配电线路继电保护配置的改进措施

(鄂尔多斯康巴什供电局，内蒙古 鄂尔多斯 017000)
摘 要：针对现有中低压系统保护存在的问题，论证了配 备新型装置的必要性和可行性，提出了将成熟的纵联保护原理与网络通信技术相结合，构成 中低压系统纵联保护的改进措施。
关键词：配电系统；继电保护；改进措施
中图分类号：TM77  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)07—0172—04

近几年来，我国对中低压配电系统的改造取得了长足的进展，以配电网自动化为代表的各种 自动化监控技术逐步得到应用。配电技术的这些发展，提高了供电的可靠性、改善了电能的 质量、减少了网络的损耗，社会经济效益十分明显。

中低压配电系统的继电保护，大多数也都采用了微机保护技术，与常规保护相比，在性能上 有了较大的改善。但是，在继电保护的原理和配置方面，并没有多少突破，多数仍采用与传 统电磁式保护相同的阶段式(三段或二段)时限配合的电流保护、电流电压连锁保护等。

在过去，由于技术、资金和观念等方面的原因，人们对中低压电网的重视程度普遍不高，继 电保护配置的原则是简单、可靠，对灵敏度和动作速度方面的要求较低。随着电力系统的发 展，配电系统的结构、短路电流的水平、用电负荷的性质等都发生了很大的变化，传统的保 护原理和配置方式已经逐渐难以满足现代配电系统的要求。

本文将对传统的保护原理和配置方式进行分析，指出存在的问题，探讨以较小成本将高压系 统中已经比较成熟的纵联保护原理移植到中低压系统的方法。
1 中低压线路继电保护配置情况和存在的问题

众所周知，选择性、灵敏性、速动性和可靠性是对继电保护装置的四项基本要求，也是分析 、评价继电保护装置性能优劣的重要标准。下面就结合这些指标，对当前配网保护的情况进 行分析。

35kV及以下电压等级中低压系统，从电网结构上看主要有单电源辐射性结构、“手拉手”供 电结构、可重构的配电网结构以及与地方小电源并网连接的双电源结构等。对于前三种电网 结构，其继电保护目前基本上仍是阶段式(三段或二段)时限配合的电流保护、电压闭锁电 流保护等，而对双侧电源的中低压联络线路，目前继电保护的配置主要有两种模式，一种是 线路两端均装设阶段式的方向电流保护、方向电压闭锁电流保护或带方向的距离保护，另一 种是装设基于通信的纵差保护。

阶段式时限配合的电流保护、电压闭锁电流保护和距离保护，通过定值、时限的配合来获得 选择性，从原理上就决定了每条线路中仅有部分区段中的故障能够被无延时地快速切除 ， 其余部分的故障则要经 0.3～0.5s或更长的延时后才能切除，使故障有较长的持续时间。此 外，阶段式保护还存在着灵敏度低、整定计算复杂、动作性能受运行方式影响大等缺点。

就其实质而言，阶段式保护实际上是通过牺牲灵敏性和速动性来换取选择性的。例如III段 保护的测量元件虽然灵敏，但不具备选择性，必须整定较大延时才不至于误动；而I段保护 不需要延时，但为保证其选择性，必须使灵敏度很低，有些情况下甚至没有保护区。

