继电保护与配电自动化协同故障隔离技术分析

中海油惠州石化有限公司 白杨阳

配电网运行中常发生各种故障，影响配电系统安全。为减少故障造成的损失，必须优化系统。系统优化后，一旦局部发生故障，即可启动隔离功能断开故障部位与系统的连接，从而将故障影响控制在一定范围内。应用该隔离技术，可保证用户侧故障或者系统分支故障时，主干线路可正常供电，降低断电风险。继电保护协同配电自动化，可实现优势互补，有效应对系统故障。

1 配电网故障发生机制

配电网故障主要分为两种，一种是断线故障，另一种是绝缘故障。导体断开诱发断线故障，导体对地、三相导体与三相导体绝缘失效引起绝缘故障。元件发生故障后，继电保护自动切除该元件，避免系统受损，维持系统供电稳定。自动化系统可迅速定位故障点，将其隔离，然后恢复正常区域供电。在两种故障中，绝缘受损发生率较高，断线故障通常合并对地绝缘受损。

1.1 故障原理分析

配电网常见故障类型与原理见表1。

表1 配电网故障分析

1.2 故障识别技术难点

配电网故障发生率较高，故障电流参数较低，其中60%～80%为单相接地故障，15%为两相故障，三相故障＜5%。国内接地系统通常为小电流接地，供电企业单相接地故障表现为几十安培以内不稳定小电流，故障定位是技术难点。大城市线路多为小电阻接地中性点，故障电流高达数千或数百安培，技术难点是出口断路器保护协同变电器熔断器保护。架空绝缘导线故障率较低，传统架空线路故障率较高。通过改造线路，可降低50%左右故障率。狂风、雷击是引起瞬时性故障的主要原因。故障电弧通常不稳定，1kΩ以上故障电阻发生率为2%～5%。电阻＞1kΩ的10kV配电网中高阻故障电流参数较低，常规保护方法反应速度迟缓，供电企业需要重点解决故障检测难题。电压峰值100m区域是故障高发区，故障中超过50%发生于该区域。电压过零附近故障电流发生率接近于0%[1]。

1.3 故障防控方法

为有效防范故障发生，必须科学配置继电保护装置，优化保护性能，出口区域断路器保护系统需要有效配合系统分支开关、系统分段和分界开关等部位保护装置。在故障发生后，系统应选择性切断隔离故障，确保出口保护不会越级保护，维持系统其他部分供电不会受其影响，合理控制断电范围。集中型配网自动控制可维护主干线路运行，一旦发生主干线路故障，可恢复下游正常供电。单联络架空线路可进行专网通信，无此条件时，分段开关、联络开关可进行就地配合恢复线路供电。整定计算不适用于固定保护电流定值计算。

2 相间短路故障保护

2.1 核心技术方案

基于主变压器安全和配合上级主变压器保护要求，缩短Ⅰ段保护区使Ⅰ段保护区＜1.5km，同时提高其保护电流定值，降低无选择性动作可操作幅度，通过分段、分支、分界等开关与变电站出口断路器配合，选择性切除非Ⅰ段保护区故障。优化现有保护系统，通过断路器与电流保护优化分段和分支开关，使用定值配合方法跳闸切除故障。针对越级跳闸故障，非故障区使用重合闸解除断电，尽可能保证非故障区稳定供电，降低线路重复开关或者短时停电风险。故障下游无故障区域，可通过联络开关合闸解除断电状态。以开关所处区域为依据，设定电流定值，设计整定时限，而非采用整定计算方法。

2.2 保护配置、整定处理

2.2.1 变电站出口断路器

该处断路器采用三段式电流保护以及二次重合闸，与故障重合缩短跳闸耗时，提高断电效率。

电流Ⅰ段保护环节中，常规继电保护出口电流Ⅰ段保护，根据避让自身线路末端短路电流峰值设置整定值进行整定。线路沿线与多个配电变压器相互连接，上述整定方法应用后显示整定值偏低，较易导致出口保护装置越级保护。Ⅰ段保护电流整定分析后认为，主变压器二次侧Ⅱ段可配合前述Ⅰ段保护。以Ik.s.min描述系统母线两相短路电流，以Ik.s.N描述变压器出口三相短路额定电流，此时两电流关系符合如下关系式[2]：

