城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護的分析探討
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【摘要】文章介紹了城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的重要位置及城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護的基本類型，著重介紹了幾種目前國內(nèi)常用的電流保護：反時限過電流保護、定時限過電流保護、電流速斷保護，并分析了各類保護裝置的基本構(gòu)成、保護范圍、動作原理、配合方法、優(yōu)缺點，給出了詳細的整定計算過程。
【關鍵詞】配電系統(tǒng)；繼電保護；整定計算
城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等五個環(huán)節(jié)的一個重要組成部分。它能否安全、穩(wěn)定、可靠地運行，不但直接關系到黨政機關、工礦企業(yè)、居民生活用電的暢通，而且涉及到電力系統(tǒng)能否正常的運行。
一、城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的重要位置
城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)由于其覆蓋的地域極其遼闊、運行環(huán)境極其復雜以及各種人為因素的影響，電氣故障的發(fā)生是不能完全避免的。在電力系統(tǒng)中的任何一處發(fā)生事故，都有可能對電力系統(tǒng)的運行產(chǎn)生重大影響。例如，當系統(tǒng)中的某工礦企業(yè)的設備發(fā)生短路事故時，由于短路電流的熱效應和電動力效應，往往造成電氣設備或電氣線路的致命損壞還有可能嚴重到使系統(tǒng)的穩(wěn)定運行遭到破壞。為了確保城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)的正常運行，必須正確地設置繼電保護裝置。
二、城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護的基本類型
城市電網(wǎng)10kV系統(tǒng)中裝設繼電保護裝置的主要作用是通過縮小事故范圍或預報事故的發(fā)生，來達到提高系統(tǒng)運行的可靠性，并最大限度地保證供電的安全和不間斷。
可以想象，在10kV系統(tǒng)中利用熔斷器去完成上述任務是不能滿足要求的。因為熔斷器的安秒特性不甚完善，熄滅高壓電路中強烈電弧的能力不足，甚至有使故障進一步擴大的可能；同時還延長了停電的歷時。只有采用繼電保護裝置才是最完美的措施。因此，在10kV系統(tǒng)中的繼電保護裝置就成了供電系統(tǒng)能否安全可靠運行的不可缺少的重要組成部分。
在電力系統(tǒng)中利用正常運行和故障時各物理量的差別就可以構(gòu)成各種不同原理和類型的繼電保護裝置。如在城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中應用最為廣泛的是反映電流變化的電流保護：有定時限過電流保護、反時限過電流保護、電流速斷保護、過負荷保護和零序電流保護等，還有既反映電流的變化又反映電壓與電流之間相位角變化的方向過電流保護；利用故障接地線路的電容電流大于非故障接地線路的電容電流來選擇接地線路，一般均作用于發(fā)信號，在部分發(fā)達城市因電容電流較大10kV配網(wǎng)系統(tǒng)采用中性點直接接地的運行方式，此時零序電流保護直接作用于跳閘。
三、幾種常用電流保護的分析
?。ㄒ唬┓磿r限過電流保護
繼電保護的動作時間與短路電流的大小有關，短路電流越大，動作時間越短；短路電流越小，動作時間越長，這種保護就叫做反時限過電流保護。反時限過電流保護雖外部接線簡單，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復雜，調(diào)試比較困難；在靈敏度和動作的準確性、速動性等方面也遠不如電磁式繼電器構(gòu)成的繼電保護裝置。這種保護方式目前主要應用于一般用戶端的進線開關處保護，不推薦使用在變電站10kV出線開關處。
