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摘要：随着国民经济的发展和社会不断进步，城市配电网络保护自动化系统逐步成为今后一段时间的发展方向。本文探讨了配电网多级保护配合的可行性，提出了一种多级级差保护与电压时间型馈线自动化配合的原理，为配电自动化系统规划、设计和建设提供参考。
关键词：继电保护；配电网；自动化；级差保护
中图分类号：TP27文献标识码：A 文章编号：
Abstract: Along with the development of national economy and the society progresses, urban distribution network protection automation system gradually become a period of time in the future development direction. This paper discusses the feasibility of the distribution network with multistage protection; this paper puts forward a multi-stage differential protection and voltage time type with the principle of feeder automation, for power distribution automation system planning, design and construction to provide the reference.
Key Words: relay protection; distribution network; automation; differential protection
一、多級级差保护与集中式故障处理的协调配合
1.1两级级差保护的配置原则
两级级差保护配合下，线路上开关类型组合选取及保护配置的原则为：
（1）主干馈线开关全部采用负荷开关。
（2）用户开关或分支开关采用断路器。
（3）变电站出线开关采用断路器。
（4）用户断路器开关或分支断路器开关保护动作延时时间设定为0s；变电站出线断路器保护动作延时时间设定为200～250ms。
采用上述两级级差保护配置后，具有下列优点：
（1）分支或用户故障发生后，相应分支或用户断路器首先跳闸，而变电站出线开关不跳闸，因此不会造成全线停电，有效解决了全负荷开关馈线故障后导致停电用户数多的问题。
（2）不会发生开关多级跳闸或越级跳闸的现象，因此故障处理过程简单，操作的开关数少，瞬时性故障恢复时间短，有效克服了全断路器开关馈线的不足。
（3）主干线采用负荷开关相比全断路器方式降低了造价。
1.2两级级差保护下的集中式故障处理策略
在主干线路上发生故障后，根据主干线线路类型的不同，集中式故障处理的策略建议如下：
1）若主干线为全架空馈线，则集中式故障处理步骤为：
（1）馈线发生故障后，变电站出线断路器跳闸切断故障电流。
（2）经过0.5s延时后，变电站出线断路器重合，若重合成功则判定为瞬时性故障；若重合失败则判定为永久性故障。
（3）主站根据收集到的配电终端上报的各个开关的故障信息判断出故障区域。
（4）若是瞬时性故障，则将相关信息存入瞬时性故障处理记录；若是永久性故障，则遥控故障区域周边开关分闸以隔离故障区域，并遥控相应变电站出线断路器和联络开关合闸恢复健全区域供电，将相关信息存入永久性故障处理记录。
2）若主干线为全电缆馈线，则集中式故障处理步骤为：
（1）馈线发生故障后即认定是永久性故障，变电站出线断路器跳闸切断故障电流。
（2）主站根据收集到的配电终端上报的各个开关的故障信息判断出故障区域。
（3）遥控相应环网柜中的故障区域周边开关分闸隔离故障区域，并遥控相应变电站出线断路器和相应环网柜的联络开关合闸恢复健全区域供电，将相关信息存入永久性故障处理记录。
在分支线路或用户处发生故障后，集中式故障处理步骤为：
（1）相应分支断路器或用户断路器跳闸切断故障电流。
