點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)配置方案分析與改進(jìn)

蔄曉琨， 徐丙垠， 仉志華， 張新慧， 范開俊

(1．山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091；2. 中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580；3.山東大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250100)

傳統(tǒng)低壓配電網(wǎng)中，電源進(jìn)線由相同中壓母線供電[1]，保護(hù)控制配置簡單.但是當(dāng)電源側(cè)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成負(fù)荷短時(shí)停電[2]難以保證供電可靠性.在美國等國家點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)多應(yīng)用于低壓箱變或配電室[3]，電源進(jìn)線來自不同電網(wǎng)，采用線路-變壓器單元接線方式在低壓側(cè)直接并聯(lián)供電，且低壓側(cè)母聯(lián)開關(guān)常閉運(yùn)行[4].點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)能夠有效提高供電可靠性，網(wǎng)絡(luò)靈活性較高，能夠有效降低運(yùn)行成本[5]，適于向高層寫字樓、郊區(qū)商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、高供電可靠性要求的機(jī)構(gòu)大樓供電[6].

本文介紹了點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)概念及其特點(diǎn)，通過分析其保護(hù)方案研究現(xiàn)狀，指出其主要存在兩方面問題，一方面是低壓進(jìn)出線之間配合不當(dāng)，易造成后備保護(hù)誤動(dòng)或動(dòng)作時(shí)間過長；另一方面是低壓進(jìn)線之間配合不當(dāng)，易造成非故障進(jìn)線保護(hù)誤動(dòng).本文根據(jù)傳統(tǒng)保護(hù)方案中保護(hù)配合不當(dāng)?shù)葐栴}提出了改進(jìn)方案，并通過PSCAD對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.

1 點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)繼電保護(hù)方案

美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)在IEEE Std 1547.2TM_2008文件中給出的點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)配置方案包括電流保護(hù)、橫差保護(hù)、變壓器接地保護(hù)、逆功率保護(hù)等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖1 點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)保護(hù)配置圖

1)變壓器配置橫差保護(hù)與瓦斯保護(hù)作為主保護(hù)，配置變壓器接地保護(hù)作為后備保護(hù).主保護(hù)動(dòng)作邏輯：當(dāng)檢測到并聯(lián)運(yùn)行的多臺(tái)變壓器輸出功率差超過整定值時(shí)，橫差保護(hù)向斷路器發(fā)出跳閘信號(hào).當(dāng)檢測到氣體排除速度超過整定值時(shí)，瓦斯保護(hù)向斷路器發(fā)出跳閘信號(hào).后備保護(hù)動(dòng)作邏輯：當(dāng)變壓器接地保護(hù)檢測到電流值過其他電氣量超出整定值時(shí)，開始計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間超過設(shè)定值時(shí)，說明主保護(hù)未動(dòng)作，變壓器接地保護(hù)向斷路器發(fā)出跳閘信號(hào).

2)變壓器低壓出線上配置電流速斷保護(hù)與逆功率保護(hù)作為主保護(hù)，配置過電流保護(hù)為后備保護(hù).主保護(hù)動(dòng)作邏輯：當(dāng)檢測到線路上電流值超過整定值或者功率方向與設(shè)定正方向相反時(shí)[7]，變壓器低壓出線保護(hù)向斷路器發(fā)出跳閘信號(hào).后備保護(hù)動(dòng)作邏輯：當(dāng)電流速斷保護(hù)摳動(dòng)時(shí)，過電流保護(hù)動(dòng)作切除故障.

3)低壓母線上不配置保護(hù)，只裝設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān).當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，由變壓器低壓出側(cè)保護(hù)與400V出線保護(hù)配合隔離故障區(qū)域.

4)400V出線上配置電流速斷保護(hù).一般選用熔斷器代替斷路器.

與IEEE協(xié)會(huì)提出的點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)配置方案相比，美國Cutler-Hammer公司在其Spot Network System一文中提出的三變壓器點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)配置方案中要簡單很多.變壓器只配置瓦斯保護(hù)為主保護(hù)，變壓器低壓出線上只配置主保護(hù)，主保護(hù)與網(wǎng)絡(luò)中其他保護(hù)配置方案均與IEEE給出的配置方案相同.

