一、背景與意義
近年來(lái)，配電網(wǎng)安全運(yùn)行水平與供電可靠性有了很大的進(jìn)步，但與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距。提高配電網(wǎng)相間故障隔離的選擇性，實(shí)現(xiàn)單相接地故障的就近快速隔離，是當(dāng)前提高配電網(wǎng)設(shè)備及人身安全性和供電可靠性的重要課題。
目前，我國(guó)配電網(wǎng)的故障處理存在以下問(wèn)題：
（1）配電網(wǎng)的繼電保護(hù)配置相對(duì)弱化，發(fā)生配網(wǎng)故障時(shí)選擇性差，線路下游、支線、用戶系統(tǒng)故障會(huì)造成全線停電，停電范圍大，故障點(diǎn)查找難，供電恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。
（2）小電流接地故障沒(méi)有得到有效解決。部分變電站接地故障選線裝置原理上有缺陷，正確選線率低。配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)一般不具備小電流接地故障隔離功能，主要依賴(lài)錄波型故障指示器實(shí)現(xiàn)故障定位，可靠性差。耐接地電阻能力低，不能保證人身安全。
2017年國(guó)網(wǎng)公司下發(fā)的《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》增加了小電流接地系統(tǒng)“永久性單相接地故障選線選段、就近快速隔離”的要求，“參考國(guó)際先進(jìn)做法，改變長(zhǎng)期以來(lái)單相接地故障下持續(xù)運(yùn)行2小時(shí)的傳統(tǒng)做法”。
本方案圍繞進(jìn)一步提高安全性與供電可靠性的目標(biāo)，擬采用暫態(tài)原理接地故障檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)小電流接地故障快速就近隔離、通過(guò)完善繼電保護(hù)配合減少相間短路故障越級(jí)跳閘。
二、故障處理思路
1.相間故障保護(hù)思路
提高線路出口斷路器Ⅰ段保護(hù)定值，在實(shí)現(xiàn)與主變壓器后備保護(hù)配合的同時(shí)，將線路保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作區(qū)域縮短至2km以?xún)?nèi)，為實(shí)現(xiàn)線路出口保護(hù)與下游保護(hù)的配合創(chuàng)造條件。
為分支開(kāi)關(guān)、分界開(kāi)關(guān)配置電流保護(hù)，與線路出口保護(hù)實(shí)現(xiàn)三級(jí)配合，有選擇性的切除線路出口I段保護(hù)區(qū)外分支線與用戶故障，防止越級(jí)跳閘。線路出口I段保護(hù)區(qū)內(nèi)分支線與用戶故障，通過(guò)二次重合閘（或主站遙控方式）恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)域的供電。
主干線路故障由原有集中型配電自動(dòng)化處理。
在距離較長(zhǎng)的（大于8km）架空線路中，在線路后半段（約三分之一處）配置中間斷路器保護(hù)，與線路出口保護(hù)通過(guò)電流定值的配合，直接切除主干線路后半段的故障區(qū)段，解決出線保護(hù)無(wú)法保護(hù)線路全長(zhǎng)的問(wèn)題。
2.小電流接地故障保護(hù)思路
國(guó)家電網(wǎng)頒布的《配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則（Q/GDW 10370—2016 ）》要求就近快速隔離永久性單相接地故障，南方電網(wǎng)在積極推廣小電流接地故障的自動(dòng)跳閘。國(guó)際上法國(guó)、意大利、日本等國(guó)都采用自動(dòng)跳閘隔離小電流接地故障。就近自動(dòng)隔離小電流接地故障，既可保留小電流接地系統(tǒng)在瞬時(shí)性接地故障自愈的優(yōu)點(diǎn)，又能避免長(zhǎng)期運(yùn)行帶來(lái)的危害。
線路出口斷路器與線路分段開(kāi)關(guān)、分支開(kāi)關(guān)、分界開(kāi)關(guān)配置暫態(tài)原理小電流接地故障方向保護(hù)，通過(guò)階梯式動(dòng)作時(shí)限配合，有選擇性就近切除故障，防止故障點(diǎn)上游線路區(qū)段停電。
對(duì)于單聯(lián)絡(luò)電源的架空環(huán)網(wǎng)，通過(guò)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合閘以及與分段開(kāi)關(guān)動(dòng)作的配合恢復(fù)故障點(diǎn)下游非故障區(qū)段的供電。
