10 kV配网混合线路保护分级配合案例分析

张 鲁, 陈福全, 黄云龙, 梁 昆, 韩 平

(国网合肥供电公司, 安徽 合肥 230022)

0 引言

现阶段，城区新建用户居配工程广泛采用电源点变电站10 kV出线经全电缆串联连接某区域公用开闭所(一级开闭所)、总开闭所(二级开闭所)、若干分开闭所的方式供电。文献[1]针对该供电方式下的电源点变电站出口开关与下级开闭所出线开关同时跳闸问题，对变电站出口开关及开闭所保护定值进行了优化配置，综合考虑了选择性和灵敏性，很大程度缩小了同跳闸范围。但在城区配网中，依然存在大量经电缆与架空混合线路串联连接支线、开闭所等相对复杂的方式供电，该方式下同样存在因主线、支线或用户故障导致的电源点变电站出口开关跳闸，造成全线失电。本文通过案例中混合线路的分段解析，对变电站出口开关、柱上开关及开闭所保护进行了分级配合。

1 问题分析

本文案例线路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110 kV金望变电站10 kV 21开关经纯电缆出线在#01杆塔处与架空线路对接，其中#03杆塔处装设#359柱上永磁式快速分断开关(以下简称“#359快分柱开”)，#04杆塔处为支线起始端。#01杆塔与#03杆塔间架空线路带部分用户负荷，#04杆塔与A开闭所间主线及#04杆塔与B开闭所间支线架空线路分别带部分用户负荷，A、B开闭所分别带末端用户负荷。

以下短路电流计算均取基准容量SB为1 000 MVA，基准电压UB为10.5 kV，已知相关参数值如下：

(1)110 kV金望变电站10 kV母线大、小方式阻抗标幺值：3.957、4.033；

(2)变电站出口21开关至#01杆塔间的电缆线路长度为1.05 km，基准电压下单位阻抗标幺值：0.834；

(3)#01杆塔至#359快分柱开间的架空线路长度为0.4 km，基准电压下单位阻抗标幺值：3.819；

(4)#359快分柱开至末端A开闭所间的架空线路长度为1.2 km，基准电压下单位阻抗标幺值：3.819；

可知，该供电线路为电缆与架空混合线路，且架空线路长度占比大于50%，投入重合闸功能[3]，重合时间2 s。

图1 案例供电网架结构示意图

对于该混合线路供电方式，如果按照完全保主网设备的思维进行保护整定，即只考虑主网设备运行安全，完全牺牲配网保护选择性，那么只需考虑在小方式下线路末端两相短路故障时计算短路电流，可列式：

变电站出口21开关过流Ⅰ段保护定值对小方式下线路末端两相短路故障有1.5倍灵敏度，计算如下:

定值取2 800 A，时限0 s。

在该定值下，当线路上任意一点发生故障，变电站出口开关瞬动，2 s后重合闸动作，如果是瞬时性故障，重合成功，供电恢复。但如果是永久性故障，后加速动作，开关再次分闸，全线失电。

2 分级配合

随着地区主干网架的不断加强，主网设备本身质量相对稳定且单台主变非计划停运对电网的风险已显著降低，但同时终端用户对供电可靠性的要求却在不断提升，目前应有选择的将部分裕度还给配网，保护应分级配置，各司其职。依据该思路，对混合线路进行分段解析，如图1所示。

选择变电站出口开关为〇级配合点，#359快分为一级配合点，A、B开闭所分别为二级配合点。对整条线路而言，保护装置分别对应为21开关保护，#359快分柱开保护，A、B开闭所保护。为最大程度保证用户负荷供电，各保护配合需实现以下选择性。

(1)选择性一：当F4或F5点发生故障时，仅B或A开闭所保护分别动作，而#359快分柱开和21开关保护不动作，不影响出口开关与开闭所间的所有负荷供电；

(2)选择性二：当F3点发生故障时，仅#359快分柱开动作，而21开关保护不动作，不影响出口开关与#359快分柱开间的所有负荷供电；

(3)选择性三：当F2点发生故障时，21开关保护可靠动作；

(4)选择性四：当F1发生故障时，21开关保护可靠动作，且不重合闸。

2.1 实现选择性三的整定计算

为实现选择性三，考虑〇级配合点21开关与一级配合点#359快分柱开之间线路末端的最大三相短路电流，计算可列式:

〇级配合点21开关过流Ⅰ段保护定值按躲过该最大三相短路电流，计算如下:

IopI=1.3×8 647=11 241 A

定值取12 000 A，时限0 s，重合闸时间2 s。

2.2 实现选择性四的整定计算

在实现选择性三的基础上，进一步实现选择性四，考虑〇级配合点21开关与#01杆塔之间线路末端的最大三相短路电流，计算可列式:

〇级配合点21开关大电流闭锁重合闸保护定值按躲过该最大三相短路电流，计算如下:

IBS=1.3×11 381=14 795 A

定值取15 000 A。

2.3 实现选择性二的整定计算

为实现选择性二，考虑一级配合点#359快分柱开与二级配合点末端A开闭所之间线路末端的最大三相短路电流，计算可列式:

一级配合点#359快分柱开过流Ⅰ段保护定值按躲过该最大三相短路电流，计算如下：

IopI=1.3×5 026=6 534 A

但现场柱上开关一般仅有600 A、400 A两档，所以定值取600 A，时限0.15 s，重合闸时间3 s。

2.4 实现选择性一的整定计算

为实现选择性一，考虑二级配合点末端A开闭所出线所带配变总容量为2 500 kVA，计算配变额定电流可列式:

末端A开闭所出线过流Ⅰ段保护定值按躲变压器励磁涌流，计算如下：

IopI=8×137=1 096 A

定值取1 200 A，时限0 s。

2.5 考虑部分保护拒动情况下的整定计算

综合考虑配网一、二次设备质量及运维水平距主网设备均存在较大差距，当快分柱开及开闭所保护均拒动的极端情况下，确保最终可由变电站出口开关过流Ⅱ段保护切除故障，避免对主网设备造成长时间伤害。

〇级配合点21开关过流Ⅱ段保护定值保证对小方式下线路末端两相短路故障有1.5倍灵敏度[2]，计算如下：

定值取2 800 A，时限0.3 s。

2.6 最终各保护分级配置定值

(1)〇级配合点21开关过流Ⅰ段保护定值取12 000 A，时限0 s，重合闸时间2 s，大电流闭锁重合闸保护定值取15 000 A；〇级配合点21开关过流Ⅱ段保护定值取2 800 A，时限0.3 s。

(2)一级配合点#359快分柱开过流Ⅰ段保护定值取600 A，时限0.15 s，重合闸时间3 s。

(3)二级配合点A、B开闭所过流Ⅰ段保护定值取1 200 A，时限0 s。

3 应用分析

3.1 F4或F5点故障时保护动作分析

当F4或F5点发生故障时，故障电流达到B或A开闭所过流Ⅰ段保护定值，开闭所出线开关分别瞬动跳闸；故障电流虽达到#359快分柱开过流Ⅰ段保护定值，但其0.15 s延时确保#359快分柱开不会同跳；故障电流达不到21开关保护过流Ⅰ段保护定值，21开关不会同跳。不影响变电站出口开关与开闭所间的所有负荷供电。

3.2 F3点故障时保护动作分析

当F3点发生故障时，故障电流达到#359快分柱开过流Ⅰ段保护定值，#359快分柱开延时0.15 s后跳闸，柱开后架空主、支线负荷，A、B开闭所均失电，3 s后#359快分柱开重合。此时分为两种情况：

(1)如果是瞬时性故障，柱开后架空主、支线负荷，A、B开闭所均恢复供电。同时，#359快分柱开操动机构带电后储能，为下次重合闸做好准备。

(2)如果是永久性故障，#359快分柱开再次跳闸，由于#359快分柱开第一次重合闸已基本将操动机构储能释放完毕，因此#359快分柱开无法再次重合闸，彻底切除故障。

而F3点发生故障时的故障电流达不到21开关保护过流Ⅰ段保护定值，21开关不会同跳。不影响出口开关与#359快分柱开间的所有负荷供电。

3.3 F2点故障时保护动作分析

当F2点发生故障时，故障电流达到21开关过流Ⅰ段保护定值，21开关保护瞬动跳闸，全线失电，2 s后21开关重合。此时同样分为两种情况：

(1)如果是瞬时性故障，全线恢复供电。

(2)如果是永久性故障，21开关再次跳闸，彻底切除故障。

3.4 F1点故障时保护动作分析

当F1点发生故障时，故障电流达到21开关过流Ⅰ段保护定值，21开关保护瞬动跳闸，全线失电，且故障电流达到大电流闭锁重合闸保护定值，可知故障点必在变电站出口21开关至#01杆塔间的出口电缆上，此时闭锁重合闸，彻底切除故障，避免短路电流对主网设备造成二次冲击。

4 结语

(1)该案例电缆与架空混合线路中各设备保护经分级配合后的定值，实现线路分段、精准定位切除故障，最大程度避免线路任意点故障导致的变电站出口开关同跳闸问题，有效缩小停电用户范围，提高供电可靠性。

(2)案例的分级配合思路可靠保证了配网保护的选择性，但变电站出口开关过流Ⅰ段保护定值按躲下级线路末端最大三相短路电流的整定原则，在变电站出线电缆长度小于一公里甚至仅几百米时，该整定原则下的过流Ⅰ段保护定值可能完全失去灵敏性，只能依靠过流Ⅱ段保护定值切除故障，但已对主网设备造成一定冲击伤害。下一步，将在配网保护优化工作持续实践过程中，积极探索光纤纵差保护和5G保护在配网保护分级配合中的实施应用。