（二）定時限過電流保護
?。?定時限過電流保護。繼電保護的動作時間與短路電流的大小無關，時間是恒定的，時間是靠時間繼電器的整定來獲得的。時間繼電器在一定范圍內(nèi)是連續(xù)可調(diào)的，這種保護方式就稱為定時限過電流保護。
２.繼電器的構(gòu)成。定時限過電流保護是由電磁式時間繼電器(作為時限元件)、電磁式中間繼電器(作為出口元件)、電磁式電流繼電器(作為起動元件)、電磁式信號繼電器(作為信號元件)構(gòu)成的。它一般采用直流操作，須設置直流屏。定時限過電流保護簡單可靠、完全依靠選擇動作時間來獲得選擇性，上、下級的選擇性配合比較容易、時限由時間繼電器根據(jù)計算后獲取的參數(shù)來整定，動作的選擇性能夠保證、動作的靈敏性能夠滿足要求、整定調(diào)試比較準確和方便。這種保護方式一般應用在電力系統(tǒng)中變配電所，作為10kV出線開關的電流保護。
?。?定時限過電流保護的基本原理。在10kV中性點不接地系統(tǒng)中，廣泛采用的兩相兩繼電器的定時限過電流保護。它是由兩只電流互感器和兩只電流繼電器、一只時間繼電器和一只信號繼電器構(gòu)成。保護裝置的動作時間只決定于時間繼電器的預先整定的時間，而與被保護回路的短路電流大小無關，所以這種過電流保護稱為定時限過電流保護。
４.動作電流的整定計算。過流保護裝置中的電流繼電器動作電流的整定原則，是按照躲過被保護線路中可能出現(xiàn)的最大負荷電流來考慮的。也就是只有在被保護線路故障時才啟動，而在最大負荷電流出現(xiàn)時不應動作。為此必須滿足以下兩個條件：
（1）在正常情況下，出現(xiàn)最大負荷電流時（即電動機的啟動和自啟動電流，以及用戶負荷的突增和線路中出現(xiàn)的尖峰電流等）不應動作。即：
Idz＞Ifh.max
式中Idz：過電流保護繼電器的一次動作電流；Ifh.max：最大負荷電流
（2）保護裝置在外部故障切除后應能可靠地返回。因為短路電流消失后，保護裝置有可能出現(xiàn)最大負荷電流，為保證選擇
【關鍵詞】配電系統(tǒng)；繼電保護；整定計算
城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等五個環(huán)節(jié)的一個重要組成部分。它能否安全、穩(wěn)定、可靠地運行，不但直接關系到黨政機關、工礦企業(yè)、居民生活用電的暢通，而且涉及到電力系統(tǒng)能否正常的運行。
一、城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的重要位置
城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)由于其覆蓋的地域極其遼闊、運行環(huán)境極其復雜以及各種人為因素的影響，電氣故障的發(fā)生是不能完全避免的。在電力系統(tǒng)中的任何一處發(fā)生事故，都有可能對電力系統(tǒng)的運行產(chǎn)生重大影響。例如，當系統(tǒng)中的某工礦企業(yè)的設備發(fā)生短路事故時，由于短路電流的熱效應和電動力效應，往往造成電氣設備或電氣線路的致命損壞還有可能嚴重到使系統(tǒng)的穩(wěn)定運行遭到破壞。為了確保城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)的正常運行，必須正確地設置繼電保護裝置。
二、城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護的基本類型
城市電網(wǎng)10kV系統(tǒng)中裝設繼電保護裝置的主要作用是通過縮小事故范圍或預報事故的發(fā)生，來達到提高系統(tǒng)運行的可靠性，并最大限度地保證供電的安全和不間斷。
可以想象，在10kV系統(tǒng)中利用熔斷器去完成上述任務是不能滿足要求的。因為熔斷器的安秒特性不甚完善，熄滅高壓電路中強烈電弧的能力不足，甚至有使故障進一步擴大的可能；同時還延長了停電的歷時。只有采用繼電保護裝置才是最完美的措施。因此，在10kV系統(tǒng)中的繼電保護裝置就成了供電系統(tǒng)能否安全可靠運行的不可缺少的重要組成部分。