暫態(tài)接地保護(hù)利用故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號(hào)，耐接地電阻能力超過(guò)2kΩ，不受消弧線圈影響，不需要在中性點(diǎn)投入并聯(lián)電阻，投資小，安全性好。
三、架空線路相間短路保護(hù)方案
1.變電站線路出口斷路器保護(hù)
配置三段式保護(hù)，二次重合閘（第二次重合閘可由主站遙控方式代替）。
（1）Ⅰ段保護(hù)
配置Ⅰ段保護(hù)的目的：減少線路出口短路大電流對(duì)主變的危害，減少母線電壓暫降的危害。
按照與主變壓器二次側(cè)Ⅱ段保護(hù)電流定值配合的原則，選擇線路出線I段保護(hù)電流定值。因?yàn)殡娏鞫ㄖ荡鬄樘岣?，保護(hù)區(qū)大約在2km以?xún)?nèi)，線路出口電流I段保護(hù)越級(jí)動(dòng)作的范圍大為減少
在I段保護(hù)區(qū)內(nèi)分支線、用戶故障時(shí)，出口保護(hù)仍然會(huì)越級(jí)跳閘，這時(shí)通過(guò)二次重合閘恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)域的供電。
（2）電流Ⅱ段保護(hù)
由于線路出口斷路器配置了電流I段保護(hù)，因此將Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限選為0.5s，以與下游保護(hù)配合，提高保護(hù)動(dòng)作的選擇性。
（3）電流Ⅲ段保護(hù)
Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限選為1.8s。
（4）重合閘。
線路出口采用二次重合閘，以在I段保護(hù)區(qū)內(nèi)分支線、用戶故障時(shí)恢復(fù)供電。
（5）保護(hù)動(dòng)作情況說(shuō)明
I段保護(hù)保護(hù)區(qū)外分支線路與用戶側(cè)故障時(shí)，由分支開(kāi)關(guān)、分界開(kāi)關(guān)或用戶側(cè)保護(hù)動(dòng)作切除故障，不會(huì)越級(jí)跳閘。
如果I段保護(hù)區(qū)內(nèi)分支線路出現(xiàn)永久性故障，越級(jí)跳閘后通過(guò)重合閘或主站遙控方式恢復(fù)主干線路的供電。
主干線路故障由集中型配電自動(dòng)化處理。
2.中間斷路器保護(hù)
中間斷路器保護(hù)的作用：防止線路下游主干線路故障造成全線停電，解決線路出口斷路器保護(hù)在長(zhǎng)線路末端故障時(shí)靈敏度不滿足要求的問(wèn)題。實(shí)際工程中，線路長(zhǎng)度小于5km時(shí)，可不配置中間斷路器保護(hù)。
配置兩段式電流保護(hù)與一次重合閘，重合到故障上加速跳閘。
（1）電流Ⅱ段保護(hù)。電流Ⅱ段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限選為0.5s，以與下游分支線與分界開(kāi)關(guān)保護(hù)配合。
（2）電流Ⅲ段保護(hù)。動(dòng)作時(shí)限按階梯時(shí)限原則整定，時(shí)間級(jí)差0.2s。
（3）重合閘。重合閘的作用是防止瞬時(shí)性故障引起長(zhǎng)時(shí)間停電，且在出現(xiàn)越級(jí)跳閘時(shí)恢復(fù)對(duì)非故障區(qū)段的供電。配置一次重合閘，動(dòng)作時(shí)限設(shè)為1s。
（4）保護(hù)動(dòng)作情況說(shuō)明。配電線路三相短路電流隨故障距離的變化曲線如圖3-2所示，短路電流隨著故障距離的增加急劇下降，在故障位置距變電站1km時(shí)，短路電流就大致下降到母線處短路電流的一半。因此中間斷路器Ⅱ段電流定值與出口Ⅱ段電流定值能夠配合，可避免出口保護(hù)越級(jí)跳閘。
如果出口Ⅱ段電流保護(hù)區(qū)延伸到中間斷路器后，則中間斷路器下游故障時(shí)出口斷路器會(huì)越級(jí)跳閘；通過(guò)重合閘恢復(fù)中間斷路器上游線路區(qū)段供電。
3.分支斷路器保護(hù)
分支斷路器保護(hù)的作用：防止分支線路故障造成越級(jí)跳閘。
配置兩段式電流保護(hù)，一次重合閘，重合到故障上后加速跳閘。
（1）電流Ⅱ段保護(hù)。動(dòng)作時(shí)限比上游Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限低一個(gè)時(shí)間級(jí)差，統(tǒng)一選為0.3s。
