合肥某区20 kV配网保护优化案例分析

张 鲁， 马列兵， 陈福全， 黄云龙

(国网合肥供电公司， 安徽 合肥 230022)

0 引言

合肥某区采用20 kV配网供电，20 kV公用开闭所(一级开闭所)相当于电源点变电站20 kV母线的延伸，变电站与公用开闭所、公用开闭所与总开闭所(二级开闭所)、总开闭所与分开闭所等各级开闭所间经全电缆连接，为周边用户负荷提供电源。该区部分供电区域多次发生因电源点变电站出口开关与下级开闭所出线开关同时跳闸导致的用户停电范围扩大问题，直接影响供电可靠性。本文通过对问题案例的供电网架结构、短路电流计算分析，对变电站出线开关及开闭所保护定值进行了针对性优化配置。

1 问题分析

问题案例的基本供电网架结构示意如图1所示。正常运行方式如下，电源点220 kV锦绣变电站20 kV 12开关出线和110 kV广西路变电站20 kV 04开关出线分别经20 kV A开闭所(一级开闭所)01、02进线开关对其供电，01、02进线开关分别带所内Ⅰ、Ⅱ段母线，母联00开关热备用状态；20 kV A开闭所07、14开关出线分别为20 kV B#1总开闭所、20 kV B#2总开闭所(二级开闭所)供电；以此类推，各总开闭所分别为其对应分开闭所供电。简而言之，此供电区域内两处电源点变电站分别串带一级开闭所后一半用户负荷。

图1 案例供电网架结构示意图

据现场反馈，总开闭所(二级开闭所)及各分开闭所用户出线故障时，除故障出线开关跳闸动作外，电源点变电站出线开关也同时跳闸，导致失去全部负荷，扩大了用户停电范围。以电源点220 kV锦绣变电站20 kV 12开关为例开展分析，现场相关继电保护定值(一次值)如下：

(1)220 kV锦绣变电站20 kV 12开关过流Ⅰ段定值为3 000 A，过流Ⅰ段时间为0 s；

(2)20 kV A开闭所20 kV 07、14开关过流Ⅰ段定值为1 200 A，过流Ⅰ段时间为0.3 s；

(3)20 kV B#1、#2总开闭所对应的20 kV分开闭所出线开关过流Ⅰ段定值为800 A，过流Ⅰ段时间为0 s；

当电源点220 kV锦绣变电站20 kV 12开关后出线故障电流达到过流Ⅰ段定值时，下面计算保护范围的大小。取基准容量为1 000 MVA，基准电压为21 kV，已知相关参数值如下：

(1)220 kV锦绣变电站20 kV母线大方式阻抗标幺值：2.237；

(2)220 kV锦绣变电站20 kV母线小方式阻抗标幺值：2.309；

(3)纯电缆线路单位阻抗标幺值：0.209；

令变电站出口开关至故障点距离为L(单位：km)，

(1)当大方式下三相短路故障时，计算短路电流可列式：

(2)当小方式下两相短路故障时，计算短路电流可列式：

综上可知，当220 kV锦绣变电站20 kV 12开关过流Ⅰ段定值为3 000 A时，其线路保护范围在变电站出口开关后出线27至33 km内。

而依据配网条图系统，对以220 kV锦绣变电站20 kV 12开关为电源点的供电区域范围测距，可知最末端的分开闭所用户出线距电源点变电站出口线路最大长度为10 km左右。从定值大小角度看，即该供电区域范围内发生故障，变电站出口开关过流Ⅰ段保护都会瞬时动作跳闸，保护完全失去选择性；从重合闸投退角度看，全电缆线路重合闸功能退出，变电站出口开关保护动作跳闸后没有重合闸补救，降低了供电可靠性。另外，设定故障发生最末端的分开闭所用户出线，在所有保护装置运行良好，正确动作的情况下，分开闭所、总开闭所(二级开闭所)、变电站出口开关过流Ⅰ段时间均为0 s，而20 kV A开闭所(一级开闭所)过流Ⅰ段时间为0.3 s。所以，从动作时限角度看，20 kV A开闭所保护动作前，变电站出口开关保护已动作跳闸，造成越级跳闸。

2 定值优化

对电源点220 kV锦绣变电站20 kV 12开关过流Ⅰ段定值开展优化，现场提供变电站出口至20 kV A开闭所(一级开闭所)的实际线路长度为3.578 km，前文可知最末端的分开闭所用户出线距变电站出口线路最大长度为10 km左右。优化思路是：在保护主网220 kV主变压器安全运行，防止由于低压故障对220 kV主变造成冲击的情况下，希望在20 kV A开闭所(一级开闭所)下级串联开闭所及用户发生故障时，20 kV A开闭所(一级开闭所)对应出线开关保护动作跳闸，而不希望电源点变电站出口开关同跳闸。

当变电站出口开关至故障点距离为3.578 km时，

(1)当大方式下三相短路故障时，计算短路电流可列式：

(2)当小方式下两相短路故障时，计算短路电流可列式：

对于本案例，为尽可能满足优化思路，既要考虑选择性又要考虑灵敏性，而更多考虑220 kV主变运行安全，希望快速切除故障，保证灵敏性，过流Ⅰ段优化定值取7 700 A。

而当大方式下三相短路故障电流为7 700 A时，令变电站出口开关至故障点距离为L(单位：km)，短路电流可列式：

综上可知，在现场故障均为最大方式三相短路的极端情况下，

(1)定值优化前同跳范围为：10-3

.

578=6

.

422 km(2)定值优化后同跳范围为：6

.

385-3

.

578=2

.

807 km

如图2所示，在20 kV A开闭所(一级开闭所)后2.807 km长度范围内的下级串联开闭所及用户发生故障时，虽仍会发生电源点变电站出口开关同跳闸的情况，但对比原定值，电源点变电站出口开关同跳闸范围至少缩小了56

.

29

%

。而根据现场配网故障类别统计，大部分短路故障为两相短路，实际同跳闸范围缩小率将远大于59

.

29

%

。最终优化定值配置如下：

图2 开关同跳范围示意图

(1)220 kV锦绣变电站20 kV 12开关过流Ⅰ段定值为7 700 A，过流Ⅰ段时间为0 s；

(2)20 kV A开闭所20 kV 07、14开关过流Ⅰ段定值为1 600 A，过流Ⅰ段时间为0 s。

3 应用效果

在电力调控中心下达优化定值单的同时，配电运检专业人员结合20 kV A开闭所(一级开闭所)停电检修工作，对开关机构分合特性进行试验，确保开关动作整体出口时间在100 ms以内。现场调整执行优化定值单后至今，再未发生20 kV A开闭所(一级开闭所)下级串联开闭所及用户发生故障导致的电源点220 kV锦绣变电站20 kV 12开关跳闸。此外，配网运维专业人员反馈查找故障效率大幅提高，缩短了故障处置时间。

4 结束语

(1)该案例中优化后的定值，可以在保证主网安全运行的前提下，最大程度避免电源点变电站与下级串联供电开闭所及用户发生故障导致的开关同跳闸问题，有效缩小停电用户范围，提高供电可靠性。

(2)案例的整体优化思路前提依然是优先保障主网安全，在一定程度上释放主网选择性裕度。下一步，在全市范围内的配网保护优化持续实践过程中，进一步将裕度还给配网，探索实施电源点变电站与下级串联供电开闭所动作时限的级差配合。