上述保護(hù)方案存在三方面不足：

1)不利于快速切除故障.當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，變壓器低壓側(cè)出線保護(hù)檢測到過電流保護(hù)，通過一定的延時(shí)，電流仍超出整定值時(shí)，保護(hù)發(fā)出跳閘信號(hào)，從而避免因400V低壓出線上發(fā)生故障引起的誤動(dòng)作.此種方法能夠保證變壓器低壓側(cè)出線保護(hù)不誤動(dòng)作，但是不利于快速切除故障，降低損失.

2)非故障電源進(jìn)線保護(hù)易誤動(dòng)作.由于低壓母聯(lián)開關(guān)常閉，當(dāng)一回電源進(jìn)線發(fā)生故障時(shí)，非故障電源進(jìn)線與故障點(diǎn)之間產(chǎn)生環(huán)流，造成非故障電源進(jìn)線保護(hù)誤跳.

3)逆功率死區(qū)問題.當(dāng)逆功率保護(hù)測量點(diǎn)附近發(fā)生三相短路故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致逆功率保護(hù)電壓測量量為零，無法識(shí)別故障方向，導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng).

從以上介紹可以看出，國外已經(jīng)提出了多種點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)的繼電保護(hù)的配置方案[8-9]，但每種方案都有其局限性，保護(hù)配置的實(shí)際運(yùn)行情況也證實(shí)了這一點(diǎn).由于點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)的使用率還不高，國內(nèi)還未對(duì)其系統(tǒng)的提出保護(hù)的配置方案.

現(xiàn)階段建筑施工當(dāng)中仍然存在管理不規(guī)范的現(xiàn)象。比如：施工人員沒有依照相應(yīng)的用電與節(jié)電標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并且在施工現(xiàn)場相應(yīng)的安全警示標(biāo)志較少，使施工現(xiàn)場的整體狀況仍處于不規(guī)范的情形當(dāng)中。除此以外還有很多建筑企業(yè)在制定施工方案以及制度的時(shí)候仍存在很多不規(guī)范的地方，特別是施工方技術(shù)交底情況，并且在這樣的不規(guī)范情況下作業(yè)人員也無法記錄真實(shí)的施工活動(dòng)，最終使得施工安全管理工作受到影響。

2 優(yōu)化方案分析

2.1 優(yōu)化方法

本文通過以下方法改進(jìn)點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)保護(hù)方案以提高供電可靠性.

1)閉鎖非故障線路.當(dāng)?shù)蛪耗妇€出線上保護(hù)檢測到故障電流時(shí)，向斷路器發(fā)出跳閘信號(hào)，同時(shí)閉鎖變壓器低壓側(cè)出線保護(hù)，防止其誤動(dòng)導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大.當(dāng)一回電源進(jìn)線發(fā)生故障時(shí)，故障處保護(hù)向變壓器兩側(cè)斷路器發(fā)出跳閘信號(hào)，同時(shí)閉鎖其它電源進(jìn)線保護(hù)，防止其誤動(dòng)導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大.

2)通過編程控制保護(hù)裝置記錄故障瞬間前一刻電壓值，從而避免逆功率保護(hù)死區(qū)問題.

由于國內(nèi)變壓器保護(hù)鮮有配置橫差保護(hù)，故本保護(hù)方案不配置橫差保護(hù)，變壓器配置瓦斯保護(hù)為主保護(hù)，配置變壓器接地保護(hù)為后備保護(hù)；變壓器出線配置電流速斷保護(hù)與逆功率保護(hù)為主保護(hù)，配置過電流保護(hù)為后備保護(hù)；400V低壓出線配置電流速斷保護(hù)為主保護(hù)，變壓器出線上配置的過電流保護(hù)為400V低壓出線后備保護(hù).保護(hù)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 改進(jìn)后保護(hù)功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 保護(hù)動(dòng)作分析

通過分析點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)不同位置發(fā)生故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況及停電區(qū)域，并與傳統(tǒng)保護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比.故障位置圖如圖3所示.假設(shè)變壓器低壓側(cè)出線上過電流保護(hù)延時(shí)時(shí)間為0.5s，接收到其他保護(hù)閉鎖信號(hào)時(shí)間為0.1s.