采用1.5保护动作灵敏系数，Ⅱ段保护电流定值描述为IⅡsct.s，母线短路电流谷值描述为Ik.s.min，其相互关系应为：

为保证Ⅰ段、Ⅱ段有效配合，Ⅱ段应为1.1倍Ⅰ段保护电流定值。综合分析后可知，Ⅰ段保护电流定值是：

在具体系统操作时，整定依据可采用50%母线额定短路电流值，Ⅱ段保护电流定值可采用0.6倍母线额定短路电流参数。变压器二次侧电流定值分别描述为P变二Ⅰ和P变二Ⅱ，此种整定实施后，变压器二次侧电流情况为：

此时，母线短路时变电器二次侧Ⅱ段保护断电灵敏系数为1.45，显示配合良好。为降低故障隔离难度，Ⅱ段保护电流定值采取相同参数。在10kV配电线路中主变压器出口额定短路电流约为15kA，因此设置Ⅱ段保护电流定值参数为7kA。电流定值参数提升，此时保护区范围约1.5km，避免出口电流Ⅰ段大范围越级保护。断电隔离保护运行时，一旦配电网出现短路，故障电流强度与故障距离呈显著负相关，变电站1km间距故障区域，短路电流通常仅为50%母线短路电流值。主变压器绕组中，设短路电流为P短路，在此过程中短路电流发热值为W发热，电动力为W点动力，则W发热、W电动力随着P2短路增高而同步增高，随着P2短路降低而降低。P短路降低至一定水平，W发热、W点动力对变压器通常无显著实质性损伤。不仅如此，整定出口电流时设置为50%母线额定短路电流值进行Ⅰ段保护，通常可保证电压暂降时维持在标准范围以内，有效缓解电压暂降对系统造成的损伤[3]。

设置Ⅱ段保护时，因为线路出口断路器已经进行Ⅰ段保护，所以设置0.6s Ⅱ段保护动作时限。通过该设置可促进上下游隔离保护相互配合，确保保护动作具有灵敏选择性。在整定IⅡsct.s时，应避开线路冷启动电流、下级 P变二短路max。IⅡsct.s均设置为3kA。

Ⅲ段保护电流定值描述为IⅡsct.s。设置电流Ⅲ段保护时，采用1.8s动作时限，整定的基本要求是避开最大负荷电流。在断电隔离处理时，全部取值为1.2kA。

重合闸设置方法近似电压时间型馈线自动化模式。使用二次重合闸设置出口断路器。通过此种设计，用户故障或者分支线故障时可保证Ⅰ段保护区域中有效解除断电状态，迅速恢复供电。

保护动作执行中，变电站出口断电保护情况如下（如图1所示）。在该断电保护系统中，主干线路开关有两个，分别为Q1和Q2。分支线路开关包括Q3、Q4、Q5，分界开关包括Q6、Q7。Ⅰ段保护区域覆盖虚线所划弧线内部，该范围外用户线路故障或者分支线路故障，可通过用户侧保护、分支和分界开关保护断电隔离，避免发生越级跳闸。分段断路器发生下游故障后，分段断路器可进行断路隔离。系统运行中有时可见出口断路器越级跳闸，例如k1永久故障，此时QF、Q1可同时启动Ⅱ段保护，导致QF越级跳闸。发生该现象后，QF先行重合闸，检测、来电后Q1重合闸，故障中Q1重合促进跳闸快速完成，恢复QF、Q1区间供电。k2即Ⅰ段保护区域线路分支永久性故障时，可引起QF越级跳闸，后续重合闸1次，与故障重合然后跳闸。失压上电后，Q3检出故障，随之通过跳闸隔离故障。QF二次重合闸，使主干线路恢复正常供电。

2.2.2 分段断路器

使用分段断路器可避免该保护装置下游主干线路发生故障，通过此种保护可降低全线停电风险。在系统中设置一次重合闸、两段电流保护，与故障重合促使跳闸断电隔离高效率执行。在应用该技术时，为简化系统分段断路器无保护，此时可采用电压时间型馈线或者集中型配电自动化系统隔离主干线路故障。

