基于電流記數型分段器和重合器配合的10kV配電網饋線自動化研究及應用

劉紅偉 封連平 王煥文

（珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海 519060）

1 引言

隨著全球經濟的發展，電力系統行業也發生著突飛猛進的變化，經歷了“知識電網（IntcUIGrid）、現代電網（ModemGrid)、網絡智能（GridWise)等幾個發展階段。近幾年，一些經濟發達國家積極推動可再生能源發展，從而帶動“智能電網”（SmartGrid)的建設，其智能電網技術主要應用在用電和配電領域。我國已經在做有關智能電網的基礎工作，主要是配電網的改造、開發自動抄表系統、發展分布式發電和實施用于負荷管理的需求側管理技術等。特別是國家電網公司即將出臺的“智能電網關鍵設備研制規劃”，將指導和推進我國電網的智能化改造。

10kV配電網是輸配電系統中的一個重要環節，也是智能電網的一個重要環節，具有點多面廣，分布廣泛，系統復雜的特點，目前我國仍存在配電網網架薄弱、供電能力不足、線路設備功能分散且可靠性較差、配電節能降損潛力巨大、多點分散通信瓶頸等問題。此外，我國10kV配電網領域有些地區還處于相當薄弱的環節，尚未實現10kV電網配電自動化，各地區配網改造的狀況也不盡相同。因此如何將現有配電網系統與智能電網改造有機的結合、智能的結合、經濟的結合是我國智能電網改造所面臨的關鍵問題，即智能電網改造也要根據我國電網改造的實際情況進行，而不是盲目的跟隨。早期的“電流記數型保護模式”未能得到大規模應用，主要是國內永磁斷路器技術不夠成熟，且分段器采用分立電子元件，功能單一，靈活性較差。隨著電力行業的不斷發展，國內永磁斷路器的技術已經較為成熟，且微機保護技術也發展到了一個新的階段，因此無論是一次設備還是二次設備均為輻射電網“電流記數型分段器+永磁重合器”保護模式的實現提供了較為堅實的基礎，本文通過對新的保護模式的原理及設備要求進行了詳細的介紹，為10kV配電網智能化改造提供一個新的思路。

2 電流記數型分段器與重合器配合方式的基本原理

電流記數型分段器與10kV支線出線重合器（或具有重合閘功能的斷路器）及10kV變電站出線斷路器相配合使用，在線路某區段發生故障時，能自動檢出故障，并將故障區域隔離，恢復非故障段供電。

電流記數型分段器采用故障電流脈沖記數式原理，對重合器(或帶重合閘功能的斷路器，以下統稱重合器）開斷故障電流的次數進行記數。當動作次數達到分段器設定的整定次數時，分段器在重合器開斷故障電流后輸出分閘信號，分段器本體分閘，隔離故障區域，智能分段控制器自動恢復到初始狀態；當重合器開斷故障電流的次數在復位時間內未達到整定次數，智能分段控制器在復位時間到后，自動恢復到初始狀態，分段器不動作。

相比傳統的保護模式，“電流記數型分段器+永磁重合器”保護方式在線路中間增加一級分段重合器將線路一分為二，減少了變電站出口斷路器的跳閘次數，且最大可將主干線線路劃分為9段區域進行故障隔離，從而提高了供電可靠性。應用見圖1所示。

圖1 典型應用系統圖

2.1 重合器成套裝置（REC）構成及工作原理

構成：重合器成套裝置（簡稱重合器），由斷路器、智能重合器控制器、SPS電源變壓器三部分組成，通過戶外防護控制電纜及航空接插件進行成套電氣連接。

圖2 重合器成套裝置

工作原理：主干線路或大分支線路REC后段發生接地故障或短路故障時，重合器REC直接切除故障，減少靠近電源側的開關動作次數，縮短因故障區域而隔離的線路長度和非故障區域供電恢復時間。

10kV饋線故障有相間短路和單相接地兩種類型，重合器對這兩種故障分別進行處理。

（1）相間短路的故障處理

對于用重合器負荷側的相間短路故障，智能重合控制器通過檢測斷路器內部CT引出的A、B、C相電流與定值比較來判定故障的發生，當發生相間短路故障后，記憶相間短路故障狀態，表1為相間短路故障的處理方式。

