10kV 配电系统继电保护与继电保护常见故障分析

10kV 配电系统继电保护与继电保护常见故障分析

顼佳耀

内蒙古大唐国际锡林浩特发电有限责任公司  内蒙古自治区锡林浩特市  026000

摘要：配电系统是电力系统将电能传递给用户的载体，是电力系统中不可缺少的重要组成部分，直接影响用户供电可靠性，因此配电系统的安全稳定运行有着至关重要的作用。配电系统运行环境复杂，为了提高配电系统运行的可靠性，配置了大量的继电保护装置，继电保护装置能够在发生事故时及时发出报警或自动切除故障，保障电网安全稳定运行。为此，本文主要就10kV配电系统继电保护与继电保护常见故障进行了相关的论述，以供参考。

        关键词：10kV配电系统；继电保护；故障；措施

引言

随着中国社会经济的高速发展,各个产业对电力的需要量日益增大。10kV的配电系统在人类的生产生活中起了巨大的影响。基于此，文章重点研究了10kV配电系统继电保护及其意义,了解熔断器与继电保护的配合关系，并在此基础上提出了常见故障与措施，为有效促进我国电力企业的运行[1]。

1、10KV配电系统继电保护及其意义

        由于10kV配电系统是电力系统的重要组成部分，为了保证电力系统的安全稳定运行需要配置10kV继电保护。当电力系统工作异常或供电不足时，继电保护能够自动及时的向值班人员发出报警信号，并自动切断开关，以保护电力系统安全稳定运行，避免发生电力事故等危险情况。首先，10kV配电系统的继电保护是我国电力系统整体配置和协调的保障。覆盖范围广，应用范围广，在我国继电保护中迅速推广，现已成为我国电网工业发展的基础设备，已被全国电力网络的各个角落很好地复盖。其次，10kV配电系统继电保护为加强我国电网安全、稳定的运行发挥了重要作用。特别是配置了保护、功能齐全的安全自动装置。当电网发生故障时，继电保护装置能通过预警信号迅速通知电力工作人员，自动切断故障部件，隔离故障范围，保护电力系统的安全运行，避免故障范围扩大，在一定程度上确保了电力系统的安全稳定运行，从而减少企业的供电和经济损失[2]。

2、10kV配电设备熔断器和继电保护的配合关系

        在大多数厂站中，部分10kV干式变压器使用熔断器作为保护。当发生故障时，熔断器中保险丝切断故障电流，以保证非故障设备的持续运行。熔断器的保护特性具有反时限动作特性，故障电流越大，动作时间越短。根据熔断器反时限保护特性曲线分析如下：

图1  熔断器反时限特性曲线

 2.1对于100A熔断器
        (1)与前加速过流保护配合：当剩余电流大于约1500A时，前加速过流保护动作延时为0s。加上断路器的固有分断时间，故障切除时间一般会在0.06s以内，熔断器故障切除时间为0.1s。因此，如果剩余电流较小，前加速过流保护会先于熔断器动作；

        (2)与零序加速电流保护配合：零序故障电流大于1000A时，零序加速电流保护动作，动作时间为0s；100A保险丝在1000A剩余电流时动作时间为0.5s。理论上最大零序故障电流不应超过1000A，因此在接地故障情况下，熔断器动作时间与零序加速电流保护动作时间不重合，零序加速电流保护先于熔断器动作；

        (3)与过流保护配合：当出现故障时，100A熔断器和过流保护必须完全配合；

        (4)与零序电流保护配合：厂用电继电保护整定计算导则规定，保护装置有大电流闭锁保护跳闸出口功能时，零序电流保护动作时间可取0.1s，故只有当零序故障电流大于约1200A时，100A熔断器和零序电流保护才能完全配合工作。如果零序故障电流小于1200A，100A熔断器将不配合零序电流保护。
        2.2对于80A熔断器
        (1)与前加速过流保护配合：如果故障电流大于约1200A，则熔断器响应时间为0.06s，熔断器和加速过流同时动作。

        (2)与零序加速电流保护配合：对于经小电阻的接地系统，零序电流最大值不得超过1000A，运行时间最大可取0.1s，因此接地故障时的保护不能配合零序电流在加速前的响应时间。故零序加速电流保护可以先于熔断器动作。

        (3)与过电流保护配合：80A熔断器的与过电流保护完全兼容。

        (4)与零序电流保护配合：80A熔断器，在故障电流为1000A时，动作时间为0.1s，与零序电流保护一致。

概括地说，对于100A和80A熔断器的配电系统:

        a.发生相间故障时，前加速过流保护和熔断器同时起作用，通过串联关系消除了选择性。

        b.单相接地故障时，零序加速电流保护可先于熔断器动作，并通过局部选择性充电(熔断器插头80A)进行修正。对于100A的熔断器，只有故障电流大于1200A才能满足兼容性要求。
3、10kV配电系统中继电保护的有效配置
        10kV配电系统运行主要有三种状态，也就是正常运行（各种设备以及输配电线路、指示、信号仪表正常运行），异常运行（电力系统正常运行被破坏，但未变成故障运行状态）以及发生故障（设备线路发生故障危及到电力系统本身，甚至会造成事态扩大），按照10kV电力系统和供电系统设计规范要求，就必须要在其的供电线路、变压器、母线等相关部位配置保护设施，如下：

