新的稳态。在这过程中，合环时产生的冲击电流和合环后的稳态电流都会对继电保护产生影响。

1）合环冲击电流对保护的影响：合环瞬间冲击电流的大小受两侧电压的幅值差、环网总阻和电压的相角差影响，若冲击电流过大则会引起继电保护的动作或继电保护拒动后的越级跳闸，导致合环失败甚至危及电网的运行安全。

2）合环稳态电流对保护的影响：合环后，配电线路改变了原有的网络拓扑结构，形成电气环网和复杂的电磁环网，导致循环潮流出现，潮流重新分布后产生的循环功率可能导致电流增大，严重时将造成保护装置动作。

除了合环冲击电流与稳态电流的影响外，合环后若遇馈线发生短路故障，对保护的灵敏度也有影响。所以要想继电保护和合环调电相互配合，一方面要让继电保护装置能在合环调电前后保持正常运行，另一方面也要让合环调电操作不会造成继电保护装置的动作，合环调电才能安全顺利的完成。

2 合环电流与保护定值的配合分析

针对配电网辐射状[2]的特点，配电网的保护配置中最常见的是采用三段式过流保护，包括电流速断保护（电流Ⅰ段）、限时电流速断保护（电流Ⅱ段）和定时限电流速断保护（电流Ⅲ段），文献[3]介绍了配网差动保护方法，但由于差动保护受配网硬件水平和通信的制约，暂不能在配电网中普遍运用。

电流速断保护的电流定值高、动作时间短，特点是动作迅速但不能保护本条线路的全长。限时电流速断保护的电流定值低于电流速断保护、动作时间延长，特点是可以保护本条线路全长且有足够的灵敏度和一定的选择性，可以作为速断保护的后备。定时限电流速断保护的电流定值按照能躲过最大负荷电流来整定，定值更低，动作时间也更长，特点是保护范围最长，可以起到远后备作用。

合环冲击电流的计算模型如图1所示，根据模型列出该电路的微分方程（公式1）[4]，可以求解冲击电流i(t)的表达式（公式2），其中im为合环稳态电流的幅值。文献[5,6]分析出当频率f=50 Hz、时间t=/2（0.01 s）时，冲击电流达到最大值，其最大瞬时值im和有效值iM分别如公式(3)(4)所示，其中KM称为冲击系数，其值为1到2之间，在实用计算中一般取1.8～1.9。

当KM=1.9时，iM=1.62(im/)

当KM=1.8时，iM=1.52(im/)

所以合环冲击电流最大有效值iM可视为合环稳态电流iP(iP=im/)乘一个固定的系数。

图1 合环冲击电流计算模型

要使合环电流不导致电流速断保护动作，需要判断合环冲击电流的大小是否超过电流速断保护的整定值iset1。考虑较为严重的冲击电流（KM=1.9），合环电流不造成电流速断保护误动的条件是：1.62iP＜iset1，iP＜iset1＜1.62。

要使合环电流不导致限时电流速断保护动作，一方面要判断电流定值iset2是否躲过冲击电流（1.62iP），如果躲不过还要判断时间定值是否躲过冲击电流的衰减时间，由于冲击电流的衰减周期不超过10个周波（0.2s）[7]所以合环电流不造成限时电流速断保护动作的条件是：iP＜iset2/1.62或0.2s≤tset2。另一方面，稳态电流iP不造成限时电流速断保护动作的条件是iP＜iset2，但是对定时限电流速断保护来说，同样要保证iP＜iset3，稳态电流才能不让定时限电流速断保护动作，因为正常情况下iset3＜iset2，所以保证iP＜iset3后限时电流速断保护和定时限电流速断保护均不会动作。

综上所述，参考文献[8]中对合环条件的梳理，合环前根据潮流和冲击电流的计算结果利用公式(5)(6)(7)的条件对继电保护整定值进行校核，满足条件后合环操作可以不让继电保护装置动作。由于原继电保护的整定值是以开环运行的方式进行整定，如果合环后馈线发生故障，离故障点较远的变电站出线开关处流过的故障电流将会比合环操作前小，将会使对应开关保护的灵敏度下降，在灵敏度要求下，为满足合环调电后的供电可靠性，可以利用合环调电系统动态调整保护定值，待定值调整后进行定值校核，如果定值校核后合环电流还是会造成保护装置动作，则还需要采取措施减小合环电流。