在電力系統(tǒng)中利用正常運行和故障時各物理量的差別就可以構(gòu)成各種不同原理和類型的繼電保護裝置。如在城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中應用最為廣泛的是反映電流變化的電流保護：有定時限過電流保護、反時限過電流保護、電流速斷保護、過負荷保護和零序電流保護等，還有既反映電流的變化又反映電壓與電流之間相位角變化的方向過電流保護；利用故障接地線路的電容電流大于非故障接地線路的電容電流來選擇接地線路，一般均作用于發(fā)信號，在部分發(fā)達城市因電容電流較大10kV配網(wǎng)系統(tǒng)采用中性點直接接地的運行方式，此時零序電流保護直接作用于跳閘。
三、幾種常用電流保護的分析
?。ㄒ唬┓磿r限過電流保護
繼電保護的動作時間與短路電流的大小有關，短路電流越大，動作時間越短；短路電流越小，動作時間越長，這種保護就叫做反時限過電流保護。反時限過電流保護雖外部接線簡單，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復雜，調(diào)試比較困難；在靈敏度和動作的準確性、速動性等方面也遠不如電磁式繼電器構(gòu)成的繼電保護裝置。這種保護方式目前主要應用于一般用戶端的進線開關處保護，不推薦使用在變電站10kV出線開關處。
（二）定時限過電流保護
?。?定時限過電流保護。繼電保護的動作時間與短路電流的大小無關，時間是恒定的，時間是靠時間繼電器的整定來獲得的。時間繼電器在一定范圍內(nèi)是連續(xù)可調(diào)的，這種保護方式就稱為定時限過電流保護。
２.繼電器的構(gòu)成。定時限過電流保護是由電磁式時間繼電器(作為時限元件)、電磁式中間繼電器(作為出口元件)、電磁式電流繼電器(作為起動元件)、電磁式信號繼電器(作為信號元件)構(gòu)成的。它一般采用直流操作，須設置直流屏。定時限過電流保護簡單可靠、完全依靠選擇動作時間來獲得選擇性，上、下級的選擇性配合比較容易、時限由時間繼電器根據(jù)計算后獲取的參數(shù)來整定，動作的選擇性能夠保證、動作的靈敏性能夠滿足要求、整定調(diào)試比較準確和方便。這種保護方式一般應用在電力系統(tǒng)中變配電所，作為10kV出線開關的電流保護。
?。?定時限過電流保護的基本原理。在10kV中性點不接地系統(tǒng)中，廣泛采用的兩相兩繼電器的定時限過電流保護。它是由兩只電流互感器和兩只電流繼電器、一只時間繼電器和一只信號繼電器構(gòu)成。保護裝置的動作時間只決定于時間繼電器的預先整定的時間，而與被保護回路的短路電流大小無關，所以這種過電流保護稱為定時限過電流保護。
４.動作電流的整定計算。過流保護裝置中的電流繼電器動作電流的整定原則，是按照躲過被保護線路中可能出現(xiàn)的最大負荷電流來考慮的。也就是只有在被保護線路故障時才啟動，而在最大負荷電流出現(xiàn)時不應動作。為此必須滿足以下兩個條件：
（1）在正常情況下，出現(xiàn)最大負荷電流時（即電動機的啟動和自啟動電流，以及用戶負荷的突增和線路中出現(xiàn)的尖峰電流等）不應動作。即：
Idz＞Ifh.max
式中Idz：過電流保護繼電器的一次動作電流；Ifh.max：最大負荷電流
（2）保護裝置在外部故障切除后應能可靠地返回。因為短路電流消失后，保護裝置有可能出現(xiàn)最大負荷電流，為保證選擇
性，已動作的電流繼電器在這時應當返回。因此保護裝置的一次返回電流If應大于最大負荷電流Ifh.max。即：
If＞Ifh.max
因此，定時限過電流裝置電流繼電器的動作電流Idz.j為：
Idz.j=（Kk.Kjx/Kf.Nlh）.Ifh.max
式中Kk：可靠系數(shù)，考慮到繼電器動作電流的誤差和計算誤差而設。一般取為1.15～1.25
Kjx——由于繼電器接入電流互感器二次側(cè)的方式不同而引入的一個系數(shù)。電流互感器為三相完全星形接線和不完全星形接線時Kjx=1；如為三角形接線和兩相電流差接線時Kjx=√3
Kf：返回系數(shù)，一般小于1；
Nlh：電流互感器的變比。
