10 kV混合線路重合閘投退原則探討

馮新凱，劉遠(yuǎn)龍，劉　虎

（1.青島大學(xué)自動化工程學(xué)院，山東　青島　266071；2.山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南　250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東　煙臺　264000）

·經(jīng)驗交流·

10 kV混合線路重合閘投退原則探討

馮新凱1，劉遠(yuǎn)龍2，劉虎3

（1.青島大學(xué)自動化工程學(xué)院，山東青島266071；2.山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南250001；3.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東煙臺264000）

隨著城市化建設(shè)的推進(jìn)，架空線路逐步被電纜線路所取代，勢必會出現(xiàn)越來越多的電纜和架空混合線路。按各地調(diào)度規(guī)程的規(guī)定，全架空線路投自動重合閘；全電纜線路不投自動重合閘；但電纜和架空混合線路中重合閘的投退沒有明確的規(guī)定。從電力系統(tǒng)的安全性和可靠性出發(fā)，通過分析各地混合線路重合閘投退原則的實例，綜合考慮電纜的類型和敷設(shè)方式、運行時間等因素的影響，用ATP-EMTP仿真分析來計算電纜線路長度占全長線路的最佳比例，以此來確定重合閘的投退，提出一個比較合理的10kV混合線路重合閘投退原則。

混合線路；重合閘；投退原則；安全性

0　引言

對于全架空線路，由于發(fā)生瞬時性故障率高達(dá)90%，投入重合閘；對于全電纜線路，考慮到發(fā)生故障大部分為永久性故障，則退出重合閘［1-3］。而國內(nèi)對于既有架空線路又有電纜線路的混合線路，重合閘的投退執(zhí)行著不同的標(biāo)準(zhǔn)，如上海、廣州等大城市對混合線路全投重合閘，福州、廈門等地區(qū)則根據(jù)電纜和全長線路的長度關(guān)系確定重合閘的投退［4］，混合線路中重合閘的投退沒有統(tǒng)一原則。因此，需要制定一個合理的標(biāo)準(zhǔn)來確定混合線路中重合閘的投退。

1　10 kV線路重合閘原理

隨著城市化建設(shè)的推進(jìn)，為滿足城市美化的需要，10 kV架空線路正逐步被取代為電纜線路，電纜線路越來越多，導(dǎo)致出現(xiàn)3種10kV線路類型：全架空線路、全電纜線路、架空和電纜混合線路［5］。

1.110 kV線路結(jié)構(gòu)

10 kV線路一致性較差，線路所帶用戶負(fù)荷性質(zhì)多種多樣，可能為不同等級變電站的出線，且線路長度有長有短。10 kV線路典型結(jié)構(gòu)類型有：單電源輻射結(jié)構(gòu)、有備用電源的雙電源輻射結(jié)構(gòu)、環(huán)式結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)等，目前仍以輻射型供電為主，下面以輻射型結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行討論。

我國10 kV線路保護(hù)一般由速斷保護(hù)、過電流和三相一次重合閘構(gòu)成［6］。雖然保護(hù)配置簡單，但鑒于10 kV混合線路越來越多和對供電可靠性要求的增高，重合閘的投退問題值得重視。

1.2動作過程分析

以單電源輻射型10 kV架空線路（投入重合閘）為例說明10 kV線路重合閘的動作情況，如圖1所示。一般情況下，10 kV架空線路的用戶側(cè)不配置自動重合閘，只在10 kV出線開關(guān)上（如QF1）配置自動重合閘。

圖1　單電源輻射型10 kV架空線路

故障發(fā)生在用戶側(cè) （如圖1線路L3上k1處發(fā)生故障）。不論用戶側(cè)發(fā)生的故障是瞬時性故障還是永久性故障，當(dāng)故障發(fā)生在用戶側(cè)時，10 kV線路保護(hù)裝置會將斷路器QF3和QF1相繼跳開，斷路器QF1跳閘后，重合閘裝置啟動，經(jīng)1 s延時，重合閘將斷路器QF1合閘，這時除了故障線路L3外的其他線路均恢復(fù)供電，線路L3進(jìn)行故障排查和檢修。可知，故障發(fā)生在用戶側(cè)，不論發(fā)生哪種類型的故障，繼電保護(hù)裝置和重合閘裝置的配合使故障線路成功被選出和甩掉，保證了除故障線路外的其他線路的供電可靠性。

