重合闸在智能配电网中的应用

(国网康平县供电公司，辽宁 康平110500)

摘 要： 在现代社会，智能电网已经成为电力系统发展变革的必然方向，也是电力系统科技创新的必然趋势。在发展智能电网的过程中，电网需要可以兼容并不断地将分布式电源（Distributed Generation，DG）加入其中。DG是一种小型的(容量一般小于50 MW)环保发电技术，其特点是容量小、电压等级低、投资少、费用低、灵活性高等。DG可以提高电网经济效益，也可以保证电力系统的安全性，提高电力系统的灵活性。利用DG在重合闸动作时所造成的两种威胁，归纳出在对原有保护和重合闸的配合以及断路器联跳做出改变时所做出的应对方法，并利用MATLAB/SIMULINK对其进行仿真模拟，证明其有效性。

0 引言

DG大量的并入配电网后，配电网由传统的单电源辐射网变为双电源或者多电源结构，配电系统的运行也出现了非常大的变化，与此同时，配电网继电保护与重合闸之间的配合也产生了很大的变化。文献[1-3]研究了DG并入配电网后对重合闸的影响，但是并没有具体的解决措施。文献[4]研究了DG接入110 kV变电站后对继电保护和重合闸的影响，但是不适用于线路。文献[5]研究了DG对配电网优化运行的影响。本文主要研究DG并入配电网后所产生的影响，在继电保护与重合闸之间做出一些改动，然后将断路器联跳的方法加入其中，弥补重合闸造成的缺陷。

1 DG并入配电网后对重合闸的影响

重合闸与配电网继电保护的配合分为重合闸前加速保护和重合闸后加速保护。对于配电网而言，都是将重合闸前加速保护运用其中，这样当线路上（包括相邻或者以后的线路）发生故障时，靠近电源侧的保护首先无选择性地瞬时动作于跳闸，然后利用重合闸来纠正这种动作。这种保护动作的优点是未等瞬时性故障发展成永久性故障时便快速地切除故障，因此此方法不但可以提高重合闸的成功率，而且可以减少电力元件的损坏。但是其缺点是切除永久性故障的时间较长，还可能造成停电范围扩大。重合闸后加速保护广泛应用于35 kV以上的电网中，当保护线路发生故障时，保护装置有选择性地将故障线路切除，但不足之处是可能存在短暂延时。当DG并入配电网后，保护线路发生故障后重合闸，此时DG与线路没有跳离，这种情况下可能会产生非同期重合闸和故障点电弧重燃两种情况。下面在一个含DG的10 kV配电网中（图1）介绍这两种潜在的威胁。

1.1 孤岛现象

孤岛现象是指因为电气故障或者其他因素而造成电网断电，但此时DG仍然向附近的负载供电，从而形成一个电力孤岛，此孤岛总网络无法控制，因此对配电网络有极其严重的危害。首先，由于其不受电力系统支配，使电压和频率无法得到控制，这样则可能造成电力设备损坏；其次，由于电力孤岛孤立运行，不受支配，所以线路仍然带电，对线路检修人员的人身安全会造成极大的威胁；第三因为孤岛重新与电力系统并列运行时，孤岛也许会与系统不同步，可能会对分布式发电设备造成损坏。

1.2 非同期重合闸

当F1点发生故障时，断路器跳闸，但是DG仍然在配电网中连接，从而形成电力孤岛。系统电源和电力孤岛之间也可能会在跳闸与重合闸之间这段时间产生相交差，如果在这个时间非同期重合闸，将会产生非常大的冲击电流，图2为非同期重合闸产生的故障暂态电流。重合闸也会因为冲击电流所造成的线路保护误动作而失去快速恢复瞬时性故障的能力。而且DG容量的大小对冲击电流的影响也很大，冲击电流会因为DG容量过大而对发电机组造成损坏。

1.3 故障点电弧重燃

当发生故障引起断路器跳闸，若想重合闸，则需要经过短暂的时延，使电弧熄灭以及使介质绝缘强度得以恢复。发生故障后，系统电源断开，DG仍与故障点相连，形成电力孤岛，持续不断地向故障点提供电流，使电弧无法熄灭。若在电弧不熄灭的情况下重合闸使系统电源重新接入，极有可能会产生阶跃电流，造成绝缘击穿，使事故更加严重。所以只有断开DG与故障点之间的联系才能重合闸。图3为故障电流跃变轨迹。

配电网一般都采用重合闸前加速保护，当线路上出现任何故障，都会引起断路器瞬时跳闸，为了不发生这两种状况，则必须在DG解列后再进行重合闸，但是这样的方法不仅使恢复供电时间增加，还使运行变得更加复杂了。