表1 重合器相間短路故障處理方式

（2）單相接地的故障處理

目前，我國10kV配電網的中性點接地方式可分為：中性點不接地、中性點經消弧線圈接地和中性點經小電阻接地三種方式。控制器對單相接地故障的基本處理方法是通過檢測從重合器內置零序CT引出的零序電流信號與定值比較來區分和判定用戶界內和界外的單相接地故障，對于重合器電源側的單相接地故障，由于從零序CT檢出的零序電流遠小于重合器負荷側發生單相接地故障時所檢出的零序電流，因此，通過適當的定值整定，即可作出準確地判斷。對于消弧線圈接地系統，由于系統補償后，電流定值未必能夠滿足定值比較要求（特別是長距離架空線路或電纜線路），且故障信息較為復雜，因此，對于消弧線圈接地系統需采用故障電流突變量、零序電流方向、行波檢測及諧波含量等多種判據相結合進行判別。表2為單相接地故障的保護處理方式。

表2 重合器單相接地故障處理方式

（3）自動重合閘與保護配合

按預定的重合時間實現1～3次自動重合閘及后加速保護。

表3 重合器自動重合閘及后加速方式

2.2 電流記數型分段器成套裝置（FD）構成及工作原理

構成：電流記數型分段器成套裝置（簡稱分段器），由負荷開關、智能分段控制器二部分組成，通過戶外防護控制電纜及航空接插件進行成套電氣連接。

圖3 電流記數型分段器成套裝置

主要作用：用于10kV配電系統幅射狀供電網大分支線路處或主干線，對重合器(或帶重合閘功能的斷路器，以下統稱重合器）開斷故障電流的次數進行記數。當動作次數達到智能分段器控制器設定的整定次數時智能分段器控制器在重合器開斷故障電流后即無電壓、無電流的情況下，輸出分閘信號，自動控制分段器本體分閘，隔離故障區域，智能分段器控制器自動恢復到初始狀態；當重合器開斷故障電流的次數在復位時間內未達到整定次數，智能分段控制器在復位時間到后自動恢復到初始狀態，分段器不動作。

故障處理方式：以典型應用舉例介紹如下。

圖4 線路故障示意圖

圖4中，CB為變電站出線斷路器；REC為分段重合器成套設備，重合次數整定為3次；FD1、FD2為分段器成套設備，其中FD1記憶次數整定為3次，FD2記憶次數整定為2次，f1、f2、f3為各區間故障點。

（1）永久性故障處理

當故障發生在區間3時，分段重合器REC在分段器FD2跳閘隔離故障之前跳閘并重合一次，在分段重合器第二次跳閘后，智能分段器控制器輸出分閘信號并自動恢復到初始狀態，分段器跳閘，隔離故障區間3；分段重合器再次合閘，區間1和區間2恢復供電。

當故障發生在區間2時，分段重合器REC在分段器FD1跳閘隔離故障之前跳閘并重合兩次，在分段重合器第三次跳閘后，智能分段控制器輸出分閘信號并自動恢復到初始狀態，分段器跳閘，隔離故障區間2；重合器再次合閘，區間1恢復供電。

當故障發生在區間1時，分段器FD1、FD2無故障電流流過均不動作，分段重合器在重合三次后，加速跳閘，隔離重合器負荷側近區故障。

（2）瞬時性故障處理

對于瞬時性故障，重合器REC跳閘并重合一次，智能分段控制器記數為1次，在復位時間內達不到整定值（2次或3次），智能分段器控制器自動恢復到初始狀態，分段器不動作，線路快速恢復供電。

（3）分段器后備電源的選擇

分段器控制器為典型的微機保護裝置，但區別于傳統的變電站內保護裝置，控制器電源并非來源于直流屏電源系統，而是由線路SPS電源變壓器提供，因此，在線路發生故障，交流失電情況下，分段器控制器在一定時間（復位時間）內，必須保持正常運行狀態，后備電源是維持其工作的必備能源。