中低压系统故障的延时切除，虽不会造成系统失步、大面积停电等极其严重的后果，但仍会 有较大的危害，主要表现在以下几个方面：①故障切除时间加长将可能导致故障设备及相邻设备严重烧毁，甚至引发火灾、爆炸等 灾难性事故，使故障影响扩大，危害程度增加。②在电动机负载较多的情况下，可能会引发电压稳定性问题，造成甩负荷现象。发生短 路故障时，系统电压降低，接在同一系统上的电动机转速下降，如果故障切除时间较长，则 电机转速就会有较大的下降，故障切除后系统电压趋于恢复，这时转速已经下降了的电机自 启动，需从系统中吸收大量无功电流，但此时向系统提供无功的并联补偿装置的输出却因电 压降低而按平方关系减小，大量缺额的无功电流不得不从电源端吸收，无功电流的传输将使 线路压降急剧增加，可能导致电机的机端电压不仅不能恢复，反而继续下降，最终导致电压 崩溃，大量电机因失压被甩掉。这种因为保护动作缓慢而引发的大量甩负荷现象，已在不少 工矿企业中多次发生，经济损失十分严重。如果故障能够快速切除，则由于惯性作用在故障 切除时电机转速仍然较高，切除后不会出现自启动现象，上述问题也就不会发生。③近年来由于变频调速设备、微机集控设备、可编程逻辑控制器、自动化流水生产线以 及计算机服务器等敏感性设备的大量使用，对供电电源的电压质量提出了很高的要求，特别 是对短路故障以及短路故障切除后大量电动机自启动引起的电压跌落，有十分严格的要求。 电压跌落的程度、持续时间及其危害性，都与故障持续的时间即继电保护装置的动作时间密 切相关，故障持续时间越长，电压跌落造成的危害就越大。④故障的延时切除，可能会导致本属于瞬时性的故障发展成永久性故障、两相故障发展 成三相故障，使重合闸的成功率降低，故障的危害程度加大。

电网改造后，配网与电源间的电气距离变短，系统的短路容量增加，短路的危害性更大，延 时切除故障可能会造成更为严重的结果。而在另一方面，配网改造后供电半径的缩小(特别 是城市供电系统和工矿企业供电系统情况更为突出)，配电线路的长度缩短，线路首、末端 短路时短路电流的差别变小，使按躲过末端短路最大电流整定的无时限电流速断保护(即电 流I段)保护区变小，甚至没有保护区；限时电流速断保护(II段)需与下一条线路I段相配 合，其定值也将难以确定，这样将可能使线路大部分区段的故障需要经过0.3s～0.5s或更 长的时限切除。
2 中低压线路继电保护配置的改进

上述分析表明，配电网改造后，使配电线路继电保护的运行条件将更加严酷，传统的阶段式 时限配合的线路保护的配置模式已经不能很好地满足电网对继电保护的要求，有必要研究探 讨新的保护原理或配置方式［1］。

纵联电流差动保护、纵联方向比较式保护的原理已经十分成熟，并已在超高压系统、高压系 统以及部分中低压联络线中得到广泛应用，取得了十分成功的运行经验和理想的运行效果。 与阶段式保护相比，纵联保护具有动作时间短、灵敏度高、选择性好以及相互之间配合方便 等一系列优点。如果能够根据中低压配电系统的特点，结合现代低成本、高性能的通信手段 ，将这种纵联保护原理移植到配电系统，就能够在不增加太多投资和施工改造、维护工作量 的前提下，大大提高配电系统保护的性能，有效减少因保护灵敏度低、动作时间较长而产生 的巨大损失。

从理论上讲，无论是在高压或超高压的输电系统，还是在中低压的配电系统，基于基尔霍夫 电流定律的纵联电流差动保护都是原理最为完备的保护。但它需要同时采集并实时交换被保 护线路两端的电流信息(电流瞬时值或相量)，必须有同步采样的控制措施，需要交换的数 据信息量较大，因而其保护设备制作比较复杂，对通信通道的要求也比较高。由于技术复杂 、要求较高，所以目前电流差动保护的价格还比较高，工程造价还比较大，只能用在有条件 敷设光纤、数字微波通道或专用导引线通道、且其他类型的保护无法满足系统要求的输配电 电网中。

纵联比较式保护仅需要比较被保护线路两端的状态信号，其信息的实质就是一位二进制数。 只要能把这一位二进制数快速、可靠地传到另一侧，就可以方便地实现纵联比较。所以这种 保护原理实现较为简单，对通信通道的也没有很高的要求，不会增加太多的投资和维护工作 量。

