CN112234588A - 一种基于断路器的配电网线路保护系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于断路器的配电网线路保护系统及方法，该系统包括三级保护模块和故障判断及处理模块，三级保护模块包括出线断路器保护模块、分段断路器保护模块和分支断路器保护模块；每级保护模块配置有过流保护；故障判断及处理模块判断故障位置和故障类型，根据不同的故障位置和不同的故障类型，控制各级保护模块动作。本发明将配电网的出线断路器、分段断路器、分支断路器处保护分为三级，在配置各级过流保护的同时，结合不同的保护定值和延时整定方式、重合闸策略，不但可以保证出线断路器快速切除故障，也可分区段隔离故障，尽量减小故障停电范围。

Description

一种基于断路器的配电网线路保护系统及方法
技术领域
本发明涉及配电网线路保护技术领域，具体涉及一种基于断路器的配电网线路保护系统及方法。
背景技术
在配电网系统中，为提高系统的故障切除能力及速度，分段及分支处逐渐替代负荷开关使用断路器进行开断，并且每条配电线路的沿线包括多个分段断路器和分支断路器，系统较为复杂。
在传统的过流保护方案无法配合的条件下，配电网保护方案往往只强调保证系统自身的安全，没有充分考虑如何使用户免受故障的影响。以此为指导，目前实际工程中通常对基于断路器的配电网线路保护配置进行简化，同时存在若干问题：
(1)只在变电站出线断路器处配置过流速断保护，并不考虑与分段/分支断路器处保护的配合关系。此时，当分支故障时，会造成整条线路停电，并无法定位故障；
(2)在分段/分支断路器处配置过流速断保护，在变电站出线断路器处配置带时限的电流保护(延时大于0.3s)。虽然这样可以缩小分支故障时的停电范围，但使得出线断路器对于大电流故障的切除时间过长，造成变电站母线电压出现长时间的骤降，威胁系统运行安全及同母线非故障线路的正常供电。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于断路器的配电网线路保护系统及方法，以保证断路器快速切除故障，并分区段隔离故障，尽量减小故障停电范围。
本发明采用如下的技术方案实现：
本发明的第一方面提供了一种基于断路器的配电网线路保护系统，包括三级保护模块和故障判断及处理模块，
所述三级保护模块包括出线断路器保护模块、分段断路器保护模块和分支断路器保护模块；每级保护模块配置有过流保护；
所述故障判断及处理模块判断故障位置，根据不同的故障位置，控制各级保护模块动作。
进一步的，所述出线断路器保护模块包括：
过流I段保护，保护定值Iset_1为线路末段最大短路电流，延时为T1；
过流II段保护，保护定值Iset_2为线路最大负荷电流，延时为T2，T2＝T1+△T；△T为设置的时间间隔；
二次重合闸，重合闸时间为tCB，tCB＞tk，tk为断路器的固有动作时间。
进一步的，延时T1设置为0s；和/或，△T设置为0.5s。
进一步的，所述分段断路器保护模块包括：
过流I段保护，保护定值I’set_1＝Iset_1，延时为T1’；
过流II段保护，保护定值I’set_2＝Iset_2，延时为T2’，T2’＝T2-△T’；△T’为设置的时间间隔；
二次重合闸，对于首分段断路器处的重合闸功能，延时tFD1＞tCB_cd,其中tCB_cd为出线断路器的重合闸充电时间；首分段之后FD2～FD3断路器的重合闸功能，延时依次增加△t，即tFD2＞tFD1+△t、tFD3＞tFD2+2×△t；具备合闸时间闭锁功能，即，当断路器合闸时间小于时间定值thz时，闭锁重合闸功能。
进一步的，延时T1’设置为0s；和/或，△T’设置为0.2s；和/或，△t设置为1s；和/或，时间定值thz与各分段断路器重合闸时间级差△t配合，thz＝△t-0.1s，当△t设置为1s时，thz为0.9s。
进一步的，所述分支断路器保护模块包括：
过流I段保护，保护定值I”set_1＝Iset_2，延时TI”，优选的，延时T1”设置为0s；
过流II段保护，保护定值I”set_2≥Imax.fh，其中Imax.fh为分支线路最大负荷电流。
本发明的第二方面提供了一种基于断路器的配电网线路保护方法，采用如前所述的保护系统进行保护，包括如下步骤：
判断故障发生的位置，根据不同的故障位置，控制各级保护模块动作；
所述故障位置包括主干线各段故障和分支线路故障。
进一步的，当首分段断路器之后发生故障时：
(1)故障类型为瞬时性故障时：
如果故障电流If＞Iset_1，
Step1：出线断路器、首分段断路器FD1过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器重合闸；
Step3：首分段断路器FD1重合闸，整条线路恢复供电。
如果故障电流Iset_1＞If＞Iset_2，
Step1：首分段断路器FD1过流II段保护动作，隔离故障；
Step2：首分段断路器FD1重合闸，整条线路恢复供电；
