摘要：傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般呈單電源輻射式潮流從電源流向系統(tǒng)，分布式風(fēng)場(chǎng)接入當(dāng)線路發(fā)生短路故障后改變了原配網(wǎng)的結(jié)構(gòu)很可能引起潮流逆向，分布式風(fēng)場(chǎng)提供的短路電流影響繼電保護(hù)之間的配合。分析了傳統(tǒng)電流保護(hù)原理及接入分布式風(fēng)場(chǎng)后對(duì)繼電保護(hù)的影響。提出了限流與電流保護(hù)相配合的繼電保護(hù)方式，并通過(guò)PSCAD/EMTDC建立系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證此保護(hù)方案的正確性。

1引言

傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般為單電源輻射式或雙電源開環(huán)式運(yùn)行,潮流從系統(tǒng)流向負(fù)荷，因此傳統(tǒng)配網(wǎng)線路采用電流保護(hù)完全滿足繼電保護(hù)要求。隨著化石能源的消耗、環(huán)境污染問(wèn)題的嚴(yán)重性、傳統(tǒng)大電網(wǎng)事故及世界各國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，因此要求一種高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的能源。風(fēng)能是一種可再生無(wú)污染的綠色能源。風(fēng)電開發(fā)技術(shù)逐漸成熟，而且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是現(xiàn)今最具開發(fā)前景的新能源之一。但風(fēng)能的分散接入以及風(fēng)場(chǎng)容量增大決定了并有風(fēng)電場(chǎng)的配電網(wǎng)保護(hù)成為一個(gè)難點(diǎn)。在我國(guó)風(fēng)力發(fā)電分散接入配網(wǎng)已經(jīng)廣為重視，但隨著風(fēng)場(chǎng)數(shù)量及容量的增加改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)潮流結(jié)構(gòu)從而嚴(yán)重影響配電網(wǎng)繼電保護(hù)。因此系統(tǒng)分析分布式風(fēng)場(chǎng)接入配網(wǎng)對(duì)線路繼電保護(hù)的影響具有重要的意義。

近年來(lái)隨著風(fēng)場(chǎng)大規(guī)模的接入由此帶來(lái)的配網(wǎng)繼電保護(hù)問(wèn)題是人們關(guān)注的重點(diǎn)。以前對(duì)風(fēng)電的研究大多圍繞風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部故障分析以及含風(fēng)電場(chǎng)的配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性控制進(jìn)行，而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提供短路電流大小及整個(gè)系統(tǒng)保護(hù)的研究卻很少，針對(duì)分布式風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)配網(wǎng)保護(hù)方案可行性方面研究更少。但隨著風(fēng)場(chǎng)容量的增大提供的短路電流也隨之增大，這就對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的靈敏性和選擇性造成影響。

對(duì)分布式電源接入后非三相短路故障特性分析并給出了快速保護(hù)方案，提出根據(jù)DG接入點(diǎn)得位置，對(duì)保護(hù)饋線進(jìn)行了區(qū)域劃分在DG上游區(qū)域配置了方向縱聯(lián)保護(hù)，而整條饋線則保留了過(guò)電流保護(hù)，提出在分布式電源的出口處接入一個(gè)限制電阻，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)限流電阻將短路電流限制在很小的范圍從而保證保護(hù)之間的相互配合。但是出現(xiàn)的問(wèn)題是限流電阻接入使得分布式發(fā)電出口產(chǎn)生了壓降，其次是電阻接入消耗了系統(tǒng)中的能量。文章全面分析傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方案不足并在此基礎(chǔ)上提出了限流電抗與電流保護(hù)配合的繼電保護(hù)方案。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了保護(hù)方案的可行性。

2傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)及其特點(diǎn)

配電網(wǎng)廣泛應(yīng)分布于電力系統(tǒng)中，配電網(wǎng)的安全運(yùn)行直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以針對(duì)配電網(wǎng)的保護(hù)必須簡(jiǎn)單，安全，可靠。而三段式電流保護(hù)恰恰具備這些特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在配電網(wǎng)的保護(hù)中，而且在實(shí)際應(yīng)用中得到了認(rèn)可。三段式電流保護(hù)主要包括電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)以及定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。

2.1電流速斷保護(hù)

電流速斷保護(hù)又稱無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)即瞬時(shí)I段電流保護(hù)，反應(yīng)了短路電流幅值增大而瞬時(shí)動(dòng)作的電流保護(hù)，其整定原則為保證在下一級(jí)線路出口處發(fā)生短路故障時(shí)保護(hù)不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)，按動(dòng)作電流按躲過(guò)被保護(hù)線路外部短路時(shí)最大短路電流來(lái)整定，整定式如式(1)所示