3 减小合环电流的措施分析

合环电流的计算主要采用电力系统中较为成熟的潮流计算，文献[10]中有给出了具体的算法，根据配电网潮流分布和合环电流的特征，减小合环电流可以从合环前和合环时采取措施。

在合环前减小合环电流的思路是通过改变合环前系统的网路状态减小潮流和可能的最大冲击电流。具体措施包括改变合环点、调整负荷水平、变压器变比、调节无功补偿、投入限流装置等。

1）改变合环点：根据系统当前联络开关状态，在合环前可以通过模拟仿真计算进行最优合环点选择，通过合环的策略制定，有针对性的避开对系统影响较大的合环点。

2）调整负荷水平：实际操作中，导致合环失败的原因有时不是合环支路本身的冲击电流，而是非合环支路冲击电流越限引起的保护误动作，所以通过人工或自动的方式对负荷水平进行调整，选择环网内负荷较轻时合环，很大程度上能够减轻合环操作对系统的影响。

3）调节变压器变比：投入运行的变压器阻抗大小主要与变压器的分接头所处的位置有关，若主变分接头变动一个档位，在配电网合环操作过程时可能会几十安培的合环电流改变，因此调节主变分接头的位置是一种有效的调节合环电流的手段。

4）调节无功补偿装置：在系统中投切电容器可以改变电力网络的无功负荷，无功变化会影响到电压的大小，采取调节无功补偿器措施来降低合环电流的调整原则是在合环线路相角滞后侧投入电容器或者在合环线路相角超前侧退出电容器。

5）投入限流装置：通过投入电抗器等限流装置再合环，可以对合环时产生的冲击电流起到一定的限制作用，同时由于投入限流装置会产生一定程度的压降，还能维持母线电压水平。

在合环时减小合环电流的思路是通过系统对合环点两侧信息量的监测，参考文献[11]中的研究，引用类似“同期合闸”判别条件的方式，控制合环点两侧在电压差最小的情况下进行合环。具体措施是利用信息采集装置在接收到远传控制装置下发的合环操作命令后，根据合环点两侧的电压频差Δf≤0.02 Hz和角差是否固定来判断当前开关两侧合环操作属于同一系统的同频合环还是两个系统网的差频合环，然后依据各自的同期合环条件进行逻辑判断。

同频合环判据如下：

a.合环开关两侧电压幅值差小于整定值：ΔU≤15%；

b.合环开关两侧电压角度差小于整定值：Δ≤15°；

c.合环开关两侧电压频率差小于整定值：Δf≤ 0.02 Hz；

d.合环开关两侧电压相序一致[10]；

e.合环开关在分闸位置。

差频合环判据如下：

a.合环开关两侧电压幅值差小于整定值：ΔU≤15%；

b.频率差小于整定值：Δf≤0.25 Hz；

c.频率差加速度小于整定值≤ 1 Hz/s；

d.合环开关两侧电压角度差减去导前角小于整定值：Δ-≤15°；

e.合环开关两侧电压相序一致[10]；

6）合环开关在分闸位置：在合环操作时依据同频合环或差频合环的判断条件进行逻辑判断，只有满足全部判断条件时才能进行合环，如果不满足条件则持续判断，直至超时退出合环操作。

4 降低继电保护合环流程

通过以上分析，要使配网系统在合环调电过程中降低对继电保护的影响，可按图2所示的流程进行合环操作：在指定合环/解环点后，计算潮流和合环电流，同时对转供线路进行短路计算，判断灵敏度是否满足要求，并按需要动态调整保护定值。依据潮流与冲击电流的计算结果对调整后的保护定值进行校核，若合环电流不会造成保护动作，则进入合环操作程序，按同频或差频合环判别步骤开展合环操作，若合环电流会造成保护动作，则运用合环前减小合环电流的措施对系统运行状态进行调整，之后重复计算校核过程。

5 结束语

在配电网调电合环过程中，产生的合环稳态电流和冲击电流可能导致继电保护动作，为了保证合环顺利，需要使继电保护装置的定值躲过合环电流，对于任何合环调电控制装置而言，一方面需要分析合环电流导致保护动作的判断条件进行逻辑判断，另一方面要根据合环电流的特点在合环操作过程中采取针对性的措施对合环电流进行限制。通过不断完善理论和改进分析软件提高配网合环调电的逻辑判断和操作水平，将有利于提高合环调电操作的安全性和可靠性，对配电网供电质量具有重要意义。

图2 降低对继电保护影响的合环操作流程图