        3.1 10kV线路过电流保护
        一般10kV线路上最好要设置电流速断保护，它是短时限或无时限动作的电流保护，主要有瞬时电流速断和短时限电流速断，能够在最短时间内迅速切断短路故障，从而降低故障持续时间，有效控制事故蔓延，因此电流速断保护常常被用到配电系统中重要负荷引出线路里，如果有选择性动作保护要求，就可以采取短时限的电流保护装置。
        3.2 10kV配电系统中变压器的继电保护
        一般配电系统供配电线路出现短路，其电流很高时，也可以采用熔断器保护，这种保护装置有一定条件。如果在10kV配电系统中，其变压器容量小于400kVA情况下，就可以采用高压熔断器保护装置，该装置能够几毫秒内切除故障，如果其变压器容量在400kVA~630kVA区域内，且其高压侧采用断路器的情况下，就要设置过电流保护装置或者过流保护时限大于0.5秒的电流速断保护。
        3.3 10kV分段母线的继电保护
        10kV的分段母线也要设置电流速断保护，因为断路器合闸瞬间，其电流速断保护就发挥其应有作用，断路器合闸后，电流速断保护就会解除保护作用，主要为了防止合闸瞬间电流过大损坏电力设备和线路。此外，10kV分段母线也要设置过电流保护装置，要解除其瞬间动作（反时限过电流保护中）[3].
4、10kV配电系统继电保护装置要求
        10kV配电系统的继电保护装置也有诸多原则，主要要符合选择性、可靠性、速动性、灵敏性等要求。

  4.1 选择性原则
        电力系统发生故障时，继电保护装置必须要发挥其及时断开相关断路器的功效，而选择性则是指断开的断路器必须距离故障点最近，才能确保切断隔离故障线路，使得其他非故障线路能够顺利正常工作。
        10kV配电系统电气设备线路中的短路故障保护（主保护和后备保护）就是遵循了选择性原则，其主保护能够最快有效切除线路故障，后备保护则是在主保护/断路器失效时，发挥效用切除故障，两者同样重要。
        4.2 灵敏性原则
        继电保护范围内，一般不管哪种性质、那种位置短路故障，保护装置都要快速反映出来，如果故障发生在保护范围内，保护装置也不能发生误动，影响系统正常运行，因此继电保护装置要想其保护性能良好，就必须要有极高的灵敏系数。
        4.3 速动性原则
        继电保护装置切断故障时间越短，其短路故障对线路设备造成的损坏后果就越小，因此继电保护装置通常都被要求要能用最快速度切断线路，也就是要有很高的速动性，目前我国断路器跳闸时间在0.02秒以下。
        4.4 可靠性原则
        继电保护装置必须要随时待命，处于准备状态并在需要时做出准确反映，因此保护装置的设计方案、调试和整定计算要求就很高，且其本身元件质量过硬和运行维护要合适、简化有效，因此继电保护装置效用发挥才能可靠。
5、10kV配电系统继电保护常见故障
        5.1 设备老化严重
        现阶段我国配电系统中使用的继电保护设备大部分比较老旧，自动化程度不高，导致继电保护装置不能充分发挥其作用。比如很多老式继电保护装置的节点处多出现氧化，这样会导致继电保护装置的敏感性和准确性下降，很容易出现当电力系统出现故障时继电保护拒绝启动应急处理方案或者当异常问题较轻不会对电子系统构成威胁时启动了应急处理方案，把电器元件与整个电力系统进行了分离，甚至是越级跳闸问题的频出。
        5.2 短路电流造成电流互感器瞬间饱和
        配电系统中的供应电流一般都很大，当变、配电所出口处发生短路时，短路电流甚至可以达到电流互感器一次侧额定电流的几十甚至几百倍，使电流互感器变比的误差加大，电流速断保护可能停止工作。短路造成电流互感器饱和，定时限过流保护装置拒动，从而扩大了故障影响的范围，严重时可能导致整个配电系统瘫痪。
        5.3 励磁涌流的影响
        电流速断保护中没有将配电变压器正常运转时产生的励磁涌流这一影响因素给予足够的重视和充分的考虑，会导致这时的励磁涌流初始值远远大于无时限电流速断保护值，这就造成一些厂站输出线在检修问题时能正常工作运行，而当合上电器开关时反倒容易启动跳闸这一保护处理机制，更有甚者会在电力系统运行过程中多次出现跳闸问题。
6、应对措施
        6.1 加大资金投入，更新老化设备
        随着社会的进步和科技的发展，配电系统继电保护装置和技术得到了很大改善。为了提高继电保护的效用和性能，需要与时俱进地更新已经老化或者频出故障的继电保护设备，同时加大对继电保护工作的资金投入，以用来购买先进的继电保护设备，学习先进的继电保护技术，加强与发达国家的技术交流互动，了解相关领域的最新动向和研究成果，使继电保护系统更好地发挥作用，保障配电系统的正常运转。