    (1)

式中：K1rel為考慮各種影響后的電流速斷保護(hù)系數(shù)一般取1.2~1.3，Kd為短路類型系數(shù)，Eph為系統(tǒng)等效電勢(shì)，Zsmin為最大運(yùn)行方式下保護(hù)背側(cè)系統(tǒng)等效阻抗，ZL為被保護(hù)線路正序阻抗，I3k.max為系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下被保護(hù)線路末端發(fā)生三相短路時(shí)一次側(cè)電流周期分量有效值。

為了確定電流速斷保護(hù)范圍，設(shè)故障發(fā)生在λZL線路處，則短路電流為：

式中，Zs為保護(hù)背側(cè)系統(tǒng)等效系統(tǒng)阻抗。

綜上可得電流速斷保護(hù)的原理圖及動(dòng)作特性如圖1所示。

由此可見(jiàn)傳統(tǒng)電流速斷保護(hù)不能保護(hù)線路的全長(zhǎng)，并且保護(hù)范圍受系統(tǒng)運(yùn)行方式及短路類型的影響較大。

2.2限時(shí)電流速斷保護(hù)

電流速斷保護(hù)不能保護(hù)本線路的全長(zhǎng)所以其保護(hù)范圍外的故障必須由帶時(shí)限的電流速斷保護(hù)切除，這就是限時(shí)電流速斷保護(hù)也稱II段保護(hù)，其整定原則為躲過(guò)下一級(jí)線路瞬時(shí)電流速斷保護(hù)范圍末端最大短路電流。整定式為:

2.3定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)

定時(shí)過(guò)電流保護(hù)也叫過(guò)流保護(hù)也即為第III段保護(hù)，它是作為下級(jí)線路的主保護(hù)拒動(dòng)和斷路器拒動(dòng)時(shí)的遠(yuǎn)后背保護(hù)也作為過(guò)負(fù)荷保護(hù)。整定原則是躲過(guò)最大負(fù)荷整定。整定式為：

(5)

3分布式風(fēng)場(chǎng)接入對(duì)傳統(tǒng)配網(wǎng)繼電保護(hù)影響

一般傳統(tǒng)配電網(wǎng)線路采用三段式電流保護(hù)相互配合，滿足繼電保護(hù)要求。但是隨著分布式風(fēng)電接入，改變了傳統(tǒng)單電源模式，使配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和潮流分布相應(yīng)發(fā)生了改變。

3.1分布式風(fēng)場(chǎng)接入對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)電流保護(hù)選擇性的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)如圖2所示，不論線路發(fā)生短路故障與否，潮流始終從電源側(cè)流向線路，傳統(tǒng)配電網(wǎng)電流保護(hù)特點(diǎn)是本級(jí)線路三段式配合加上下級(jí)線路相互配合完全滿足線路繼電保護(hù)要求。當(dāng)分布式風(fēng)場(chǎng)接入配網(wǎng)后如圖3所示，改變了原配網(wǎng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)分布式風(fēng)場(chǎng)接入級(jí)線路保護(hù)上游F1或F2(一般為母線或同母線相鄰線路)發(fā)生故障后，由分布式風(fēng)場(chǎng)提供的逆向短路電流將是保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作。當(dāng)分布式風(fēng)場(chǎng)下游F3故障時(shí)由分布式風(fēng)場(chǎng)提供的助增電流使得與原配網(wǎng)相比靈敏度過(guò)大，甚至上級(jí)線路保護(hù)范圍延伸到下級(jí)線路，從而影響上下級(jí)線路保護(hù)之間的配合。

3.2分布式風(fēng)場(chǎng)接入對(duì)重合閘及熔斷器分段器配合的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)線路首段有時(shí)配備重合閘裝置，不論前加速或后加速，其原理都是重合器斷開后重合檢測(cè)是否隔離故障，對(duì)于單電源網(wǎng)絡(luò)，都能正確開斷或重合。

當(dāng)分布式風(fēng)場(chǎng)接入后，當(dāng)分布式風(fēng)場(chǎng)接入如圖4F4處發(fā)生故障后由于線路首端重合閘斷開后，分布式風(fēng)場(chǎng)對(duì)故障處仍然提供了很大的管路電流，因此使得重合閘開斷后不能順利熄弧，從而重合失敗，嚴(yán)重時(shí)將損壞重合閘裝置。