故障發(fā)生在主線上 （如圖1線路L1上k2發(fā)生故障）。無論發(fā)生哪種類型故障，保護(hù)跳閘后，重合閘啟動，經(jīng)預(yù)定延時，將跳開的斷路器QF1合閘，若為瞬時性故障，因在這段延時中故障已經(jīng)消失，重合成功，全線恢復(fù)供電；若故障為永久性故障，保護(hù)再次動作跳開斷路器QF1，不再重合，造成全線停電。可見，故障發(fā)生在主線上，重合閘重合于永久性故障上可造成全線停電，重合于瞬時性故障能保證全線路的供電可靠性。

2　10 kV混合線路重合閘投退原則

2.1青島供電公司混合線路重合閘投退原則

青島供電公司規(guī)程規(guī)定10 kV全電纜線路重合閘解除，但在架空和電纜混合線路中全部投入重合閘。隨著10 kV線路所帶的負(fù)荷用戶越來越多，對供電可靠性的要求越來越高。導(dǎo)致電纜發(fā)生故障的原因大致可分為：惡劣天氣、外力破壞、制造質(zhì)量不良、用戶原因等。對青島地區(qū)2012—2013年10 kV電纜線路跳閘原因進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示。

表1　2012年—2013年10 kV電纜線路跳閘

由表1可知，兩年內(nèi)累計跳閘23次，其中用戶側(cè)原因造成跳閘17次，主線路上外力破壞造成跳閘4次。可見，電纜故障大部分是用戶故障，若使用重合閘，可恢復(fù)除故障用戶所在線路外其他正常線路的供電，保證供電可靠性。

雖然混合線路全部投入自動重合閘可保證供電可靠性，但是這適用于電纜線路長度所占混合線路的比例不大時，一旦電纜線路長度比例超過一定值，則發(fā)生永久性故障概率變大，重合成功率降低，并且，由于電纜線路和架空線路的接口處環(huán)境復(fù)雜，受溫度、通風(fēng)條件等的影響較大，發(fā)生永久性故障時，全線速動后，重合閘如果重合到故障不能自恢復(fù)的電纜線路上，會對故障電纜造成二次傷害，若電弧不能熄滅，甚至可能會破壞電纜絕緣，發(fā)展成火災(zāi)事故，安全性差。

2.2濟(jì)寧供電公司混合線路重合閘投退原則

濟(jì)寧供電公司規(guī)定全電纜線路重合閘解除，但在部分地區(qū)的架空和電纜混合線路中重合閘投入運行，部分地區(qū)的架空和電纜混合線路中重合閘退出運行。

在電纜線路（包括全電纜線路、電纜和架空混合線路）中不投重合閘，因為一直以來認(rèn)為電纜上發(fā)生的故障大部分是外力造成的永久性故障，出于對早期充油電纜線路的材料、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、熱穩(wěn)定性等因素的綜合考慮［7］，為防止重合閘再次重合于永久性故障對電纜造成更大的損傷，形成全電纜線路停用重合閘的認(rèn)識，這是與當(dāng)時設(shè)備技術(shù)水平低和對可靠性要求不高相符的。隨著對供電可靠性要求的日益增高，并且由于具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、耐熱好、負(fù)載能力強(qiáng)、不熔化、耐化學(xué)腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)異特性的XLPE電纜［8］已逐步取代了早期的充油電纜，使得現(xiàn)在10 kV線路使用的電纜可以充分保證其熱穩(wěn)定性，絕緣程度大幅提高，所以像上海、廣州這樣的大城市已在電纜線路中投入重合閘來保證供電的可靠性。因此，混合線路中重合閘的投退問題不僅需要考慮是側(cè)重供電可靠性還是側(cè)重電網(wǎng)安全運行，還要考慮電纜材質(zhì)、敷設(shè)方式、運行時間等因素的影響。

2.3福州地區(qū)供電公司混合線路重合閘投退原則

福州地區(qū)規(guī)定全電纜線路重合閘解除，但電纜和架空線混合線路仍可投入重合閘。當(dāng)電纜占混合線路比例達(dá)59.5%及以上的，重合閘均退出運行［4］。

重合閘在10 kV混合線路上按線路長度比例投退，架空線路上大多發(fā)生的是瞬時性故障，架空線路所占的比例越大顯然瞬時性故障越多，則投入重合閘可保證發(fā)生瞬時性故障或用戶側(cè)故障時的供電可靠性；反之，電纜線路上多發(fā)生的是永久性故障，電纜線路所占的比例越大發(fā)生永久性故障的幾率也就越大，當(dāng)電纜比例大到一定數(shù)值時退出重合閘，可避免斷路器重合到永久性故障對電網(wǎng)造成沖擊，保證了安全性，即犧牲供電可靠性來換取供電的安全性。重合閘按線路比例投退保證了供電的可靠性和安全性。

