探讨10kV配电线路继电保护

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　　摘要：大规模电力系统是由发电、输电、变电、配电和用户等环节组成的电力生产与消费系统，其中配电站的继电保护尤为重要，继电保护能够在配电站运行过程中发生故障和出现不正常现象时，迅速有选择性发出跳闸命令将故障切除或发出报警，从而减少故障造成的停电范围和电气设备的损坏程度，保证电力系统稳定运行。
　　关键词：10kv配电线路继电保护
　　
　　配电线路是电力输送的终端，是电力系统的重要组成部分。配电线路具有点多、面广、线长、走径复杂、设备质量参差不齐的特点，而且受气候、地理环境的影响较大，配电线路又直接面对用户端，供用电情况复杂，这些都直接或间接影响着配电线路的安全运行。所以电气故障的发生无法完全避免。当系统中的设备发生短路事故时，由于短路电流的热效应和电动力效应，往往造成电气线路的致命损坏，甚至可能严重到使系统的稳定运行遭到破坏。
　　1 10kV配电线路的结构及继电保护技术
　　电力工业的生产、输送、分配和消费是同时进行的，输电线路是把发电厂、变电所、和电能用户联系起来的纽带，通常，把电压为35kV及以上的高压电力线路称为送电线路，把电压为1OkV及以下的电力线路称为配电线路。
　　配电线路将由发电厂送至变电所的电能直接输送给用户，给用电设备提供消费的能源。电力是现代生活中不可缺少的动力和能源，按用电量多少，我国的主要电能用户为：工业、农业、交通运输、市政及商业、生活，其中工业用户是电力系统的最大用户。基于配电网的使命，对配电网的运行提出了严格的要求：配电网的运行应确保安全可靠，保证良好的电能质量。因为供电中断将导致生产停顿、生活混乱、甚至危及人身和设备的安全。
　　1．1 1OkV配电线路的基本结构
　　电力系统中，lOkV配电线路一般由隔离开关、断路器、电缆线路、测量电器、负倚变压器组成。
　　1．2继电保护的基本原理
　　当电力系统中的电力元件(如发电机、线路等)或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时，能够向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备，一般通称为继电保护装置。
　　继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量(电流、电压、功率、频率等)的变化，构成继电保护动作的原理；也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高，构成了瓦斯保护动作的原理。大多数情况下，无论反应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分和定值调整部分、逻辑部分、执行部分。
　　1．3继电保护在电力系统中的作用
　　(1)当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求。
　　(2)反映电气设备的不正常工作情况，根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调整，或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。
　　2 1OkV配电线路对继电保护装置的要求
　　继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求，这四“性”之间紧密联系，既矛盾又统一。1OkV配电线路对继电保护装置主要有以下几个方面的要求：
　　(1)可靠性是指保护装置的设计原理、整定计算、安装调试要正确无误，同时要求组成保护装置的各元件的质量要可靠、运行维护要得当、系统应尽可能的简化有效，以提高保护的可靠性。可靠性是对继电保护装置性能的最根本要求。
　　(2)选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护切除故障。
　　(3)灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数，各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定。选择性和灵敏性的要求，通过继电保护的整定实现。
　　(4)速动性是指保护装置应尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合阐和备用电源或备用设备自动投入的效果等。
　　3 提高继电保护可靠性的基本措施
　　保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其它该保护不应该动作的情况下，也不能错误动作。