此外，分布式風(fēng)場(chǎng)提供的過(guò)大的短路電流使得分段器計(jì)數(shù)錯(cuò)誤導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)拒動(dòng)，也會(huì)使得原配網(wǎng)安裝熔斷器失去配合，即影響分段器、熔斷器及其配合。

總之，當(dāng)大容量分布式風(fēng)場(chǎng)接入配網(wǎng)后，由于短路時(shí)提供過(guò)大的短路電流影響傳統(tǒng)電流保護(hù)之間的協(xié)調(diào)性，因此采用限流與電流保護(hù)相配合的方法即經(jīng)濟(jì)又適用的方案來(lái)滿足配電網(wǎng)線路繼電保護(hù)要求。

4分布式風(fēng)場(chǎng)接入配電網(wǎng)限流與電流保護(hù)方案

基于分布式風(fēng)場(chǎng)提供的過(guò)大的短路電流是影響傳統(tǒng)配電網(wǎng)線路繼電保護(hù)保護(hù)協(xié)調(diào)性的主要因素，因此針對(duì)短路電流提出限流保護(hù)與電流段式保護(hù)相互配合的保護(hù)方案，如圖5所示。

4.1限流與電流保護(hù)配合保護(hù)原理

實(shí)驗(yàn)整定限流電抗值，當(dāng)系統(tǒng)相關(guān)線路發(fā)生短路故障，分布式風(fēng)場(chǎng)出口限流保護(hù)裝置如果感受到故障電流，限流保護(hù)啟動(dòng)，從而限制附加短路電流，系統(tǒng)保護(hù)正確動(dòng)作。

4.2限流保護(hù)裝置原理

限流裝置等效圖如圖6所示，限流器投入運(yùn)行開始階段,開通所有晶閘管。串聯(lián)禍合變壓器的原邊流過(guò)部分電流,這部分電流藕合到變壓器副邊通過(guò)橋路給直流電感充電,直流電感上有逐漸增大的直流電流產(chǎn)生。與此同時(shí),并聯(lián)在變壓器原邊的旁路電感上通過(guò)部分交流電并逐漸減小。經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期,充電過(guò)程結(jié)束,進(jìn)入到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段。變壓器原、副邊電流定義為Ia，Ib，變比為N，線電流關(guān)系為Ia:Ib=1:N,直流電感上的電流ILd等于變壓器副邊電流峰值，即ILd=2Ib=2NIa，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段直流電感上電流ILd接近一常量,則dILd/dt≈0,因此直流電感上壓降接近為0,這意味著變壓器副邊繞組壓降很小,所以并聯(lián)在原邊上的交流電感上壓降幾乎為0。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),限流器的壓降主要由串聯(lián)變壓器的漏抗、繞組電阻和晶閘管壓降引起,在高中壓系統(tǒng)中,由此產(chǎn)生的壓降可以忽略。短路故障發(fā)生時(shí),變壓器原邊突然加上很大的壓降,交流電感立刻出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)短路電流ILa,直流電感上電流ILd隨即增大。由于交、直流電抗器的存在,故障電流受到抑制而不會(huì)急劇上升。通過(guò)正確的控制策略,使直流電感和橋路退出故障回路的運(yùn)行,交流限流電感完全承擔(dān)限流作用。旁路交流限流電感大小由系統(tǒng)所允許的短路電流水平?jīng)Q定,即

(6)

式中：ω為電力系統(tǒng)角頻率，Un為系統(tǒng)額定相電壓，Isel為允許短路電流。

考慮短路時(shí)刻最嚴(yán)重情況下半個(gè)周期時(shí)間內(nèi)直流電感上電感一直上升，則短路時(shí)允許直流電感上電流上升值Δim與直流電感值La的關(guān)系為：

(7)

式中：ULdFm為故障時(shí)加在直流電抗上可能的最大電壓的峰值。

為使直流電抗器體積最小，應(yīng)以故障情況下電感中儲(chǔ)能最小來(lái)設(shè)計(jì)電感值，而故障情況下直流電感的儲(chǔ)能為：

(8)

式中：Im為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)直流電感上通過(guò)的電流。將式（7）帶入式（8），求式（8）相對(duì)于Ld變量的極值，可得：

(9)

上式表明，Δim=Im即短路發(fā)生后半個(gè)周期內(nèi)使直流電感中的電流增加到正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行值的2倍來(lái)選擇直流電感,可使直流電感器的設(shè)計(jì)最優(yōu)。由此可見(jiàn),直流電感和橋路參數(shù)的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的短路電流水平無(wú)直接關(guān)系。

