水电站厂用电系统电流保护定值在线整定的研究

摘 要：本文首先对水电站厂用电系统的电气系统特点进行了分析，由于水电站厂用电系统多为辐射型网络，其母线之间的联络线较多，10kV及400V负荷变化较大，采用传统继电保护定值整定方法对水电站厂用电系统做离线整定，所得到的电流保护定值会造成保护拒动，或者越级误动的情况，不满足灵敏度及选择性的要求。针对这一系列问题，采用在线整定技术，在短路计算中选取实时的系统阻抗及负荷电流，并在定值计算中参考自适应继电保护的整定计算方法，实时的计算出当前运行方式下的保护定值，以获得最佳的保护性能。然后，以某电厂厂用电系统参数为原始数据，通过对算例中继电保护定值的计算，验证了厂用电系统电流保护定值在线整定相对离线保护的优越性以及其可行性。

关键词：水电站； 厂用电；继电保护；在线整定

一、概述

水电站厂用电系统作为低压配电网系统，其拓扑结构为多电源辐射状，其继电保护定值整定方法一般为传统离线整定方法，主要采用电流速断保护、定时限电流速断保护和过电流保护组成的三段式电流保护。但是水电站厂用电系统的运行方式变化较大，主要是受到水电站厂站内的负荷（厂用负荷、水系统、油压系统）投切，厂用电各级分段开关自投配合等影响[1]。如果采用传统三段式电流保护对水电站厂用电系统进行保护定值整定，会造成保护拒动，或者越级误动的情况，不满足灵敏度及选择性的要求。

为了解决离线整定计算出现的问题，文献[2]提出了一种在线整定计算模式，继电保护在线整定计算是指根据系统当前运行状态和继电保护装置的定值，在系统运行状态发生变化时，在线自动确定继电保护的新定值，并通过网络自动改变各装置的定值。在线整定定值计算出来以后还需要经过校验，文献[3，4]对整定定值的在线校核做了进一步的研究，能够校验实时计算出来的定值是否满足选择性和灵敏度的要求。

本文根据水电站厂用电系统的结构特点，将在线整定技术用于其电流保护的定值整定中，以某电厂厂用电系统的实际参数作为实例的数据，进行离线和在线的定值整定计算以及校核，通过计算结果分析了在线整定技术相对于离线整定的优越性以及其可行性。对水电站厂用电系统电流保护在线整定的研究能够解决配电网继电保护中存在的一系列问题，对于配电网自动化有着重大的意义。

二、 水电站厂用电系统电流保护离线整定的问题

1.水电站厂用电系统继电保护的特点

水电站厂用电系统接线通常采用单母线接线形势，高压厂用母线由工作电源和备用电源双路供电，低压厂用电源由接在不同母线上的变压器经降压后供电。因此，10kV/6kV母线的联络线较多，馈线所带负荷均为大电机负荷，且多数馈线及联络线的长度较短，一般为50～200m，其下级400V负荷大部分为水泵、油泵、阀门等启动电流较大的负荷。水电站厂用电系统继电保护一般仅装设变压器差动保护和三段式电流保护，其中以三段式电流保护作为主保护。

2.水电站厂用电系统电流保护的整定计算

根据水电站厂用电系统继电保护的特点，选取某水电站厂用电系统两条10kV馈线的典型接线形式，实例计算电流保护的整定定值。例图见图1，保护安装点均在距线路首端或者末端25%处。

图1 某水电站厂用电系统典型接线图

根据某电厂厂用电系统参数，按照离线整定计算方法，即I段以最大运行方式下线路末端短路电流整定；II段以下级线路I段定值以及本线路分支系数整定，其中，分支系数的阻抗计算将记及本线路的全长；III段定值则是以本线路的最大负荷电流整定。离线整定计算结果如表1所示。

表1 厂用电典型接线形式下电流保护离线整定定值

序号 离线整定值

I（kV） II（kV） III（kV） L（km） K

1 - - 0.828 - -

5 1.026 - 0.828 18.22 -

9 1.011 0.6750 0.6 18.856 0.7103

11 30.61 - 4.95 -0.247 -

注：“-”表示未装设该保护；“L”为I段保护范围；“K为II段灵敏度系数”

根据以上分析可知，电流I段保护定值整定中，保护1和保护9的保护范围18km远远超出了本线路200m的长度，显然在下级400V线路出现故障或过负荷的情况下，会造成越级误动。而保护11处I段保护范围为负值，即保护11的I段电流保护没有保护范围，造成这种情况的主要原因是本段线路太短，计算出的系统阻抗跟线路变压器支路阻抗相差太大，导致运行方式变化较大。

在II段保护定值的整定中可以看到，保护9的灵敏度系数不满足要求，是由于线路变压器阻抗与系统阻抗的比值较大，计算出的分支系数Kb较小，导致灵敏度系数会偏小。

III段电流定值中，保护1，保护5，保护9的III段定值很接近I段定值，当III段定值的灵敏度较小时，很可能会造成I段电流速断保护误动作，这是由于负荷电流选取的是最大电流，而在水电站厂用电系统中，负荷主要来自辅机水泵和油泵电动机，只有在电动机切换的时候会产生大电流，因此，按照实时负荷电流，正确选择电动机综合自启动系数就可以躲过电动机启动电流，而不必都按最大负荷电流整定。