（2）若跳闸分支断路器或用户断路器所带支线为架空线路，则快速重合闸控制开放，经过0.5s延时后相应断路器重合，若重合成功则判定为瞬时性故障；若重合失败则判定为永久性故障。若跳闸分支断路器或用户断路器所带支线为电缆线路，则直接认定为永久性故障而不再重合。
1.3三级级差保护的配置原则
采用永磁操动机构和无触点驱动技术的三级级差保护的典型配置一般有以下几种：
1）变电站10kV出线开关、馈线分支开关与用户开关形成三级级差保护，如图1（a）所示。其中用户开关B1～B4保护动作延时时间设定为0s；馈线分支开关A5、A6保护动作延时时间设定为100～150ms；变电站出线开关保护动作时间设定为250～300ms。
2）变电站10kV出线开关、某个馈线分段开关与馈线分支开关形成三级级差保护，如图1（b）所示。其中馈线分支开关A5、A6、A7保护动作延时时间设定为0s；馈线分段开关A2保护动作延时时间设定为100～150ms；变电站出线开关保护动作延时时间设定为250～300ms。
3）变电站10kV出线开关与环网柜出线开关以及中间某一级环网柜的进线开关形成三级级差保护，如图1（c）所示。其中环网柜出线开关B1～B12保护动作延时时间统一设置为0s；中间开关A4保护动作延时时间设定为100～150ms；变电站出线开关保护动作延时时间设定为250～300ms。
三级级差保护配置情形1
三级级差保护配置情形2
(c)三级级差保护配置情形3
图1三级级差保护典型配置
三级级差保护与集中式故障处理配合的原理与两级级差保护的情况类似，不再赘述。
二、配电网多级保护配合的可行性
2.1基本原理
对于供电半径较长、分段数较少的开环运行农村配电线路，在线路发生故障时，故障位置上游各个分段开关处的短路电流水平差异比较明显时，可以采取电流定值与延时级差配合的方式（如3段式过流保护）实现多级保护配合，有选择性地快速切除故障。
对于供电半径较短的开环运行城市配电线路或分段数较多的开环运行农村配电线路，在线路发生故障时，故障位置上游各个分段开关处的短路电流水平往往差异比较小，无法针对不同的开关设置不同的电流定值，此时仅能依靠保护动作延时时间级差配合实现故障有选择性的切除。
2.2多级级差配合的可行性
多级级差保护配合是指：仅通过对变电站10kV出线开关和10kV馈线开关设置不同的保护动作延时时间来实现保护配合。
为了减少短路电流对系统造成的冲击，变电站变压器低压侧开关（也即10kV母线进线开关）的过流保护动作时间最小仅设置为0.5s，为了不影响上级保护的整定值，需要在此0.5s内安排多级级差保护的延时配合。
目前，馈线断路器（弹簧储能操动机构）开关的机械动作时间一般为30～40ms，熄弧时间10ms左右，保护的固有响应时间30ms左右，因此，馈线开关可以设置0s保护动作延时，在100ms内快速切断故障电流。若在馈线分支开关或用户开关配置过流脱扣断路器或熔断器，考虑到励磁涌流较主干线开关小的多，适当加大脱扣动作电流阈值就可躲过励磁涌流而不必采取延时措施，因此过流脱扣分支断路器或熔断器具有更快的故障切除时间，但是分支线或用户侧熔断器需要人工恢复，不利于瞬时性故障处理，因此在实施配电自动化的馈线上不推荐采用。考虑一定的时间裕度，变电站10kV出线开关可以设置200～250ms的保护动作延时时间，与变电站变压器低压侧开关仍留有250～300ms的级差，能够确保选择性，从而实现两级级差保护配合。
下面分析三级级差保护配合的可行性。
科学技术的飞速发展带动了开关技术的迅速进步，永磁操动机构和无触点驱动技术使得保护的动作时间显著缩短。永磁操动机构通过工作参数的设计和配合，其分闸时间可以做到10ms左右。无触点电子式分合闸驱动电路分合闸延时时间可以小于1ms。快速保护算法可以在10ms左右完成故障判断。结合上述先进技术的快速保护断路器可以在30ms内将故障电流切除。若馈线开关设置0s保护动作延时，则在30ms内可以快速切断故障电流。考虑一定的时间裕度，上一级馈线开关可以设置100～150ms的保护动作延时时间，变电站10kV出线开关可以设置250～300ms的保护动作延时时间，与变电站变压器低压侧开关仍留有200～250ms的级差能够确保选择性，从而实现三级级差保护配合。