综上分析，对配电系统来说，在当前的经济技术条件下，应优先考虑用纵联比较方式来加快 继电保护的动作速度，在将来电流差动保护价格大幅度下降后，也可以采用电流差动保护。 本文将对适合于配网系统的纵联比较保护原理以及适合于这种保护的通信手段进行分析和探 讨［2-3］。

从理论上讲，应用于高压及超高压系统的纵联比较原理和技术都可以应用于中低压的配电系 统。但受成本、投资和维护工作量等方面的限制，且考虑到配网保护在速动性和可靠性的要 求不如高压及超高压系统严格，所以应根据配网系统的特点，在满足基本要求的基础上对保 护系统的构成适当简化。

在纵联比较式保护中，纵联信息的利用有两种方式，即闭锁式和允许式。从信息交换和利用 的角度来说，闭锁式保护交换的是外部故障信息，只要任何一侧感受为外部故障，就说明是 外部故障，感受外部故障的一侧向对侧发出闭锁信号，使两侧都不动作；而在两侧都感受不 到外部故障时，说明为内部故障，互不发闭锁信号(即不必交换信息)，两侧保护都能快速 跳闸。

允许式保护包括超范围允许和欠范围允许两种。超范围允许式保护传送的是“非本侧区外故 障”的信息，若两侧都感受到“非本侧区外故障”，则一定是区内故障，互发允许信号，各 侧都能快速跳闸；而任何一侧感受到“本侧区外”故障时，就一定是区外故障，它不向另一 侧保护发允许信号，使各侧保护都不会误动。欠范围允许传输的是I段保护元件动作的信息 ，当本侧I段保护已经动作时，说明故障一定是在区内，此时发出信息，允许对侧跳闸。

理论分析和运行经验都表明，闭锁式和允许式各有优缺点。闭锁式需要传输外部故障的信息 ，若外部故障时闭锁信息不能及时传到对侧，则有可能导致对侧保护误动作；允许式保护需 要传输“非外部故障”的信息，在非外部故障的情况下，若不能将允许信息传送到对侧，则 可能导致对侧保护拒动。考虑到因信号不能正常传输而导致的纵联保护拒动问题可以由传统 的阶段式保护来补救，且允许式保护灵敏度配合方便，动作速度快，所以应优先考虑。

配电系统中的线路主要有两种，一种是单侧电源的供电线路，另一种是双侧电源的联络线路 。图1为单侧电源系统，这时通常线路末端不装设断路器、电流互感器和保护装置，被保护 线路L1全线的故障以及下一级变电站母线2的故障都应该由保护K1动作跳闸。

在这种情况下，可以利用“母线2电压降低(或有较大变化量)，但所有出线过流元件都不 作”作为故障不在母线2下游出线上的判据。满足该判据时立即向保护K1发允许信号，如 果K1过流元件动作，说明故障一定在线路L1上或母线2上，K1在接到变电站2发来的允许信号 后可以立即跳闸，快速将故障切除。如果K1的过流元件不动作，说明被保护区域内没有故障 ，即使收到允许信号也不会动作。K1处过流元件动作，但收不到允许信号时，可能对应两种 情况，一种是故障在母线2下游，不满足发送允许信号的条件；另一种情况是2处信号已经发 出，但因通道问题导致K1没有收到。在此情况下，保护K1仍按传统的阶段式保护原则动作， 经预定的延时配合后跳闸。

可见，这种纵联保护可以称之为“允许式加速保护”，收到允许信号时，就将阶段式保护中 第二段或第三段的延时短接掉，不经延时直接跳闸，而收不到允许信号时，其性能还是传统 的阶段式保护。