圖3 點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)故障圖

1)低壓出線發(fā)生故障.本段線路電流速斷保護(hù)動(dòng)作，將故障線路切除，本段線路負(fù)荷停電.同時(shí)本段保護(hù)向所有變壓器出線保護(hù)發(fā)出閉鎖信號(hào)[10].當(dāng)本段線路保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，變壓器低壓出線過電流保護(hù)經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，向變壓器低壓出線斷路器發(fā)出信號(hào)動(dòng)作，同時(shí)打開母聯(lián)開關(guān).

例如：當(dāng)故障發(fā)生在F1點(diǎn)時(shí)，CB7跳閘，閉鎖CB4、CB5、CB6，防止誤跳.當(dāng)CB7拒動(dòng)時(shí)，CB4跳，同時(shí)打開CBT1.傳統(tǒng)保護(hù)方案中，當(dāng)電流速斷保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，上級(jí)過電流保護(hù)至少需要0.5s后才能動(dòng)作.而改進(jìn)方案中，當(dāng)0.1s后上級(jí)過電流保護(hù)仍能檢測到故障電流時(shí)，即可發(fā)出跳閘信號(hào)，大大降低了保護(hù)拒動(dòng)造成的損失.

例如：當(dāng)故障點(diǎn)在F2時(shí)，CBT1、CBT2、CB5同時(shí)打開.傳統(tǒng)保護(hù)方案中，當(dāng)變壓器出線側(cè)保護(hù)檢測到故障電流時(shí)，無法準(zhǔn)確判斷故障位置，需經(jīng)過0.5s延時(shí)后才能發(fā)出跳閘信號(hào).改進(jìn)方案中，經(jīng)過0.1s延時(shí)后，即可發(fā)出跳閘信號(hào)，故障區(qū)域隔離時(shí)間大幅度提高.

3)變壓器出線故障.逆功率保護(hù)監(jiān)測到反向功率后，閉鎖除本段線路外其他線路變壓器出線保護(hù)[11]，同時(shí)向本段線路斷路器發(fā)出跳閘信號(hào).傳統(tǒng)保護(hù)方案中，本段線路發(fā)生故障易引起非故障線路逆功率保護(hù)誤動(dòng).改進(jìn)方案中，通過閉鎖避免了誤動(dòng)的發(fā)生.

例如：當(dāng)故障點(diǎn)在F3時(shí)，CB5、CB2斷開，同時(shí)閉鎖CB4和CB6.傳統(tǒng)保護(hù)方案中

4)當(dāng)變壓器進(jìn)線側(cè)發(fā)生故障.進(jìn)線側(cè)保護(hù)控制本段線路斷路器跳閘，變壓器出線逆功率保護(hù)監(jiān)測到逆功率，閉鎖除本段線路外所有線路變壓器出線保護(hù)[12].

例如：當(dāng)故障發(fā)生在F4點(diǎn)時(shí)，CB2和CB5跳閘，同時(shí)閉鎖CB4和CB6.

2.3 逆功率保護(hù)死區(qū)問題的解決

當(dāng)逆功率保護(hù)附近發(fā)生三相短路，會(huì)導(dǎo)致繼電器拒動(dòng).為了解決繼電器這種“死區(qū)”問題，某些型號(hào)繼電器本身帶有記憶回路，通過延長對(duì)三相短路的記憶，保證繼電器正確動(dòng)作[13]，但這種記憶回路的延長時(shí)間一般只有0.1s，對(duì)于帶有功率方向繼電器的限時(shí)電流保護(hù)，當(dāng)保護(hù)限時(shí)在0.1s以上時(shí)，功率方向繼電器的記憶回路失效.