考虑到对于变压器、断路器、负荷开关、隔离开关、线路以及电流互感器在设计选型时是根据后备保护（即变电站变压器低压侧开关的过流保护）的动作时间来进行热稳定校验的，而所建议的多级级差保护配合方案并没有改变后备保护的定值，因此不会对这些设备的热稳定造成影响。
综上所述，采用弹簧储能操动机构至少可以实现两级级差保护配合而不影响上级保护配合，采用永磁操动机构和无触点驱动技术至少可以实现三级级差保护配合而不影响上级保护配合。在系统的抗短路电流承受能力较强的情况下，也可以适当延长变电站变压器低压侧开关的过流保护动作延时时间，并实现更多级保护配合。
三、多级级差保护与电压时间型馈线自动化的配合
电压时间型馈线自动化是基于东芝公司开发的重合器和电压时间型分段器相互配合实现故障隔离与健全区域恢复的技术。
电压时间型馈线自动化的不足之一在于：即使是分支线故障也会导致变电站出线断路器跳闸而造成全线短暂停电。
两级级差保护与电压时间型馈线自动化配合，可以解决上述问题，其配置原则为：
（1）变电站10kV出线开关采用重合器，并设置200～250ms保护动作延时。
（2）主干馈线开关采用电压时间型分段器。
（3）用户开关或分支开关采用断路器，并配有0s保护动作延时时间和一次快速重合闸（延时时间为0.5s）。
采用上述配置后，当主干线发生故障后的处理过程仍与常规电压时间型馈线自动化的处理步骤相同；在分支或用户故障发生后，相应分支或用户断路器首先跳闸（而变电站出线不跳闸），经过0.5s延时后重合，若是暂时性故障则恢复供电，若是永久性故障则再次跳开并闭鎖于分闸状态以隔离故障。可见，在两级级差保护与电压时间型馈线自动化配合方式下，分支或用户故障发生后不会造成全线停电。
当然，也可以实现变电站出线开关、分支开关和用户开关三级级差保护与电压时间型馈线自动化配合，当主干线发生故障后的处理过程仍与常规电压时间型馈线自动化的处理步骤相同；在某一用户故障发生后，不影响其他用户；在某一分支发生故障后，不影响其他分支和主干线。
作者简介：
龚天贵，1970—男，工程师，从事电力系统继电保护及通信自动化管理工作；
张剑驰，1979—男，工程师，从事电力系统生产运行管理工作。
关键词：继电保护；配电网；自动化；级差保护
中图分类号：TP27文献标识码：A 文章编号：
Abstract: Along with the development of national economy and the society progresses, urban distribution network protection automation system gradually become a period of time in the future development direction. This paper discusses the feasibility of the distribution network with multistage protection; this paper puts forward a multi-stage differential protection and voltage time type with the principle of feeder automation, for power distribution automation system planning, design and construction to provide the reference.
Key Words: relay protection; distribution network; automation; differential protection
一、多級级差保护与集中式故障处理的协调配合
1.1两级级差保护的配置原则
两级级差保护配合下，线路上开关类型组合选取及保护配置的原则为：
（1）主干馈线开关全部采用负荷开关。
（2）用户开关或分支开关采用断路器。
（3）变电站出线开关采用断路器。