(2)故障类型为永久性故障时：
如果故障电流If＞Iset_1，
Step1：出线断路器、首分段断路器FD1过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器重合闸；
Step3：1s后，首分段断路器FD1重合闸，合于故障；
Step4：出线断路器、首分段断路器FD1过流I段保护同时瞬时动作，再次快速隔离故障；首分段断路器FD1合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁；
Step5：出线断路器再次重合闸，首分段断路器FD1前主干线恢复供电；
如果故障电流Iset_1＞If＞Iset_2，
Step1：首分段断路器FD1过流II段保护动作，隔离故障；
Step2：首分段断路器FD1重合闸，合于故障；
Step3：首分段断路器FD1过流II段保护动作，再次隔离故障；
首分段断路器FD1合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁；
首分段断路器FD1前主干线恢复供电。
进一步的，当主干线末段发生故障时：
(1)故障类型为瞬时性故障时：
如果故障电流If＞Iset_1，
Step1：出线断路器、所有分段断路器过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器重合闸；
Step3：分段断路器依次重合闸，整条线路恢复供电；
如果故障电流Iset_1＞If＞Iset_2，
Step1：所有分段断路器过流II段保护同时动作，隔离故障；
Step2：分段断路器依次重合闸，整条线路恢复供电；
(2)故障类型为永久性故障时：
如果故障电流If＞Iset_1，
Step1：出线断路器、所有分段断路器过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器重合闸；
Step3：分段断路器依次重合闸，合于故障；
Step4：出线断路器、所有分段断路器过流I段保护同时瞬时动作，再次快速隔离故障；末段的分段断路器合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁；
Step5：出线断路器再次重合闸，除末段外的分段断路器依次进行第二次重合闸，末段的分段断路器前主干线恢复供电；
如果故障电流Iset_1＞If＞Iset_2，
Step1：所有分段断路器过流II段保护同时动作，隔离故障；
Step2：所有分段断路器依次重合闸，合于故障；
Step3：所有分段断路器过流II段保护同时动作，再次隔离故障；此时末段的分段断路器合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁；前端的分段断路器前主干线恢复供电；
Step4：除末段外的分段断路器再次重合闸，末段分段断路器前主干线恢复供电。
进一步的，当发生分支线故障时：
如果故障电流If＞Iset_1，
Step1：出线断路器、该分支线之前的分段断路器、该分支线的分支断路器过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器重合闸；
Step3：该分支线之前的分段断路器依次重合闸，主干线恢复供电；
如果故障电流If＜Iset_1，
Step1：该分支线的分支断路器过流II段保护动作，隔离故障。
综上所述，本发明提供了一种基于断路器的配电网线路保护系统及方法，该系统包括三级保护模块和故障判断及处理模块，三级保护模块包括出线断路器保护模块、分段断路器保护模块和分支断路器保护模块；每级保护模块配置有过流保护；故障判断及处理模块判断故障位置和故障类型，根据不同的故障位置和不同的故障类型，控制各级保护模块动作。本发明将配电网的出线断路器、分段断路器、分支断路器处保护分为三级，在配置各级过流保护的同时，结合不同的保护定值和延时整定方式、重合闸策略，不但可以保证出线断路器快速切除故障，也可分区段隔离故障，尽量减小故障停电范围。
附图说明
图1是本发明实施例的基于断路器的配电网保护系统的结构示意框图；
图2是本发明实施例的配电网保护系统的三级保护结构示意框结构图；
图3是本发明实施例的配电网保护系统的故障发生位置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的第一方面提供了一种基于断路器的配电网线路保护系统，如图1所示，包括三级保护模块和故障判断及处理模块，三级保护模块包括出线断路器保护模块、分段断路器保护模块和分支断路器保护模块；每级保护模块配置有过流保护；故障判断及处理模块判断故障位置，根据不同的故障位置，控制各级保护模块动作。
具体的，如图2所示，给出了各级保护模块所处位置及保护配置。
(1)第一级保护模块为出线断路器保护模块