　　提高1OkV配电线路继电保护可靠性的基本措施主要有：加强可靠性管理，提高可靠性管理水平；重视技术进步，根据供电可靠性的要求不断提高设备装备水平；采取有效措施，增强事故处理能力和处理效率；加强对用户的安全管理，减少因用户原因造成的系统故障；提高全社会对电力设施的保护意识，减少因外力破坏造成停电事故的发生。
　　4 10kV配电线路的不正常工作状态及故障分析
　　4．1 不正常工作状态及危害
　　1OkV配电线路的不正常运行状态主要有以下几种：
　　4．1．1 过电流
　　过电流，也称过负荷，即负荷超过电气设备的额定值，是一种最常见的不正常运行状态。由于过负荷，使元件载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，极有可能发展成为故障。
　　4．1．2 电压升高超过额定值
　　1OkV电缆线路在过电压情况下很容易烧断。在中性点不接地系统同时发生单相接地时，非接地的两相电压升高3倍，很可能使绝缘薄弱的环节击穿发生事故。
　　4．1．3 电压降低
　　在电网电压降低的恢复过程中接在线路上的电动机都要自起动而吸收很大的起动电流，从而延长了电压恢复时间，使自起动的条件变坏，甚至使自起动成为不可能。低压运行会使电动机电流升高而烧毁。
　　4．1．4 电力电缆绝缘老化
　　当电力电缆经长时间运行绝缘水平下降，极易发生一点或两点击穿而导致事故。
　　4．2 常见短路、断线故障及危害
　　在中性点不接地系统中故障的主要形式是各种相间短路：三相短路、两相短路、两相接地短路，其中最严重的故障是三相短路。短路故障的危害严重：短路电流可达额定电流的几倍至几十倍，使故障支路内的电气设备遭到破坏或缩短其寿命；短路电流引起的强烈电弧可能烧毁故障元件或周围设备等；短路时系统电压大幅度下降，破坏用户的正常工作，严重时可能引起电压崩溃，造成大面积停电；短路故障可能引起系统振荡，甚至系统的瓦解。另外输电线科技路还可能发生断线故障。三相电压不对称引起的负序电流造成三相电动机电流不对称，引起过热，负序磁场还使转子损耗加大，最小转矩减小，使电机效率、过载能力降低。
　　4．3 故障分析
　　电力系统故障可分为暂时性故障和永久性故障。暂时性故障是指故障线路断开电源电压后，故障点的绝缘强度能够自行恢复，如果重新将此线路合闸，线路将能够恢复正常运行的情况。产生这类故障的原因有雷电引起的绝缘子表面闪络，大风引起树枝碰线等。所谓永久性故障是指在断开电源电压后，故障仍然存在的情况。这类故障的产生原因有绝缘子的击穿或损坏，线路倒杆，电缆线路绝缘击穿，两相线路之间金属性短接，线路某处断线，人为误操作等。
　　5 1OkV继电保护中的常见问题及对策
　　5．1 线路中的励磁涌流问题
　　励磁涌流是变压器所特有的，是空投变压器时，变压器铁芯中的磁通不能突变，出现非周期分量磁通，使变压器铁芯饱和，励磁电流急剧增大而产生的。变压器励磁涌流最大值可以达到变压器额定电流的6―8倍，并且跟变压器的容量大小有关，变压器容量越小，励磁涌流倍数越大，励磁涌流存在很大的非周期分量，并以一定时间系数衰减，衰减的时间常数同样与变压器的容量大小有关，变压器容量越大，时间常数越大，涌流存在时间越长。

　　5．1．1 线路中励磁涌流对继电保护的影响
　　1OkV线路装有大量配电变压器，线路投入时，这些配电变压器是挂线路上，合闸瞬间，各变压器所产生励磁涌流线路上相互迭加、来回反射，产生了一个复杂电磁暂态过程，系统阻抗较小时，会出现较大涌流，时间常数也较大。二段式电流保护中电流速断保护要兼顾灵敏度，动作电流值往往取较小，特别长线路或系统阻抗大时更明显。一般的1OkV线路主保护是采用三段式电流保护，即瞬时电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护，瞬时电流速断保护由于要兼顾保护的灵敏度，动作电流值往往取得较小，特别在系统阻抗大时更明显。励磁涌流值可能会大干装置整定值，使保护误动。这种情况线路变压器个数少、容量小以及系统阻抗大时并不突出，容易被忽视，但当线路变压器个数及容量增大后，就可能出现。
　　由于10kV线路一般为保护的最末级,所以在整定计算中,定值计算偏重灵敏性,对有用户变电所的线路,选择性靠重合闸来保证。在以下两种计算结果中选较大值作为速断整定值。按躲过线路上配电变压器二次侧最大短路电流整定。实际计算时,可按距保护安装处较近的线路最大变压器低压侧故障整定。
　　Idzl=Kk×Id2max
　　式中:Idzl为速断一次值;Kk为可靠系数,取1.5;Id2max为线路上最大配变二次侧最大短路电流。
　　2.1.2 当保护安装处变电所主变过流保护为一般过流保护时(复合电压闭锁过流、低压闭锁过流除外),线路速断定值与主变过流定值相配合。
　　Ik=Kn×(Igl-Ie)
　　式中: Kn为主变电压比,对于35/10 降压变压器为3.33;Igl为变电所中各主变的最小过流值(一次值);Ie为相应主变的额定电流一次值。