（4）用户断路器开关或分支断路器开关保护动作延时时间设定为0s；变电站出线断路器保护动作延时时间设定为200～250ms。
采用上述两级级差保护配置后，具有下列优点：
（1）分支或用户故障发生后，相应分支或用户断路器首先跳闸，而变电站出线开关不跳闸，因此不会造成全线停电，有效解决了全负荷开关馈线故障后导致停电用户数多的问题。
（2）不会发生开关多级跳闸或越级跳闸的现象，因此故障处理过程简单，操作的开关数少，瞬时性故障恢复时间短，有效克服了全断路器开关馈线的不足。
（3）主干线采用负荷开关相比全断路器方式降低了造价。
1.2两级级差保护下的集中式故障处理策略
在主干线路上发生故障后，根据主干线线路类型的不同，集中式故障处理的策略建议如下：
1）若主干线为全架空馈线，则集中式故障处理步骤为：
（1）馈线发生故障后，变电站出线断路器跳闸切断故障电流。
（2）经过0.5s延时后，变电站出线断路器重合，若重合成功则判定为瞬时性故障；若重合失败则判定为永久性故障。
（3）主站根据收集到的配电终端上报的各个开关的故障信息判断出故障区域。
（4）若是瞬时性故障，则将相关信息存入瞬时性故障处理记录；若是永久性故障，则遥控故障区域周边开关分闸以隔离故障区域，并遥控相应变电站出线断路器和联络开关合闸恢复健全区域供电，将相关信息存入永久性故障处理记录。
2）若主干线为全电缆馈线，则集中式故障处理步骤为：
（1）馈线发生故障后即认定是永久性故障，变电站出线断路器跳闸切断故障电流。
（2）主站根据收集到的配电终端上报的各个开关的故障信息判断出故障区域。
（3）遥控相应环网柜中的故障区域周边开关分闸隔离故障区域，并遥控相应变电站出线断路器和相应环网柜的联络开关合闸恢复健全区域供电，将相关信息存入永久性故障处理记录。
在分支线路或用户处发生故障后，集中式故障处理步骤为：
（1）相应分支断路器或用户断路器跳闸切断故障电流。
（2）若跳闸分支断路器或用户断路器所带支线为架空线路，则快速重合闸控制开放，经过0.5s延时后相应断路器重合，若重合成功则判定为瞬时性故障；若重合失败则判定为永久性故障。若跳闸分支断路器或用户断路器所带支线为电缆线路，则直接认定为永久性故障而不再重合。
1.3三级级差保护的配置原则
采用永磁操动机构和无触点驱动技术的三级级差保护的典型配置一般有以下几种：
1）变电站10kV出线开关、馈线分支开关与用户开关形成三级级差保护，如图1（a）所示。其中用户开关B1～B4保护动作延时时间设定为0s；馈线分支开关A5、A6保护动作延时时间设定为100～150ms；变电站出线开关保护动作时间设定为250～300ms。
2）变电站10kV出线开关、某个馈线分段开关与馈线分支开关形成三级级差保护，如图1（b）所示。其中馈线分支开关A5、A6、A7保护动作延时时间设定为0s；馈线分段开关A2保护动作延时时间设定为100～150ms；变电站出线开关保护动作延时时间设定为250～300ms。
3）变电站10kV出线开关与环网柜出线开关以及中间某一级环网柜的进线开关形成三级级差保护，如图1（c）所示。其中环网柜出线开关B1～B12保护动作延时时间统一设置为0s；中间开关A4保护动作延时时间设定为100～150ms；变电站出线开关保护动作延时时间设定为250～300ms。
三级级差保护配置情形1
三级级差保护配置情形2
(c)三级级差保护配置情形3
图1三级级差保护典型配置
三级级差保护与集中式故障处理配合的原理与两级级差保护的情况类似，不再赘述。
二、配电网多级保护配合的可行性
2.1基本原理
对于供电半径较长、分段数较少的开环运行农村配电线路，在线路发生故障时，故障位置上游各个分段开关处的短路电流水平差异比较明显时，可以采取电流定值与延时级差配合的方式（如3段式过流保护）实现多级保护配合，有选择性地快速切除故障。
对于供电半径较短的开环运行城市配电线路或分段数较多的开环运行农村配电线路，在线路发生故障时，故障位置上游各个分段开关处的短路电流水平往往差异比较小，无法针对不同的开关设置不同的电流定值，此时仅能依靠保护动作延时时间级差配合实现故障有选择性的切除。
2.2多级级差配合的可行性