出线断路器(CB)处配置过流I段保护，保护定值Iset_1按照躲过线路末端最大短路电流整定，延时T1优选为0s，保证出线断路器能够快速切除大电流故障。配置过流II段保护，其保护定值Iset_2按照躲过线路最大负荷电流整定，延时T2＝T1+△T，其中△T为设置的时间间隔，优选的，可设置为0.5s，保证弱故障时保护的灵敏度。配置二次重合闸，配合分段断路器(FD1～FD3)完成故障区段的隔离。重合闸时间tCB＞tk，其中tk为断路器的固有动作时间。
(2)第二级保护模块为分段断路器保护模块
分段断路器(FD1～FD3)处配置过流I段保护，保护定值I’set_1＝Iset_1，延时TI’优选设为0s，保证分段断路器能够快速切除大电流故障。配置过流II段保护，保护定值I’set_2＝Iset_2，延时T2’，T2’＝T2-△T’；△T’为设置的时间间隔，优选的，△T’设置为0.2s，保证主干线首分段(FD1)之后发生弱故障时，避免出线断路器的跳开导致扩大停电范围。配置二次重合闸，可完成故障区段的隔离：①对于首分段(FD1)处的重合闸功能，延时tFD1＞tCB_cd(tCB_cd为出线断路器的重合闸充电时间)；②首分段之后FD2～FD3断路器的重合闸功能，延时依次增加△t，即tFD2＞tFD1+△t、tFD3＞tFD2+2×△t，其中△t可设置为1s；③具备合闸时间闭锁功能，即，当断路器合闸时间小于时间定值thz时，闭锁重合闸功能；时间定值thz可与各分段断路器重合闸时间级差△t配合，取△t-0.1s＝0.9s。
(3)第三级保护模块为分支断路器保护模块
分支断路器(FZ1～FZ3)处配置过流I段保护，保护定值I”set_1＝Iset_2，延时TI”优选设置为0s，能够与出线、分段断路器处的保护配合，减小分支故障的停电范围。配置过流II段保护，保护定值I”set_2≥Imax.fh，其中Imax.fh为分支线路最大负荷电流，可对故障有足够的灵敏度。
所述各级保护模块可以调整保护的段数，不限于上述的I段、II段过流保护，比如配置出线断路器、分段断路器及分支断路器处各配置三段式过流保护。
本发明的第二方面提供了一种基于断路器的配电网线路保护方法，采用如前所述的保护系统进行保护，包括如下步骤：
判断故障发生的位置，根据不同的故障位置控制各级保护模块动作；故障位置包括主干线前段故障、主干线末段故障和分支线路故障。
以图3中的故障为例，阐述本发明的保护方法：
(1)首分段断路器之后(K1点)故障
a)瞬时性故障
Figure BDA0002768967840000071
故障电流If＞Iset_1
Step1：出线断路器(CB)、分段断路器(FD1)过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器(CB)重合闸；
Step3：分段断路器(FD1)重合闸，整条线路恢复供电。
Figure BDA0002768967840000081
故障电流Iset_1＞If＞Iset_2
Step1：分段断路器(FD1)过流II段保护动作，隔离故障；
Step2：分段断路器(FD1)重合闸，整条线路恢复供电。
b)永久性故障
Figure BDA0002768967840000082
故障电流If＞Iset_1
Step1：出线断路器(CB)、分段断路器(FD1)过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器(CB)重合闸；
Step3：1s后，分段断路器(FD1)重合闸，合于故障；
Step4：出线断路器(CB)、分段断路器(FD1)过流I段保护同时瞬时动作，再次快速隔离故障。此时分段断路器(FD1)合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁。
Step5：出线断路器(CB)再次重合闸，分段断路器FD1前主干线恢复供电。
Figure BDA0002768967840000083
故障电流Iset_1＞If＞Iset_2
Step1：分段断路器(FD1)过流II段保护动作，隔离故障；
Step2：分段断路器(FD1)重合闸，合于故障；
Step3：分段断路器(FD1)过流II段保护动作，再次隔离故障。此时分段断路器(FD1)合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁。分段断路器FD1前主干线恢复供电。
(2)主干线末端(K2点)故障
a)瞬时性故障
Figure BDA0002768967840000084
故障电流If＞Iset_1
Step1：出线断路器(CB)、分段断路器(FD1～FD3)过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器(CB)重合闸；
Step3：分段断路器(FD1～FD3)依次重合闸，整条线路恢复供电。
Figure BDA0002768967840000091
故障电流Iset_1＞If＞Iset_2
Step1：分段断路器(FD1～FD3)过流II段保护同时动作，隔离故障；