单电源“手拉手”供电线路、带环网柜的配电线路都可以应用这种“允许式加速保护”实现 快速故障切除。

对于双电源的联络线路，线路的两端都应该装设断路器、互感器和保护装置，线路内部故障 时，应立即跳开线路两端的断路器。在构成纵联保护时，通常用方向元件或距离元件作为测 量元件。但是配电系统的联络线路，一般都是典型的弱馈线路，即一端接至容量较大的电力 系统，另一端接至容量较小的地方电厂，这种线路发生短路时，小电源端提供的短路电流较 小，可能会出现弱馈侧测量元件动作灵敏度不足，因而无法向系统侧保护发允许信号的问题 ，导致两侧保护拒动。由于在这种系统中，小电源端反向短路时流过两侧保护的短路电流均 由系统侧提供，所以反向故障时一般不存在灵敏度不足的问题，这时可以采用“小电源侧母 线电压降低，但反向方向元件不动时就准备动作，并向对侧(大电源侧)发允许信号”的措 施。这样，被保护线路内部故障时，无论小电源侧的正向方向元件能否动作(假定大电源侧 可靠动)，两侧都能快速跳闸；而当小电源侧系统发生故障时(对被保护线路来说为区外故 障)，小电源侧的反向方向元件动作，不会向大电源侧发送允许信号，两侧都不会误动。
3 关键技术措施

纵联保护的原理已经十分成熟，将这一原理应用于配电系统保护的关键，就是如何利用现有 的各种低成本的通信手段，快速、可靠地进行比较信号的传输。在配电系统中可用的通信方 式主要有专用或复用光纤、专线、电力线载波、无线电台、租用电话线、移动通信资源等， 下面就以构建允许式纵联保护为例，探讨如何将这些通信手段直接或经简单改造后应用于继 电保护信号的传输。

允许信号传输的时间，包括发信装置的启动时间、通道传输时间、通道的切换时间或交换式 通道的交换寻址时间、收信装置动作的时间。在这四项时间中，启动时间、传输时间和接收 装置的动作时间都很小，且比较容易控制，而不同通信模式中复用通道的切换时间、交换式 通道的交换寻址时间可能较长，必须采取措施，尽量缩短该时间。
3.1 光纤通道

在有条件敷设光纤的情况下，应尽量应用光纤来传输继电保护信号。光纤传输容量大、可靠 性高、多种业务复用方便、传输及切换延时小，完全能够满足纵联比较式继电保护对通信通 道的要求。近几年随着配电自动化技术的兴起，许多配电变电站、开闭所、开关站、环网柜 、甚至配电变压器等处都已经敷设光纤线路，利用这些光纤设施，在不需要增加太多设备和 投资的情况下，就可以构成纵联原理的配电线路继电保护。
3.2 专线通道

专线通道就是为传送继电保护信号专门设立的有线通道。该专线可以是双绞线、同轴电缆， 甚至也可以是普通的控制电缆。这种通道仅用在被保护线路较短的场合(例如在大型工矿企 业中)，允许信号宜以开关量(即继电器干接点)的形式传输。这种通道基本不存在延时， 在专线长度不太长的情况下可靠性也比较高。
3.3 电力线载波

在高压和超高压系统中，电力线载波曾是纵联保护交换信息的主要形式，随着光纤技术的引 入，其应用有所减少，但目前在双重化保护配置中，通常还是有一套纵联保护应用电力线载 波通道。在中低压配电系统中，也可以应用载波来传输纵联保护信号，但中低压线路通常有 较多分支，如果每个分支的末端都装设阻波器和结合设备，投资会比较高，如不装设阻波器 ，信号衰耗可能比较大。所以，这种模式适合没有分支线的配电线路。
3.4 无线电台

在采用“允许式加速”方案的情况下，应用无线电台传输信号比较方便，在被保护线路的末 端，仅需要装设一个定向的无线发射机，而在首端仅需安装一台接受机。在末端感受到“非 外部故障”的情况下，启动发射机发送信号，只要首端能够收到该信号，就允许加速其保护 。这种通信方式存在的缺点是只能用于通信视野较好的平原地区，在有较多高大建筑物的城 市或多山地区无法应用。此外，普通无线电台有一定的发射启动时间，应设法将该时间限制 在允许的范围内(比如不大于几十毫秒)。
3.5 租用电话线