（2）電流Ⅲ段保護(hù)。Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限按比上游保護(hù)Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限低一個(gè)時(shí)間級(jí)差（0.2s）。
（3）重合閘。配置一次重合閘，防止分支線路瞬時(shí)性故障引起長(zhǎng)時(shí)間停電。動(dòng)作時(shí)限為1s。
4.分界斷路器保護(hù)
分界斷路器保護(hù)的作用：防止用戶系統(tǒng)內(nèi)故障造成越級(jí)跳閘。
分界斷路器配置兩段式電流保護(hù)、一次重合閘，重合到故障上加速跳閘。
（1）電流Ⅱ段保護(hù)。動(dòng)作時(shí)限選為0.1s，以與下游配變?nèi)蹟嗥鞅Ｗo(hù)配合，避免越級(jí)跳閘。
（2）電流Ⅲ保護(hù)。Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限按比分支開(kāi)關(guān)保護(hù)Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限低一個(gè)時(shí)間級(jí)差（0.2s）。
（3）重合閘。配置一次重合閘，動(dòng)作時(shí)限選為1s；重合閘作用是防止用戶系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，會(huì)造成用戶長(zhǎng)時(shí)間停電。
四、架空線路小電流接地故障保護(hù)方案
1.工作原理
發(fā)生小電流接地故障時(shí)，故障點(diǎn)上游的暫態(tài)零序電流方向相同，均流向母線；故障點(diǎn)下游和非故障線路暫態(tài)零序電流方向與故障點(diǎn)上游相反，均流向線路。根據(jù)開(kāi)關(guān)處暫態(tài)零序電流的方向，即可判斷故障點(diǎn)的方向。
線路出口斷路器與線路分段開(kāi)關(guān)、分支開(kāi)關(guān)、分界開(kāi)關(guān)配置暫態(tài)原理小電流接地故障方向保護(hù)，保護(hù)通過(guò)階梯式動(dòng)作時(shí)限配合，就近切除接地故障。
暫態(tài)接地方向保護(hù)通過(guò)比較零序電壓導(dǎo)數(shù)與零序電流的極性判斷故障方向，二者相反時(shí)判為正向故障，相同時(shí)判為反向故障。
變電站亦可配置暫態(tài)選線裝置，自動(dòng)選擇故障線路，自動(dòng)跳閘切除故障。
暫態(tài)原理接地保護(hù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：利用故障產(chǎn)生的暫態(tài)信號(hào)，靈敏度高，不受消弧線圈影響；耐接地電阻能力達(dá)2kΩ，能夠有效地保護(hù)人體觸電、導(dǎo)線墜地與樹(shù)閃故障；不需要在中性點(diǎn)投入電阻或注入信號(hào)，安全性好，投資小。
2.接地方向保護(hù)的配置與整定
變電站出線開(kāi)關(guān)、線路分段開(kāi)關(guān)、分支開(kāi)關(guān)、分界開(kāi)關(guān)部署暫態(tài)接地方向保護(hù)，檢測(cè)到接地故障方向?yàn)檎龝r(shí)保護(hù)啟動(dòng)，通過(guò)階梯式時(shí)間配合就近切除接地故障。
保護(hù)動(dòng)作時(shí)限整定原則：最末級(jí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限不小于2s，時(shí)間級(jí)差0.5s。
五、對(duì)一二次設(shè)備的要求
架空線路柱上開(kāi)關(guān)選型遵循國(guó)網(wǎng)公司一二次融合的要求，內(nèi)置有零序電流傳感器，由于目前零序電壓傳感器內(nèi)置方式不夠成熟，采用外置方式。
柱上分段開(kāi)關(guān)兩側(cè)各配置線電壓互感器，提供電壓測(cè)量信號(hào)和保護(hù)裝置工作電源；其中一側(cè)配置零序電壓傳感器，提供零序電壓測(cè)量信號(hào)。分支、分界開(kāi)關(guān)電源側(cè)配置一個(gè)線電壓互感器，提供電壓測(cè)量信號(hào)和保護(hù)裝置工作電源；配置零序電壓傳感器，提供零序電壓測(cè)量信號(hào)。
柱上開(kāi)關(guān)能夠快速動(dòng)作切除故障，動(dòng)作時(shí)間小于100ms。柱上開(kāi)關(guān)保護(hù)終端同時(shí)滿足相間短路保護(hù)、小電流接地故障方向保護(hù)、故障測(cè)距以及配電SCADA的需求。
小電流接地系統(tǒng)變電站配置暫態(tài)選線裝置，具備自動(dòng)跳閘切除故障的功能。