通過保存故障前狀態(tài)，可以有效解決逆功率保護(hù)死區(qū)問題.當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，在0.1s內(nèi)記憶回路保存故障電壓，即使保護(hù)限時(shí)在0.1s以上，也可通過記錄在保護(hù)裝置內(nèi)的信息，完成故障區(qū)域判斷，如圖4所示.

圖4 逆功率微機(jī)保護(hù)流程圖

3 仿真驗(yàn)證

本文利用PSCAD仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，按三臺(tái)變壓器點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，變壓器高壓側(cè)電壓為10kV，低壓側(cè)為0.4kV，變壓器容量為640kVA.配置六回饋線，每相有功功率為80kW，無功功率為840kVar[14].如圖5所示.

圖5 三變壓器點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)仿真模型

傳統(tǒng)保護(hù)方案中，低壓進(jìn)線配過電流保護(hù)與逆功率保護(hù)，如圖6(a)所示.在保護(hù)改進(jìn)方案中，在過電流逆功率保護(hù)或門與自鎖或門間添加反向輸入邏輯與運(yùn)算，當(dāng)?shù)蛪撼鼍€保護(hù)與其他低壓進(jìn)線保護(hù)檢測到故障時(shí)，運(yùn)算輸出結(jié)果為1，否則為0，起到閉鎖非故障線路保護(hù)作用，如圖6(b)所示.

(a)傳統(tǒng)保護(hù)邏輯控制圖

(b)改進(jìn)后保護(hù)邏輯控制圖圖6 變壓器低壓側(cè)保護(hù)邏輯控制圖

當(dāng)?shù)蛪哼M(jìn)線發(fā)生故障時(shí).由于母聯(lián)開關(guān)常閉，非故障線路向故障點(diǎn)傳送功率，導(dǎo)致非故障線路過電流保護(hù)誤動(dòng)作，負(fù)荷側(cè)全部停電，如圖7所示.

圖7 變壓器低壓側(cè)單相接地故障傳統(tǒng)保護(hù)波形圖

當(dāng)一條電源線路檢測到故障電流時(shí)，向其它線路保護(hù)發(fā)出閉鎖信號(hào)，同時(shí)該段保護(hù)向變壓器兩側(cè)繼電器發(fā)出跳閘信號(hào)，故障線路退出運(yùn)行，所有負(fù)荷由剩余電源供電，如圖8所示.

圖8 變壓器低壓側(cè)單相接地故障優(yōu)化方案波形圖

當(dāng)?shù)蛪撼鼍€發(fā)生接地故障時(shí)，引起低壓母線電流升高，導(dǎo)致低壓出線保護(hù)誤判斷為母線故障.通過低壓出線保護(hù)閉鎖進(jìn)線保護(hù)可有效提高保護(hù)可靠性，并降低因主保護(hù)失靈后備保護(hù)延時(shí)啟動(dòng)造成的損失.

圖9 低壓母線出線故障傳統(tǒng)保護(hù)波形圖

設(shè)定在0.1s時(shí)低壓出線發(fā)生單相接地故障，本段線路保護(hù)跳閘，低壓進(jìn)線過電流保護(hù)檢測到突變量，保護(hù)發(fā)出跳閘信號(hào)，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作.如圖9所示.

圖10 低壓母線出線故障改進(jìn)保護(hù)波形圖

通過對(duì)比仿真波形圖8與圖10表明，改進(jìn)后的保護(hù)方案避免了非故障線路保護(hù)誤跳，減少了故障對(duì)線路及用戶的影響，保護(hù)選擇性得以提高.

4 結(jié)束語

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是決定用戶電能質(zhì)量的關(guān)鍵，點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)滿足機(jī)場、醫(yī)院對(duì)電能質(zhì)量的要求.

本文分析了點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)繼電保護(hù)配置，通過閉鎖非故障線路保護(hù)來解決誤動(dòng)作問題，提出了利用保護(hù)裝置記錄故障瞬間電壓值，從而解決逆功率逆功率保護(hù)死區(qū)問題.為點(diǎn)狀網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)基礎(chǔ).

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