目前后備電源主要采用鋁電解電容和電池兩種，但均有其局限性。因此，本分段器控制器后備電源采用新型綠色儲能器件超級電容器作為后備電源。其特點：①體積小，容量大，電容量比同體積電解電容容量大30～40倍，容量范圍：0.1～1000F；②充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，真正免維護；③充放電能力強，且充電速度快，10s內達到額定容量的95%；④失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠；⑤超長壽命，可長達40萬h以上。

3 重合器與分段器配合方式整定原則

3.1 電網保護方式選擇應考慮的原則

（1）從整個電力系統出發，要滿足電力系統的穩定和潮流極限的需要；要保證重要用戶和工業保安用電的需要。

（2）要從系統繼電保護出發進行考慮。不能簡單地考慮一條線或一個設備的保護問題。繼電保護的“四性”要以電力系統要求為衡量的標準。

（3）保護方式的選擇應由簡到繁，設備的選型要求質量好、性能全、運行維護方便、經濟合理，留有發展余地。

3.2 上、下級電網保護之間逐級配合技術要求

為保證電網保護的選擇性，上、下級電網保護之間逐級配合應滿足上、下級繼電保護裝置之間的整定，應遵循逐級配合的原則，滿足選擇性的要求，即當下一級線路貨元件故障時，故障線路或元件的繼電保護整定值必須在靈敏度和動作時間上均與上一級線路或元件的繼電保護整定值相互配合，以保證電網發生故障時有選擇性地切除故障。

因此重合器、分段器及變電站出線斷路器整定配合的原則：階段特性配合，同種故障類型的保護之間進行配合即相間保護和相間保護、接地保護和接地保護。

分段重合器保護定值應于與變電站出線斷路器保護定值進行級差配合，保證分段重合器負荷側線路發生故障，變電站出線斷路器不動作，且重合器定值應整定為保護到整條線路的末端，與分段器實現配合；分段重合器重合次數設定為3次，且重合時間盡可能滿足最長故障處理時間不大于 20s的原則進行整定，實現線路故障的快速處理。

智能分段器控制器的起動電流整定值應大于線路最大負荷電流的（1.2～1.5）倍，同時應與上級保護設備（重合器）定值進行級差配合，比上級保護設備定值小一個級差，起動電流應小于線路最小短路電流。

智能分段器控制器的復位時間整定值應比分段重合器重合時間及故障處理時間之和大一個級差，如重合器重合時間及故障處理時間為18s，則智能分段控制器的復位時間整定值應大于18s，可整定為20s。

智能分段控制器的記憶次數整定：主干線控制器一般整定為2、3次，分支線一般整定為1、2次，且分段控制器主干線之間，及主干線與分支線分段器控制器整定次數必須有級差配合，即上級保護分段器整定次數應比下級保護分段器整定次數多一次，否則線路故障時，會發生多臺分段器同時分閘的保護配合失當事故發生。

4 結論

遼寧省在2008年10kV智能配電網饋線自動化改造中，采用了“電流記數型分段器+重合器”配合保護模式，利用分段器的記數和自動分段功能排除永久性故障，確保非故障線路的正常送電。對于瞬時故障，智能分段器能在規定的時間內進行記數和復位。分段器與智能重合器相配合，實現故障的線路故障的隔離，因此，電流記數型保護模式對智能重合器控制器的可靠性有較高的要求，需要具備3次重合閘功能，靈活的定值整定，便于與上、下級保護裝置進行配合，且需具備良好的抗干擾性能，特別是與永磁重合器相配合，需要處理好永磁斷路器分、合閘時發出的強烈干擾信號，不至于影響重合器控制器的正常工作。同時由于此種保護模式，線路任一段發生故障均會導致重合器動作，對永磁重合器本體的開端能力和使用壽命均有較高的要求。所以重合器成套裝置及分段器成套裝置的高可靠性是保證線路供電高可靠性和故障判別正確性的必要條件。此外，重合器控制器和分段器控制器可以通過光纖、FSK、GPRS、CDMA、GSM及以太網等通信方式與后臺主站通信，實時監視配電設備和配電線路的狀態，實現配電網絡的動態管理，達到合理分配負荷、有效利用能源的目的。

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