        6.2 防止励磁涌流引起误动
        励磁涌流的衰减情况与时间之间有着密切的联系。根据现有的研究成果显示，10 个工频周波后，衰减后的涌流基本无法通过非实验室的方法检测。基于上述情况，在保证装置流畅执行输出元件速动性的基础上，应根据实际情况延长发出动作指令的时间，从而有效解决上述问题。根据经验，延时0.1～0.5s即可有效地降低励磁涌流对继电器的负面影响。
        6.3避免短路电流造成电流互感器瞬间饱和
         在实际工作中，可通过提升电流互感器变比的方式满足其载荷需求。通常情况下，可根据实际使用需求来确定其比例。当配电装置输出短路时，电流互感器主侧短路电流可达额定电流的数十倍甚至数百倍，从而增加电流互感器的转换误差，进而触发保护动作。但是电流互感器会因短路饱和，导致电流保护装置被锁定，扩大了故障的影响范围，严重时可能导致整个配电系统瘫痪。因此，为了解决电流饱和问题，可以通过提高电流互感器变比来满足电流负载要求。另外，将电流互感器保护装置与测量仪表分离、缩短二次侧回路、增大二次侧回路电缆截面，可进一步降低二次负荷。
        6.4防止励磁涌流引起误动
        作为电流保护的一部分，配电变压器正常运行所产生的励磁涌流的影响因素没有得到充分研究和认识，励磁电流的初始值远高于极限电流保护的初始值，这可能导致某些输出线路出现故障。因此，相关运维人员应更加注意励磁涌流的影响。由于电流在传输中会产生减弱现象，这与传输的时间密切相关。根据经验，可以延长电流保护延时，能有效解决此现象。
    6.5加强技术创新
        技术创新不仅仅指的是继电保护设备的技术提升，同时也包含使用人员在操作过程中的技术。继电保护设备创新可以从两个方面入手。一方面，由于设备自身材料的创新，在耐热性与传感度方面需要更灵敏一些，同时，在设备报警装置中，保护装置的判断以及反应时间要有所提升，这样距离较长的线路发生故障能够在短时间内被发现，并得到及时有效的处理；另一方面，工作人员在设备养护时，应操作规范，在使用过程中，正确的操作流程能够延长设备的使用寿命，设备在判断故障时的误差就会降在最低值。

7、10kv配电系统的有效继电保护所带来的意义
        根据10kV配电系统继电保护故障与具体实施方法，论述了10kV配电系统有效继电保护的现实意义：
        7.1保证整体电路的安全性
        10kV配电系统继电保护可在意外停电时发挥良好的预警作用。例如，如果电路由于外部环境或事故而损坏或无法正常供电，则继电保护可提供早期警告、自动切断电路或快速警告。这些措施对于确保电路的总体稳定和安全以及尽量减少事故造成的损害非常有效。
        7.2促进我国电力系统的整体发展
        一方面，由于10kV配电系统中继电保护的覆盖面和应用范围广，不仅在电厂中应用广泛，且分布在我国农村和城市的各个方面。这是我国电力系统运行发展的重要保证，保持了电力系统的机动性。另一方面也给人们的生活带来了有利条件，促进了我国电力经济的稳步发展。
8、结语
总之，继电保护技术正在不断的发展，在这个过程中，由于技术本身存在问题以及操作工人的问题等，或多或少会出现各种问题，但是继电保护技术的发展是电力系统不可逆转的发展趋势，所以相关工作人员要加紧继电保护技术的研究，同时对新技术的应用进行跟踪调查，尽快寻找到真正适合配电系统运行的继电保护技术，为电力系统的安全运行做出贡献。
参考文献：
[1]刘小峰. 智能配电系统规划与建设.产业经济[J],2020-12.
[2]刘通,吴君龙,安红伟. 关于10kV配电系统继电保护与继电保护常见故障.电力系统及自动化[J],2019-02.
[3]许汝松,杨涛. 10kV及以下配电线路的运行维护管理分析[J]. 通信电源技术,2018,35(6):253-254.
[4]郭豪. 继电保护装置及二次回路隐性故障探讨[J]. 建筑工程技术与设计, 2017, 000(023):3395-3395.