Step2：分段断路器(FD1～FD3)依次重合闸，整条线路恢复供电。
b)永久性故障
Figure BDA0002768967840000092
故障电流If＞Iset_1
Step1：出线断路器(CB)、分段断路器(FD1～FD3)过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器(CB)重合闸；
Step3：分段断路器(FD1～FD3)依次重合闸，合于故障；
Step4：出线断路器(CB)、分段断路器(FD1～FD3)过流I段保护同时瞬时动作，再次快速隔离故障；此时分段断路器(FD3)合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁。
Step5：出线断路器(CB)再次重合闸，分段断路器(FD1～FD2)也依次进行第二次重合闸，分段断路器FD3前主干线恢复供电。
Figure BDA0002768967840000093
故障电流Iset_1＞If＞Iset_2
Step1：分段断路器(FD1～FD3)过流II段保护同时动作，隔离故障；
Step2：分段断路器(FD1～FD3)依次重合闸，合于故障；
Step3：分段断路器(FD1～FD3)过流II段保护同时动作，再次隔离故障；此时分段断路器(FD3)合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁。分段断路器FD1前主干线恢复供电。
Step4：分段断路器(FD1～FD2)再次重合闸，分段断路器FD3前主干线恢复供电。
(3)分支线K3点故障
Figure BDA0002768967840000101
故障电流If＞Iset_1
Step1：出线断路器(CB)、该分支线之前的所有分段断路器(FD1～FD3)、分支断路器(FZ3)过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器(CB)重合闸；
Step3：该分支线之前的所有分段断路器(FD1～FD2)依次重合闸，主干线恢复供电；
Figure BDA0002768967840000102
故障电流If＜Iset_1
Step1：分支断路器(FZ3)过流II段保护动作，隔离故障。
综上所述，本发明提供了一种基于断路器的配电网线路保护系统及方法，该系统包括三级保护模块和故障判断及处理模块，三级保护模块包括出线断路器保护模块、分段断路器保护模块和分支断路器保护模块；每级保护模块配置有过流保护；故障判断及处理模块判断故障位置和故障类型，根据不同的故障位置和不同的故障类型，控制各级保护模块动作。本发明将配电网的出线断路器(CB)、分段断路器(FD1～FD3)、分支断路器(FZ1～FZ3)处保护分为三级，在配置各级过流保护的同时，结合不同的保护定值和延时整定方式、重合闸策略，不但可以保证出线断路器快速切除故障，也可分区段隔离故障，尽量减小故障停电范围。
以上给出了本发明涉及具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于断路器的配电网线路保护系统，其特征在于，包括三级保护模块和故障判断及处理模块，
所述三级保护模块包括出线断路器保护模块、分段断路器保护模块和分支断路器保护模块；每级保护模块配置有过流保护；
所述故障判断及处理模块判断故障位置，根据不同的故障位置，控制各级保护模块动作。
2.根据权利要求1所述的基于断路器的配电网线路保护系统，其特征在于，所述出线断路器保护模块包括：
过流I段保护，保护定值Iset_1为线路末段最大短路电流，延时为T1；
过流II段保护，保护定值Iset_2为线路最大负荷电流，延时为T2，T2＝T1+△T；△T为设置的时间间隔；
二次重合闸，重合闸时间为tCB，tCB＞tk，tk为断路器的固有动作时间。
3.根据权利要求2所述的基于断路器的配电网线路保护系统，其特征在于，延时T1设置为0s；和/或，△T设置为0.5s。
4.根据权利要求2或3所述的基于断路器的配电网线路保护系统，其特征在于，所述分段断路器保护模块包括：
过流I段保护，保护定值I’set_1＝Iset_1，延时为T1’；
过流II段保护，保护定值I’set_2＝Iset_2，延时为T2’，T2’＝T2-△T’；△T’为设置的时间间隔；
二次重合闸，对于首分段断路器处的重合闸功能，延时tFD1＞tCB_cd,其中tCB_cd为出线断路器的重合闸充电时间；首分段之后FD2～FD3断路器的重合闸功能，延时依次增加△t，即tFD2＞tFD1+△t、tFD3＞tFD2+2×△t；具备合闸时间闭锁功能，即，当断路器合闸时间小于时间定值thz时，闭锁重合闸功能。
5.根据权利要求4所述的基于断路器的配电网线路保护系统，其特征在于，延时T1’设置为0s；和/或，△T’设置为0.2s；和/或，△t设置为1s；和/或，时间定值thz与各分段断路器重合闸时间级差△t配合，thz＝△t-0.1s，当△t设置为1s时，thz为0.9s。