目前情况下，应用公用电话系统传输继电保护信号还无法被继电保护人员所接受，原因就是 对电话系统的可靠性存有担心，但如果采取前述的“允许式加速”方案，由于它对通道的要 求比较低，信号不能正常传输造成的损失比较小，所以还是应该能够应用的。

租用电话线有两种工作模式，一种是专线模式，即需要交换信息的两端长期占用一条电话线 路，这种模式不存在传输速度方面的问题，但费用可能会比较高；另一种模式是拨号寻址模 式，这种模式中，在被保护线路发生故障时，末端的“话机”先通过拨号的方式联通首端“ 话机”，然后进行信息的传输。在目前技术条件下，这种拨号方式的接通时间还比较长，无 法满足继电保护快速性的要求，但考虑到这两个“话机”只需相互通信而在任何情况下也不 需要与其他“话机”通信，也有可能简化两者之间建立链接的时间，若该时间降至几十毫秒 ，“允许式加速”的方案就有应用价值。如何减少链接时间，将是今后需要研究的内容。
3.6 利用移动通信资源

近年来移动通信技术得到了十分迅速的发展，除通话外，各种数字业务也得到了较广泛的应 用。在电力系统领域，基于GSM—SMS、GPRS、CDMA的无线抄表、负荷监控、配变检测等技术 都已经比较成熟，并逐步大范围推广应用。应用移动通信资源的最大优点就是安装接线十分 方便，设备投资相对较小，通信覆盖面广。如果能够用它来传输纵联保护的比较信息，将会 使纵联保护的构成大为简化。

GSM—SMS传输时间较长，受通道拥挤情况的影响很大，可靠性也比较低，所以不适合用于传 输继电保护信息。GPRS具有永远在线的特点，但在用它传输突发信息时，有时也需要排队等 待，也可能需要等待数百毫秒甚至上秒钟的时间，所以也不适合用来传输继电保护信号。现 行的CDMA也有与上类似的缺点，也不能直接用来传输继电保护信息。

在用于传输继电保护信息时，移动通信模块实际上是固定安装的，并不需要“移动”(这样 就可以长期附着在一个固定的基站上)，而且每一个模块只固定地给另一个或几个模块(也 是固定安装而非“移动的”模块)交换信息。初步的调研和分析表明，利用这一特点，可以 大大简化模块间建立链接的过程，完全能够将建立链接的时间缩短到20ms之内。再考虑到比 较式纵联保护需要传输的信息量非常小(最简单的情况下就是一位二进制数)，可在30ms之 内将允许加速的信息传递到对端，从而使全线范围内的故障都能得到快速的切除。
4 结论

中低压电网的发展和变化，给继电保护带来了一些新的问题，同时也提出了更加严格的要求 ，传统的保护原理和配置方式已经难以满足现代电网的需要，电网迫切需要配备性能更加优 越的继电保护装置。而在另一方面，随着现代各种通信技术的逐步成熟和设备价格的大幅度 下降，应用它们来研制或构成性能更加优越的中低压系统继电保护在技术上、经济上已经不 存在任何困难。在这种情况下，有关部门不应该再墨守传统的保护配置思想，应在中低压电 网中大力推广应用无延时的快速保护。本文在这方面作了初步的探讨，目的是希望引起有关 部门的重视，进一步加强对用量很大、问题较多、急需改进的中低压电网继电保护的研究。 
［参考文献］
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［2］ 朱声石.高压电网继电保护原理与技术(第二版)［M］北京：中国电力出版社 ，1995.
［3］ 马军，焦邵华.基于二维节点控制的馈线保护原理［J］电力系统自动化，20 03，27(19)：48~51.