含分布式电源的低压配电网过电流保护

含分布式电源的低压配电网过电流保护

何后裕

（国网泉州供电公司福建泉州362019）

摘要：低压配电网线路短的特点使得故障电流随故障位置的变化很小，通过动作电流的整定实现配合的三段式电流保护难以适用；分段少的特点使上下级保护通过动作时间实现配合成为可能，不会造成上级保护动作时间过长。因此在低压配电网中，通过时间进行配合的剩余电流保护和过电流保护被广泛应用。

关键词：分布式电源；低压配电网；过电流保护

0引言

在传统配电网中，常用的电流保护为三段式电流保护，即电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护。电流速断保护是在优先满足选择性的条件下，反应被保护线路电流增大而瞬时动作的保护。由于电流速断保护是瞬时动作而不存在延时，其选择性是通过保护装置启动参数的整定来实现，即按照躲开下一条线路出口短路条件整定，这也必然造成了电流速断保护不能保护线路的全长。限时电流速断保护是在确保任何情况下都能保护线路全长的前提下进行整定的，其通过增大保护范围来实现对线路全长的保护，通过适当的延时来实现选择性。

而电流速断保护存在比较严重的问题，就是保护动作的灵敏度受系统运行方式和故障类型的影响很大。电流速断保护一般按照躲开系统最大运行方式下线路末端发生三相短路时的最大短路电流来整定，因此对于最小运行方式下单相接地故障或相间故障时，保护范围大大降低，尤其是在线路较短时，可能会导致保护的拒动。并且，当每段线路的长度很短时，不同保护区域发生故障后的短路电流差别很小，更使得电流速断保护的选择性难以实现。作为其后备保护的定时限过电流保护，其动作时限固定，不能随故障电流的变化进行自适应的调整。随着配电网技术的发展，对供电可靠性及供电质量的要求也不断提高，具有反时限特性的过电流保护已经广泛应用于国内外的配电网中。

1过电流保护特性分析

过电流保护的反时限特性是指，过电流保护具有根据故障电流大小自动改变动作时间的能力，因而能够自适应的反映故障的严重程度。在低压配电网中，反时限过电流保护具有明显的优点：

通过整定值的合理选择，能够保护线路的全长；

通过动作时间的配合，能够实现保护的选择性；

具有自适应能力，一定程度上较小了严重故障时保护的延时对于保护速动性的影响。

反时限过电流保护的通用数学模型为

其中，为反时限过电流保护的动作时间，为时间常数整定值，为常数系数，无量纲，是故障时流过保护的电流，为保护启动电流，应大于线路负荷电流，为曲线平移系数，为使保护在负荷电流下不会动作，一般取，为曲线形状系数，取值通常在0~2之间，也有大于2的情况，如熔断器。

国际电工委员会标准推荐了几种常用的反时限特性曲线。

根据IEC标准，当时，称为一般反时限特性：

上式为标准反时限特性，

当时为大反时限特性：

上式称为非常反时限特性，

当时，则为超反时限特性：

当时的反时限特性被称为极端反时限特性。

常用的反时限特性曲线为一般反时限、非常反时限和超反时限特性三种，目前在国际上应用广泛。其图形如下：

随着电流的增大，保护的动作时间会越短，并且n越大，曲线变化速率越快。对于不同的n确定的反时限特性曲线，随着的增大，动作时间的差距会越来越小，这种性质适用于保护的上下级配合。当故障电流不大时，能通过动作时间的差别实现保护的选择性；当故障电流达到一定程度后，保护的动作时间会减小，使保护以更快的速度切除故障，且上下级保护动作时间的差别也会减小，在下级保护拒动的情况下，上级保护可以迅速切除故障，防止过大的故障电流造成设备的热损坏；而当发生严重故障时，保护趋于瞬动，通过牺牲上下级保护的选择性来确保其速动性，保护设备不受损害。

2含DG的低压配电网过电流保护研究及改进

低压配电网是由380/220V的电缆或者架空线构成，通常采用辐射状结构。为保证供电质量以及降低线损，现代低压配电网按照“小容量、密布点、短半径”原则，尽量缩短供电半径。低压配电网的供电半径在150m到400m之间，使得配电线路很短，不宜过多分段，一般分为2到3段。低压配电网线路短的特点使得故障电流随故障位置的变化很小，通过动作电流的整定实现配合的三段式电流保护难以适用；分段少的特点使上下级保护通过动作时间实现配合成为可能，不会造成上级保护动作时间过长。因此在低压配电网中，通过时间进行配合的剩余电流保护和过电流保护被广泛应用。