If＞Ifh.max
因此，定時限過電流裝置電流繼電器的動作電流Idz.j為：
Idz.j=（Kk.Kjx/Kf.Nlh）.Ifh.max
式中Kk：可靠系數(shù)，考慮到繼電器動作電流的誤差和計算誤差而設。一般取為1.15～1.25
Kjx——由于繼電器接入電流互感器二次側(cè)的方式不同而引入的一個系數(shù)。電流互感器為三相完全星形接線和不完全星形接線時Kjx=1；如為三角形接線和兩相電流差接線時Kjx=√3
Kf：返回系數(shù)，一般小于1；
Nlh：電流互感器的變比。
（三）動作時限的整定原則
為使過電流保護具有一定的選擇性，各相臨元件的過電流保護應具有不同的動作時間。各級保護裝置的動作時限是由末端向電源端逐級增大的?？墒牵娇拷娫炊司€路的阻抗越小，短路電流將越大，而保護的動作時間越長。也就是說過電流保護存在著缺陷。這種缺陷就必須由電流速斷保護來彌補不可。
?。ㄋ模┻^電流保護的保護范圍
過流保護可以保護設備的全部，也可以保護線路的全長，還可以作為相臨下一級線路穿越性故障的后備保護。
四、電流速斷保護
（一）電流速斷保護
電流速斷保護是一種無時限或略帶時限動作的一種電流保護。它能在最短的時間內(nèi)迅速切除短路故障，減小故障持續(xù)時間，防止事故擴大。電流速斷保護又分為瞬時電流速斷保護和略帶時限的電流速斷保護兩種。
（二）電流速斷保護的構(gòu)成
電流速斷保護是由電磁式中間繼電器(作為出口元件)、電磁式電流繼電器(作為起動元件)、電磁式信號繼電器(作為信號元件)構(gòu)成的。它一般不需要時間繼電器。它是按一定地點的短路電流來獲得選擇性動作，動作的選擇性能夠保證、動作的靈敏性能夠滿足要求、整定調(diào)試比較準確和方便。
?。ㄈ┧矔r電流速斷保護的整定原則和保護范圍
瞬時電流速斷保護與過電流保護的區(qū)別，在于它的動作電流值不是躲過最大負荷電流，而是必須大于保護范圍外部短路時的最大短路電流。當在被保護線路外部發(fā)生短路時，它不會動作。
?。ㄋ模┧矔r電流速斷保護的基本原理
瞬時電流速斷保護的原理與定時限過電流保護基本相同。只是由一只電磁式中間繼電器替代了時間繼電器。
（五）略帶時限的電流速斷保護
瞬時電流速斷保護最大的優(yōu)點是動作迅速，但只能保護線路的首端。而定時限過電流保護雖能保護線路的全長，但動作時限太長。因此，它的保護范圍就必然會延伸到下一段線路的始端去。這樣，當下一段線路始端發(fā)生短路時，保護也會起動。為了保證選擇性的要求，須使其動作時限比下一段線路的瞬時電流速斷保護大一個時限級差，其動作電流也要比下一段線路瞬時電流速斷保護的動作電流大一些。略帶時限的電流速斷保護可作為被保護線路的主保護。
五、三（兩）段式過電流保護裝置
由于瞬時電流速斷保護只能保護線路的一部分，所以不能作為線路的主保護，而只能作為加速切除線路首端故障的輔助保護；略帶時限的電流速斷保護能保護線路的全長，可作為本線路的主保護，但不能作為下一段線路的后備保護；定時限過電流保護既可作為本級線路的后備保護（當動作時限短時，也可作為主保護，而不再裝設略帶時限的電流速斷保護），還可以作為相臨下一級線路的后備保護，但切除故障的時限較長。
目前在實際應用中，為簡化保護配置及整定計算，同時對線路進行可靠而有效的保護，常把瞬時電流速斷保護和定時限過電流保護相配合構(gòu)成兩段式電流保護。
六、結(jié)語
在城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中，各種類型的、大量的電氣設備通過電氣線路緊密地聯(lián)結(jié)在一起。隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，為了確保10KV供電系統(tǒng)的正常運行，必須正確地設置繼電保護裝置并準確整定各項相關定值。
【參考文獻】
[1]崔家佩，孟慶，陳永芳，熊炳輝．電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置整定計算[M]．水利電力出版社，1993．
[2]方大千．實用繼電保護技術[M]．人民郵民出版社，2003．
[3]吳潮輝．城市配電網(wǎng)規(guī)劃探討[N]．華南理工大學學報.