2 解决方案

本文利用配电网保护与重合闸之间的一些改动，并且通过通信线路发出跳闸信号使断路器联跳的方法，使DG快速解列，然后重合闸，这样就可以消除DG并入配电网时对重合闸产生的影响。

2.1 解决方案与分析

此次讨论的方法在原有的配电网三段式电流保护的基础上安装方向原件。本文以DG为界，将馈线分为2个区间。系统电源与DG之间的区间为A区间，此区间采用重合闸后加速保护，这样保护装置就可以有选择性地将故障线路切除，与此同时，为了防止DG受到负序电流的冲击，则利用通信线路所产生的信号使DG侧的断路器联跳，做到瞬间解列。馈线上的保护配置检线路无压重合闸，DG侧的保护配置检同期重合闸。只有为瞬时性故障时，DG才采用检同期重合闸。若为永久性故障，DG不需要重合闸。

DG与线路终端之间的区间为B区间，在此区间内出现故障，保护瞬间动作，跳闸并切除故障，因此采用重合闸前加速保护。因为不需要DG解列，所以让DG与系统电源持续连接，供其持续运行。下面对图1中所画的含DG的10 kV配电网进行保护动作分析。

（1）当在A区间发生故障F1时，此区间采用重合闸后加速保护，所以动作有选择性。首先断路器1跳闸，然后通过通信线路将跳闸信号传给DG侧的断路器4，断路器4随即跳闸，使DG解列，形成电力孤岛。短时间之后，断路器1会检无压重合闸。接下来的情况分为两种：瞬时性故障和永久性故障。若为前者，则断路器4会在断路器1重合闸后同期重合闸；若为后者，故障点未消除，断路器1会继续跳闸，断路器4则不动作。

（2）B区间采用的是重合闸前加速保护方式，当发生故障F2时，断路器3跳闸，短时间后断路器3重合闸。和之前一样会出现两种情况，即瞬时性故障和永久性故障。若为前者，断路器3重合闸成功，若为后者则继续跳闸。DG在此过程中无需解列，由于此区间保护配置基本一样，所以无需加装其他元件。

2.2 仿真模拟算例

本文利用MATLAB/SIMULINK进行仿真模拟，主要仿真A区间保护动作，故障由短路故障模拟。由带阻抗串联支路的三相电源模块模拟系统电源，由简单同步电机模块模拟DG。系统电源额定电压为10.5 kV，基准容量为350 MVA。DG的额定电压为10.5 kV，额定容量为3 MVA。线路长30 km，终端负荷为50 MW。

如图4所示，当发生瞬时性三相短路故障时，故障时间为0.03 s～0.07 s。在0.03 s时，断路器1检测到故障，跳闸信号在0.05 s后发出，即0.08 s时，保护同时将跳闸信号通过通信线路向DG侧的断路器4发出，跳闸后0.4 s断路器1重合闸成功，DG侧保护检同期重合闸。图5为线路保护和DG侧保护的动作信号波形图。

图6所示为当发生永久性三相短路故障时故障电流波形图。起始时间为0.03 s，当故障发生时保护1检测到故障，跳闸信号在0.05 s后发出，保护在0.08 s时将跳闸信号通过通信线路向DG侧发出，跳闸后0.4 s断路器1重合闸未成功，该故障未消除，0.01 s后继续跳闸，断路器4在此时不重合闸。图7为线路保护和DG侧保护的动作信号波形图。

3 结论

配电网的自动重合闸能够提高配电网的运行可靠性和稳定性，但是DG并入配电网后重合闸将会与原来有所不同，所以不仅要加装方向性元件，还要采用断路器联跳的方法，使保护配置得以改进。本方案的特点就是用通信线路传递跳闸信号，第一可以使DG在线路出现故障时迅速解列，第二可以防止负序电流冲击DG。本文实验均保持并利用原有保护配置，经济实用，对DG的发展有很大的帮助。

参考文献

[1] 沈汉章.分布式发电对配电网重合闸的影响[J].科技资讯，2009，32（11）：86-88.

[2] 王希舟，陈鑫，罗龙，等.分布式发电与配电网保护协调性研究[J].继电器，2006，34（3）：15-19.

[3] 张献斌，王丽娟.浅谈分布式发电对配电网及重合闸的影响[J].工业科技，2009，37（6）：60-61.

[4] 庞建业，夏晓宾，房牧.分布式发电对配电网继电保护的影响[J].继电器，2007，35（11）：5-8.

[5] 秦艳辉，张葛祥.含分布式电源的配电网重构优化研究[D].成都：西南交通大学，2012.