当分布式电源（distributedgeneration,DG）接入低压配电网后，原有的单端供电的拓扑结构发生改变，使其变成一个多端电源网络，特别是逆变型DG的存在，引入了大量的电源控制策略，改变了原有网络的故障特性，对过电流保护产生很大影响。

含DG的低压配电网典型拓扑如图1所示：

图1含DG的低压配电网典型拓扑图

DG的接入对配电网的保护的影响如下：

DG的接入改变了DG上游线路的潮流方向，由单端电源供电变为双端电源供电，因此DG上游线路的保护也需要由单侧配置D1变为双侧配置D1、D2；

当下游线路发生故障时，设故障点到DG并网点的阻抗为，系统电源内阻抗为，D1到D2之间分配电线路阻抗为，系统电压为，DG输出的电流为,由于故障点距DG接入点较近，DG的故障输出电流会达到其上限值，一般为额定输出电流的1.2~1.5倍，若忽略正常支路的影响，仅考虑故障支路，等效电路图如图4所示：

图2DG下游故障时等效电路图

则保护D3检测到的故障电流为：

保护D1检测到的故障电流为：

对比DG接入前的故障电流：

可以看出，当故障发生在DG并网点下游部分时，DG的接入使得下游保护D3流过的故障电流大于DG接入前的故障电流，而上游的保护D1流过的故障电流却由于DG的分流作用而小于DG接入前。因此，DG会使下游保护灵敏度增加，而上游保护的灵敏度减小，对于反时限过电流保护，这个特点能加快下游保护动作，并延长上游保护的动作时间，使上下级保护的动作时间差进一步加大，有利于防止D1的越级误动，但也会造成保护D1作为远后备的动作时间过长。对于保护D2，流过与D1相同大小的故障电流，会造成D2的反向误动作，因此需要对D2加装方向元件。考虑DG下游负荷空载的情况，DG供给的电能将流入系统，若大于D1的启动电流，该反向电流也会造成D1的误动，因此D1也有安装功率方向元件的必要。

当DG上游配电线路发生短路故障时，流过保护D1的故障电流由系统提供，DG的接入不会对D1产生影响。而D2流过的电流由DG提供，受DG出力及控制策略的影响很大，使保护D2难以整定。首先是启动电流的确定，传统的过电流保护的启动电流大于正常运行时流过保护的最大负荷电流，而由于DG的出力可能在0~100%额定功率之间变化，考虑极端情况，DG出力很小时，上游线路发生短路故障会造成并网点电压跌落，对于采用PQ控制策略的DG，一般为单位功率输出，其输出电流有效值与并网点相电压有效值以及有功出力之间存在如下关系：

设并网点到故障点之间的阻抗为，忽略负荷的影响，则可得如下关系：

因此，DG的有功出力很小时可能会使流过D2的故障电流小于启动电流，从而使D2拒动。针对这种情况，需要对其启动电流进行修改，使其具有自适应能力。传统过电流保护的启动电流如下确定：

其中，为最大负荷电流，此处应等于DG的额定输出电流,为可靠系数，一般取1.15~1.25，为自启动系数，数值大于1，应由网络具体接线和负荷性质决定，为电流继电器的返回系数，一般采用0.85~0.95。考虑到保护D2与DG均接于用户配电箱处，使D2很容易获取DG的出力信息，对上述启动电流进行自适应调整，引入DG出力系数

其中为DG当前有功出力，为额定有功出力。

令保护D2的自适应启动电流为：

修正后的自适应启动电流能够随DG有功出力的变化而调整，从而防止低有功出力时保护的拒动。由于DG出力的变化会影响并网点电压，导致DG输出电流并不完全正比于有功出力，为防止有功出力低时保护误动，可适当选取较大的可靠系数。

参考文献

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作者简介

何后裕（1973年2月—），男，汉族，高级工程师，研究生学历，祖籍福建省福清市，曾长期从事电网规划、项目前期管理等工作。工作单位：国网泉州供电公司。