多级级差保护配合是指：仅通过对变电站10kV出线开关和10kV馈线开关设置不同的保护动作延时时间来实现保护配合。
为了减少短路电流对系统造成的冲击，变电站变压器低压侧开关（也即10kV母线进线开关）的过流保护动作时间最小仅设置为0.5s，为了不影响上级保护的整定值，需要在此0.5s内安排多级级差保护的延时配合。
目前，馈线断路器（弹簧储能操动机构）开关的机械动作时间一般为30～40ms，熄弧时间10ms左右，保护的固有响应时间30ms左右，因此，馈线开关可以设置0s保护动作延时，在100ms内快速切断故障电流。若在馈线分支开关或用户开关配置过流脱扣断路器或熔断器，考虑到励磁涌流较主干线开关小的多，适当加大脱扣动作电流阈值就可躲过励磁涌流而不必采取延时措施，因此过流脱扣分支断路器或熔断器具有更快的故障切除时间，但是分支线或用户侧熔断器需要人工恢复，不利于瞬时性故障处理，因此在实施配电自动化的馈线上不推荐采用。考虑一定的时间裕度，变电站10kV出线开关可以设置200～250ms的保护动作延时时间，与变电站变压器低压侧开关仍留有250～300ms的级差，能够确保选择性，从而实现两级级差保护配合。
下面分析三级级差保护配合的可行性。
科学技术的飞速发展带动了开关技术的迅速进步，永磁操动机构和无触点驱动技术使得保护的动作时间显著缩短。永磁操动机构通过工作参数的设计和配合，其分闸时间可以做到10ms左右。无触点电子式分合闸驱动电路分合闸延时时间可以小于1ms。快速保护算法可以在10ms左右完成故障判断。结合上述先进技术的快速保护断路器可以在30ms内将故障电流切除。若馈线开关设置0s保护动作延时，则在30ms内可以快速切断故障电流。考虑一定的时间裕度，上一级馈线开关可以设置100～150ms的保护动作延时时间，变电站10kV出线开关可以设置250～300ms的保护动作延时时间，与变电站变压器低压侧开关仍留有200～250ms的级差能够确保选择性，从而实现三级级差保护配合。
考虑到对于变压器、断路器、负荷开关、隔离开关、线路以及电流互感器在设计选型时是根据后备保护（即变电站变压器低压侧开关的过流保护）的动作时间来进行热稳定校验的，而所建议的多级级差保护配合方案并没有改变后备保护的定值，因此不会对这些设备的热稳定造成影响。
综上所述，采用弹簧储能操动机构至少可以实现两级级差保护配合而不影响上级保护配合，采用永磁操动机构和无触点驱动技术至少可以实现三级级差保护配合而不影响上级保护配合。在系统的抗短路电流承受能力较强的情况下，也可以适当延长变电站变压器低压侧开关的过流保护动作延时时间，并实现更多级保护配合。
三、多级级差保护与电压时间型馈线自动化的配合
电压时间型馈线自动化是基于东芝公司开发的重合器和电压时间型分段器相互配合实现故障隔离与健全区域恢复的技术。
电压时间型馈线自动化的不足之一在于：即使是分支线故障也会导致变电站出线断路器跳闸而造成全线短暂停电。
两级级差保护与电压时间型馈线自动化配合，可以解决上述问题，其配置原则为：
（1）变电站10kV出线开关采用重合器，并设置200～250ms保护动作延时。
（2）主干馈线开关采用电压时间型分段器。
（3）用户开关或分支开关采用断路器，并配有0s保护动作延时时间和一次快速重合闸（延时时间为0.5s）。
采用上述配置后，当主干线发生故障后的处理过程仍与常规电压时间型馈线自动化的处理步骤相同；在分支或用户故障发生后，相应分支或用户断路器首先跳闸（而变电站出线不跳闸），经过0.5s延时后重合，若是暂时性故障则恢复供电，若是永久性故障则再次跳开并闭鎖于分闸状态以隔离故障。可见，在两级级差保护与电压时间型馈线自动化配合方式下，分支或用户故障发生后不会造成全线停电。
当然，也可以实现变电站出线开关、分支开关和用户开关三级级差保护与电压时间型馈线自动化配合，当主干线发生故障后的处理过程仍与常规电压时间型馈线自动化的处理步骤相同；在某一用户故障发生后，不影响其他用户；在某一分支发生故障后，不影响其他分支和主干线。
作者简介：
龚天贵，1970—男，工程师，从事电力系统继电保护及通信自动化管理工作；
张剑驰，1979—男，工程师，从事电力系统生产运行管理工作。