4.3限流與電流保護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)以上分析，當(dāng)分布式風(fēng)場(chǎng)接入配電網(wǎng)后原配網(wǎng)線路繼電保護(hù)采用限流與電流保護(hù)配合完成主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)目前風(fēng)機(jī)出口都需安裝低電壓穿越保護(hù)裝置，即當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)保證風(fēng)機(jī)在低壓范圍625ms內(nèi)不脫網(wǎng)，在這個(gè)時(shí)限范圍遠(yuǎn)超出一般系統(tǒng)電流保護(hù)時(shí)限，因此限流更顯得必要，及故障時(shí)限流器與低電壓保護(hù)也形成配合關(guān)系。

(2)對(duì)于一般的限流電抗器或電阻式限流裝置，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障雖然限制了電流但是額外消耗大量能量或產(chǎn)生壓降，對(duì)于此方案采用一種新型固態(tài)短路限流電抗器，克服了以上缺點(diǎn)。

(3)對(duì)于限流保護(hù)的投切時(shí)間都遠(yuǎn)低于保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限，保證限流與電流保護(hù)時(shí)限的配合。

(4)此方案要比其他的功率方向保護(hù)元件、增設(shè)多個(gè)保護(hù)裝置等更經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單。

5算例驗(yàn)證

算例采用圖5等效模型，系統(tǒng)母線三回出現(xiàn)，其中一回接入分布式風(fēng)場(chǎng)，仿真參數(shù)如下：配網(wǎng)電壓：10.5KV系統(tǒng)：最小運(yùn)行方式阻抗：0.54Ω，最大運(yùn)行主抗0.64Ω。分布式風(fēng)場(chǎng)：最小運(yùn)行方式主抗0.75Ω，最大運(yùn)行方式下主抗1.75Ω。線路參數(shù)：線路L1主抗：0.88Ω，線路L2主抗：0.96Ω，線路L3主抗:0.85Ω，線路L4主抗:2.55Ω，線路L5主抗:1.75Ω，線路L6主抗:1.8Ω，線路L7主抗:3.5Ω。整定計(jì)算可靠系數(shù)：電流Ⅰ段可靠系數(shù)：1.2，電流Ⅱ段可靠系數(shù)：1.1，電流Ⅲ段可靠系數(shù)：1.2，自啟動(dòng)系數(shù)：

1.1，回復(fù)系數(shù)：0.9。

表1所示為系統(tǒng)接入分布式風(fēng)場(chǎng)前保護(hù)定值，當(dāng)分布式風(fēng)場(chǎng)按入保護(hù)R6母線處時(shí)，各保護(hù)處短路時(shí)短路電流如表2所示。

由此可見(jiàn)當(dāng)分布式風(fēng)場(chǎng)接入后系統(tǒng)母線或相鄰線路首端發(fā)生三相短路故障時(shí)將引起保護(hù)R3啟動(dòng)二段跳開斷路器，按傳統(tǒng)(未接分布式風(fēng)場(chǎng))保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)母線尤其是相鄰線路發(fā)生故障，保護(hù)不能動(dòng)作，因此當(dāng)分布式風(fēng)場(chǎng)接入后將使保護(hù)誤動(dòng)。當(dāng)線路L6，L7發(fā)生短路故障，由于分布式風(fēng)場(chǎng)提供的短路電流增大，使得其相應(yīng)保護(hù)范圍過(guò)大，有其實(shí)R6的短路電流增大到2.65。當(dāng)分布式風(fēng)場(chǎng)出口處接入線路保護(hù)裝置后試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3示。

對(duì)比表2，表3可見(jiàn)，當(dāng)接入限流保護(hù)裝置后，短路電流明顯減小，從而實(shí)現(xiàn)，限流保護(hù)與三段式保護(hù)相互配合滿足分布式電源接入配電網(wǎng)后配電網(wǎng)線路繼電保護(hù)要求。

6結(jié)論

文章分析了電流保護(hù)原理保護(hù)整定原則，靈敏度分析，系統(tǒng)論述了當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)分布式接入配電網(wǎng)后對(duì)傳統(tǒng)單電源配電網(wǎng)潮流分布及配電網(wǎng)線路電流保護(hù)的影響，提出了在分布式風(fēng)場(chǎng)出口處接入一種新型固態(tài)電流保護(hù)裝置，從而實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)電流保護(hù)相互配合滿足配電網(wǎng)線路繼電保護(hù)要求。并通過(guò)PSCAD/EMTDC建立仿真模型并通過(guò)提取數(shù)據(jù)分析從而驗(yàn)證了方案的正確性。