6.根据权利要求2或3所述的基于断路器的配电网线路保护系统，其特征在于，所述分支断路器保护模块包括：
过流I段保护，保护定值I”set_1＝Iset_2，延时TI”，优选的，延时T1”设置为0s；
过流II段保护，保护定值I”set_2≥Imax.fh，其中Imax.fh为分支线路最大负荷电流。
7.一种基于断路器的配电网线路保护方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的保护系统进行保护，
判断故障发生的位置，根据不同的故障位置，控制各级保护模块动作；所述故障位置包括主干线各段故障和分支线路故障。
8.根据权利要求7所述的一种基于断路器的配电网线路保护方法，其特征在于，当首分段断路器之后发生故障时：
(1)故障类型为瞬时性故障时：
如果故障电流If＞Iset_1，
Step1：出线断路器、首分段断路器过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器重合闸；
Step3：首分段断路器重合闸，整条线路恢复供电；
如果故障电流Iset_1＞If＞Iset_2，
Step1：首分段断路器过流II段保护动作，隔离故障；
Step2：首分段断路器重合闸，整条线路恢复供电；
(2)故障类型为永久性故障时：
如果故障电流If＞Iset_1，
Step1：出线断路器、首分段断路器过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器重合闸；
Step3：1s后，首分段断路器重合闸，合于故障；
Step4：出线断路器、首分段断路器过流I段保护同时瞬时动作，再次快速隔离故障；首分段断路器合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁；
Step5：出线断路器再次重合闸，首分段断路器前主干线恢复供电；
如果故障电流Iset_1＞If＞Iset_2，
Step1：首分段断路器过流II段保护动作，隔离故障；
Step2：首分段断路器重合闸，合于故障；
Step3：首分段断路器过流II段保护动作，再次隔离故障；分段断路器合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁；分段断路器前主干线恢复供电。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于断路器的配电网线路保护方法，其特征在于，当主干线末段发生故障时：
(1)故障类型为瞬时性故障时：
如果故障电流If＞Iset_1，
Step1：出线断路器、所有分段断路器过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器重合闸；
Step3：分段断路器依次重合闸，整条线路恢复供电；
如果故障电流Iset_1＞If＞Iset_2，
Step1：所有分段断路器过流II段保护同时动作，隔离故障；
Step2：分段断路器依次重合闸，整条线路恢复供电；
(2)故障类型为永久性故障时：
如果故障电流If＞Iset_1，
Step1：出线断路器、所有分段断路器过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器重合闸；
Step3：分段断路器依次重合闸，合于故障；
Step4：出线断路器、所有分段断路器过流I段保护同时瞬时动作，再次快速隔离故障；末段的分段断路器合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁；
Step5：出线断路器再次重合闸，除末段外的分段断路器依次进行第二次重合闸，末段的分段断路器前主干线恢复供电；
如果故障电流Iset_1＞If＞Iset_2，
Step1：所有分段断路器过流II段保护同时动作，隔离故障；
Step2：所有分段断路器依次重合闸，合于故障；
Step3：所有分段断路器过流II段保护同时动作，再次隔离故障；此时末段的分段断路器合闸时间小于0.9s，第二次重合闸被闭锁；前端的分段断路器前主干线恢复供电；
Step4：除末段外的分段断路器再次重合闸，末段分段断路器前主干线恢复供电。
10.根据权利要求7或8或9所述的一种基于断路器的配电网线路保护方法，其特征在于，当发生分支线故障时：
如果故障电流If＞Iset_1，
Step1：出线断路器、该分支线前的分段断路器、该分支线的分支断路器过流I段保护同时瞬时动作，快速隔离故障；
Step2：出线断路器重合闸；
Step3：该分支线前的分段断路器依次重合闸，主干线恢复供电；
如果故障电流If＜Iset_1，
Step1：该分支线的分支断路器过流II段保护动作，隔离故障。
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