　　灵敏度校验:近后备按最小运行方式下线路末端故障,灵敏度大于等于1.5;远后备灵敏度可选择线路最末端的较小配变二次侧故障,接最小方式校验,灵敏度大于或等于1.2。
　　Km1=Idmin1/Idzl≥1.25
　　Km2=Idmin2/Idzl≥1.2
　　式中Idmin1为线路末端最小短路电流;Idmin2为线路末端较小配变二次侧最小短路电流;Idzl为过流整定值。
　　
　　 5．1．2 励磁涌流现象的防控方法
　　励磁涌流有一明显特征，就是它含有大量二次谐波，主变主保护中就利用这个特性，来防止励磁涌流引起保护误动作，但用1OkV线路保护，必须对保护装置进行改造，会大大增加装置复杂性，实用性很差。励磁涌流另一特征就是它大小随时间而衰减，一开始涌流很大，一段时间后涌流衰减为零，流过保护装置电流为线路负荷电流，利用涌流这个特点，电流速断保护加入一短时间延时，就可止励磁涌流引起误动作，这种方法最大优点是不用改造保护装置(或只作简单改造)，会增加故障时间，但如1OkV这些对系统稳定运行影响较小的可以适用。保证可靠的避开励磁涌流，保护装置中加速回路同样要加入延时。目前，10kV线路的主保护时主要采用二段式电流保护，即限时电流速断保护和过电流保护，限时电流速断及后加速都采用0．2s的时限，这样运行安全，并能很到的避免由于线路中励磁涌流造成的保护装置误动作。
　　5．2 电流互感器的饱和问题
　　5．2．1 对继电保护的影响
　　lOkV线路出口处短路电流一般都较小，特别是农网中变电所，它们往往远离电源，系统阻抗较大。同一线路，出口处短路电流大小会系统规模及运行方式不同而不同。系统规模不断扩大，lOkV系统短路电流会变大，可以达到电流互感器一次额定电流的几百倍，系统中原有一些能正常运行的电流互感器就可能饱和；另外，短路故障是一个暂态过程，短路电流中含大量的非周期分量，这又进一步加速了电流互感器的饱和现象。l0kV线路短路时，电流互感器饱和，感应到二次侧电流会很小或接近于零，使保护装置拒动，故障要由母联断路器或主变后备保护来切除，延长了故障时间，使故障范围扩大，影响供电可靠性，严重威胁运行设备安全。
　　5．2．2 应用对策
　　电流互感器饱和其实就是电流互感器铁芯中的磁通饱和，而磁通密度与感应电势成正比，电流互感器二次负载阻抗越大，在同样电流的情况下，二次回路感应电势就越大。或在同样负载阻抗下，二次电流越大，感应电势就越大，这两种情况都会使铁芯中的磁通密度变大，磁通密度大到一定值时，电流互感器就会出现饱和现象。电流互感器严重饱和时，一次电流全部变成励磁电流，二次侧感应电流为零，流过电流继电器的电流为零，保护装置就会拒动。
　　避免电流互感器饱和主要有两种方法
　　(1)选择电流互感器时，不能选变比太小的互感器，要考虑线路短路时电流互感器的饱和问题，一般lOkV线路保护的电流互感器变比最好大于300／5。
　　(2)尽量减少电流互感器的二次负载阻抗，避免保护和计量共用电流互感器，缩短电流互感器二次电缆长度及加大二次电缆截面。1OkV线路尽可能选用保护测控二合一产品，这样能有效减小二次回路阻抗，防止电流互感器出现饱和现象。
　　5．3 所用变保护的问题及解决方法
　　所用变是一比较特殊设备，容量较小但可靠性要求非常高，安装位置也很特殊，一般就接1OkV母线上，其高压侧短路电流等于系统短路电流，可达十几千安，低压侧出口短路电流也较大。人们一直对所用变保护可靠性重视不足，这将对所用变直至整个1OkV配电线路全运行造成很大威胁。
　　传统所用变保护使用熔断器保护，其安全可靠性比较高，但系统短路容量增大以及综合自动化要求，这种方式已逐渐满足不了要求。现新建或改造的变电所，特别是综合自动化所，大多配置所用变开关柜，保护配置也跟lOkV配电线路相似，而人们往往忽视了保护用电流互感器的饱和问题。所用变容量小，一次额定电流很小，同时往往保护计量共用电流互感器，为确保计量准确性，设计时电流互感器变比会选则较小值。如果是高压侧故障，短路电流足以使母联保护或主变后备保护动作而断开故障，如果是低压侧故障，短路电流可能达不到母联保护或主变后备保护启动值，使故障无法及时切除，严重影响变电所安全运行。
　　解决所用变保护拒动问题，应从合理配置保护入手，其电流互感器的选择要考虑所用变故障时的饱和问题，同时，计量用电流互感器一定要跟保护用电流互感器分开，保护用电流互感器要安装高压侧，以保证对所用变保护，计量用电流互感器要安装所用变低压侧，以提高计量精度。在定值整定方面，电流速断保护可按所用变低压出口短路进行整定，过负荷保护按所用变容量整定。
　　6 结束语
　　lOkV配电线路是电力系统的一部分，它能否安全、稳定、可靠的运行，不但直接关系到企业用电的畅通，而且涉及到电力系统能否安全正常的运行。继电保护装置就是由继电器来组成的一套专门的自动装置，在供电系统中用来对系统进行监视、测量、控制和保护。为了确保l0kV配电线路的正常运行，对配电线路的继电保护进行研究是十分必要的。
　　

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