三、水电站厂用电系统在线整定技术的研究

由于传统方式在大多数情况下并不是系统实际运行方式，因而离线整定所得定值必然使保护性能在很多方式下受到不同程度的影响。特别是面对运行方式变化频繁的水电站厂用电系统，某些特殊运行方式下的离线整定定值必须在补算时考虑[5]。

而在线整定模式下可以实时跟踪系统运行方式的变化，使保护定值与系统的当前运行方式紧密联系在一起，与离线整定模式相比，可以使保护处于最佳工作状态，不仅可以保证保护的选择性，还可以大大提高灵敏度，从而使保护性能达到最佳[2]。

在线整定采用自适应电流保护的整定计算对于I段和III段电流保护的计算方法[6，7]，在分支系数的计算以及短路电流的计算上，借助EMS/SCADA系统采集的电力系统实时数据，计算过程以及在上下级定值配合上同离线整定相同。

三段电流保护的计算方法如下：

1）I段电流速断保护在线整定定值可表示为：

保护范围

其中Kd为故障类型，Zd为短路点到保护安装处的阻抗。

从上式可以看出，在线整定方法计算的电流保护范围与故障类型无关，它的大小取决于阻抗的大小。

2）II段限时电流速断保护定值的整定主要体现在分支系数的计算上面。由于厂用电系统为辐射型网络，对于分支系数和助增系数的计算采用传统方法可以实现，在此，在线整定方法对于分支系数的计算，仅在故障线路阻抗的选取上与离线方式不同。在离线整定中，分支系数计算故障线路全段的电流分支，而在线整定方法仅计算该条线路故障点之前的阻抗。

3）III段定时限过电流保护的定值按照实时的负荷电流来整定起动电流的定值；动作时限可以按反时限特性来整定。假设实时的负荷电流为IH ，其动作电流就整定为

其中Krel为可靠系数；Kcc为电动机综合自启动系数；Kre为返回系数。

按照上述三段式电流保护在线整定方法，计算图1所示的保护1，5，9，11处的电流保护定值，结果如表2所示。

表2 在线定值计算结果

序号 在线整定值

I（kA） II（kA） III（kA） L（km） K

1 - 0.414

5 1.028 0.414 20.854

9 1.035 0.8206 0.300 20.023 1.185

11 30.708 2.475 0.131

比较表2.2和表3.1可以看出，非配合段的离线定值和在线定值是有差别的，其中，非配合段的保护范围差别明显，而且在配合段分支系数的计算也有差别；灵敏度系数在线整定的情况下比离线整定更接近于1.2，部分灵敏度已经符合要求。造成这种情况的原因主要是由于在最大最小运行方式下，线路长度较短，故障点选取不同以及整定计算方法的差异。对于III段定值可以明显的看到在线定值采用实时负荷电流来整定，要比最大负荷电流小很多。

四、结论与展望

本文从理论上研究了水电站厂用电系统电流保护定值的在线整定技术，以某电厂厂用电系统的实际参数为例，计算了电流保护的离线定值，分析了离线定值中I段选择性，II段灵敏度以及III段与I段配合整定等出现的问题，针对这一系列问题，采用在线整定技术对同一个实例进行在线整定计算，通过比较两次整定计算的结果可以看出，在线整定技术应用于水电站厂用电系统中是可行的。

参考文献：

[1]李咸善，王珠峰，王晓健，喻明.水电站复杂厂用电保护整定值配合研究[J].水电自动化与大坝监测.2011，12，20.

[2]段献忠， 杨增力， 程逍. 继电保护在线整定和离线整定的定值性能比较[J]. 电力系统自动化，2005，29（19）：58-61.

[3]孙宏斌. Modeling， Simulating and Online Setting-Checking for Protective Relay. State Key Lab of Power Systems， Dept. of Electrical Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China.

[4]谢俊， 石东源， 杨增力， 段献忠. 基于多系统的继电保护定值在线校核预警系统[J]. 电力系统自动化， 2007， 31（13）： 77-81.

[5]张锋， 李银红， 段献忠. 电力系统继电保护整定计算中运行方式的组合问题[J]. 继电器. 2002，30（7）：23-26.

[6]葛耀中. 新型继电保护与故障测距原理与技术[M] .西安：西安交通大学出版社 ，1996.

[7]葛耀中. 自适应继电保护及其前景展望[J]. 电力系统自动化，1997.9 21（9）：42～46

作者简介：常鹏（1987年—） ，男，湖北省丹江口市人；三峡大学电气与新能源学院、研究生；研究方向电力系统继电保护。

范开明（1986年—） ，男，湖北省咸宁市人；三峡大学电气与新能源学院、研究生；研究方向电力系统继电保护。