设置电流Ⅱ段保护执行时限参数为0.6s，配合下游分支开关保护和分界开关保护。整定IⅡsct.s时，首先明确出口断路器Ⅱ段定值，在设置IⅡsct.s时间距越近值越大[4]。具体操作方法为，以变电站为开端，第1个分段断路器IⅡsct.s设置为2kA，第2个IⅡsct.s设置为1.2kA，第3个IⅡsct.s设置为800A。

Ⅲ段保护设置时，采用阶梯模式整定动作时限，两个临近值应保持0.2s时间级差。IⅢsct.s应避开负荷电流峰值，以此为基础整定IⅢsct.s。基础依据是出口断路器IⅢsct.s。在后续整定中，每阶梯降低30%。

在系统中通过设置重合闸可降低瞬时性故障危害性，降低长时间停电风险。越级跳闸发生后，促进非故障区域迅速恢复供电。重合闸动作时限设置为1s/次。

越级跳闸后，系统自动进行恢复供电操作。根据图1信息可知，Ⅰ段保护可覆盖虚线内区域，首个分段断路器下游出现故障较易引起越级跳闸，即在k1区域出现BC段相间短路，该故障属于永久性故障。Ⅱ段保护在QF、Q1中同时触发，导致QF越级保护。电压电流连锁速断保护可应对此种情况。K1区域BC段故障后，针对QF与Q1进行检测，均可见故障电流Ifb存在，导致电流元件做出反应。其中QF位置可见B相电压超过50% A相电压，此种电压元件未发生动作。Q1位置B相为50% A相电压，可见电压元件执行动作。Q1位置符合跳闸要求，因此触发断电隔离。

Ⅰ段保护范围内发生分支线路永久性故障时，例如k2永久性故障，此时QF将越级断电隔离，后续初次重合故障，进行二次跳闸。失压上电情况发生在Q3处后，可检出故障，因此发生断电隔离,QF二次重合闸可使主干线路恢复供电。主干线出口与分段保护装置安装后，协同使用电压电流连锁速断装置，此种设计可促进开关根据具体情况执行保护动作，降低开关误动作风险。分支线路发生故障后，配合使用重合闸，可缩短非故障区恢复供电时间，提高系统供电稳定性。

2.2.3 分支开关

设置分支开关保护后，分支线路故障时，可避免出口断路器越级保护。在此处布设两段式电流保护，一次故障重合提高跳闸反应速度。电流Ⅱ段保护与上游相比，动作时限应降低1级，均设置为0.4s。上游电流Ⅱ段保护联合电流定值综合发挥作用，电流定值设置为90%上游IⅡsct.s。设置变电站出口IⅡsct.s为3kA，首个分段断路器、变电站线路分值开关IⅡsct.s设置为2.7kA。

整定IⅢsct.s时，应避开分支冷启动电流。在设置IⅢsct.s时取值400A。该环节动作时限与上游相比应降低1级，可设置为0.2s。

2.2.4 分界开关

设置该环节的目的是避免用户线路故障导致越级保护。采用两段式电流保护以及故障一次重合，缩短跳闸耗时。电流Ⅱ段保护设置0.2s动作时限，配合用户侧保护装置，预防越级保护。根据上级分支开关Ⅱ段保护整定IⅡsct.s，分界开关定值应为90%分支开关IⅡsct.s。采用2.7kA作为IⅡsct.s时，分界开关IⅡsct.s可设置为2.4kA。IⅢsct.s整定要求为避开用户冷启动电流。分支开关保护Ⅲ段动作时限降低1级即为Ⅲ段保护动作时限，可均设置为1s。采用一次重合闸，动作时限设置为1s。正常情况下瞬时性故障发生后，将导致用户线路长时间断电，重合闸设置后，可有效降低此种风险[5]。

综上所述，断线和绝缘故障是导致配电网故障的主要原因，传统断电保护系统较易发生越级断电，导致大范围停电。协同配置配电自动化技术与继电保护装置，可提高跳闸效率，及时触发断电隔离，合理控制断电范围，减少非必要损失。应用该技术时，应科学配置各断路器保护和开关功能。