為使過電流保護具有一定的選擇性，各相臨元件的過電流保護應具有不同的動作時間。各級保護裝置的動作時限是由末端向電源端逐級增大的?？墒牵娇拷娫炊司€路的阻抗越小，短路電流將越大，而保護的動作時間越長。也就是說過電流保護存在著缺陷。這種缺陷就必須由電流速斷保護來彌補不可。
?。ㄋ模┻^電流保護的保護范圍
過流保護可以保護設備的全部，也可以保護線路的全長，還可以作為相臨下一級線路穿越性故障的后備保護。
四、電流速斷保護
（一）電流速斷保護
電流速斷保護是一種無時限或略帶時限動作的一種電流保護。它能在最短的時間內(nèi)迅速切除短路故障，減小故障持續(xù)時間，防止事故擴大。電流速斷保護又分為瞬時電流速斷保護和略帶時限的電流速斷保護兩種。
（二）電流速斷保護的構(gòu)成
電流速斷保護是由電磁式中間繼電器(作為出口元件)、電磁式電流繼電器(作為起動元件)、電磁式信號繼電器(作為信號元件)構(gòu)成的。它一般不需要時間繼電器。它是按一定地點的短路電流來獲得選擇性動作，動作的選擇性能夠保證、動作的靈敏性能夠滿足要求、整定調(diào)試比較準確和方便。
?。ㄈ┧矔r電流速斷保護的整定原則和保護范圍
瞬時電流速斷保護與過電流保護的區(qū)別，在于它的動作電流值不是躲過最大負荷電流，而是必須大于保護范圍外部短路時的最大短路電流。當在被保護線路外部發(fā)生短路時，它不會動作。
?。ㄋ模┧矔r電流速斷保護的基本原理
瞬時電流速斷保護的原理與定時限過電流保護基本相同。只是由一只電磁式中間繼電器替代了時間繼電器。
（五）略帶時限的電流速斷保護
瞬時電流速斷保護最大的優(yōu)點是動作迅速，但只能保護線路的首端。而定時限過電流保護雖能保護線路的全長，但動作時限太長。因此，它的保護范圍就必然會延伸到下一段線路的始端去。這樣，當下一段線路始端發(fā)生短路時，保護也會起動。為了保證選擇性的要求，須使其動作時限比下一段線路的瞬時電流速斷保護大一個時限級差，其動作電流也要比下一段線路瞬時電流速斷保護的動作電流大一些。略帶時限的電流速斷保護可作為被保護線路的主保護。
五、三（兩）段式過電流保護裝置
由于瞬時電流速斷保護只能保護線路的一部分，所以不能作為線路的主保護，而只能作為加速切除線路首端故障的輔助保護；略帶時限的電流速斷保護能保護線路的全長，可作為本線路的主保護，但不能作為下一段線路的后備保護；定時限過電流保護既可作為本級線路的后備保護（當動作時限短時，也可作為主保護，而不再裝設略帶時限的電流速斷保護），還可以作為相臨下一級線路的后備保護，但切除故障的時限較長。
目前在實際應用中，為簡化保護配置及整定計算，同時對線路進行可靠而有效的保護，常把瞬時電流速斷保護和定時限過電流保護相配合構(gòu)成兩段式電流保護。
六、結(jié)語
在城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中，各種類型的、大量的電氣設備通過電氣線路緊密地聯(lián)結(jié)在一起。隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，為了確保10KV供電系統(tǒng)的正常運行，必須正確地設置繼電保護裝置并準確整定各項相關定值。
【參考文獻】
[1]崔家佩，孟慶，陳永芳，熊炳輝．電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置整定計算[M]．水利電力出版社，1993．
[2]方大千．實用繼電保護技術[M]．人民郵民出版社，2003．
[3]吳潮輝．城市配電網(wǎng)規(guī)劃探討[N]．華南理工大學學報.