重合閘在10 kV混合線路上按長度比例進(jìn)行投退盡可能地兼顧了供電的可靠性和安全性，但是重合閘在10 kV混合線路上的投退只參考了電纜占混合線路的比例，而除此之外，還有很多因素都影響重合閘的投退，比如電纜線路的類型、電纜線路的敷設(shè)方式、電纜線路的運行年限等［4］。所以單純以電纜占混合線路的比例來決定重合閘的投退未免太欠考慮，應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種因素對重合閘成功率的影響。

3　10 kV混合線路重合閘投退原則改進(jìn)

在10 kV混合線路中全投重合閘能保證供電可靠性，但不能保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行；相反，在10 kV混合線路中不投重合閘則不能保證供電的可靠性。在運行中的10 kV線路，受外界大風(fēng)、雷擊、雪和用戶等的影響較大，常常會發(fā)生跳閘事故。重合閘的成功率隨線路結(jié)構(gòu)、線路長度、故障類型、天氣的變化而變化，因此重合閘的投退也應(yīng)綜合考慮電纜線路比例、敷設(shè)方式、運行年限等限制因素。

3.1重合閘成功率統(tǒng)計分析

導(dǎo)致重合閘失敗的因素有很多，從故障類型上看，分為瞬時性故障和永久性故障，若將其他不可控因素（如斷路器合閘失敗等）理想化，則在發(fā)生瞬時性故障時重合閘能成功合閘。對2012—2013年青島地區(qū)混合線路投重合閘成功率進(jìn)行統(tǒng)計，得到電纜所占比例與重合閘成功率的關(guān)系數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2　混合線路投重合閘成功率　%

由表2可以看出，投重合閘的成功率隨著電纜線路占整條線路比例的增加而降低。當(dāng)電纜線路長度占整條線路長度40%時，重合閘成功率已降到50%左右；當(dāng)電纜線路長度占整條線路長度50%時，重合閘的成功率已不足50%。

3.2安全性分析

10 kV混合線路中投入重合閘保證了供電可靠性，但還要權(quán)衡重合于永久性故障時電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。重合閘可保證發(fā)生瞬時性故障時及時恢復(fù)供電，但重合于永久性故障對電網(wǎng)安全性的影響程度還未有有效的測評方法。重合閘重合于故障時會產(chǎn)生過電壓，過電壓會產(chǎn)生電弧，對線路造成破壞。用過電壓的大小來估計線路損壞程度，即過電壓越大，線路損壞越嚴(yán)重。

過電壓是引起電纜絕緣損壞的主要原因之一，據(jù)以前的報告，重合過電壓的大小與線路長度無關(guān)，而與架空線和電纜的比例有關(guān)系［9］，空載是線路重合閘過電壓最嚴(yán)峻的情況［10］。由于大部分地區(qū)10 kV配電線路都是小電流接地系統(tǒng)，單相接地時不跳閘，所以用EMTP對10 kV混合線路空載時在發(fā)生不同類型永久性故障（兩相相間永久故障、兩相接地永久故障、三相相間永久故障）時，在不同線路長度比例的條件下對重合過電壓進(jìn)行仿真分析［9-15］，搭建的仿真模型如圖2。搭建10 kV混合線路模型的時間先后邏輯是：0.1 s線路發(fā)生永久性故障，0.195 s線路跳閘，1.105 s線路合閘于永久性故障，1.145 s線路再次跳閘［9］。

圖2　發(fā)生兩相接地永久性故障時投入重合閘的10 kV混合線路模型

圖3　電纜占比為45%重合于兩相接地永久性故障時的過電壓

計算用最大操作過電壓按實測和模擬實驗的結(jié)果統(tǒng)計歸納得出，我國66 kV及以下（低電阻接地系統(tǒng)除外）相對地計算用最大操作過電壓不超過4.0 p.u.［13］。通過改變混合線路中電纜線路和架空線路的長度比例用EMTP仿真計算得到不同的過電壓計算結(jié)果，波形見圖3。由圖4知，當(dāng)線路為全電纜線路時得到的最大過電壓值為3.42 p.u.，盡管所得到的過電壓值都在安全范圍內(nèi)，但由于實際運行時電纜線路與架空線路接頭處的環(huán)境比較復(fù)雜，過電壓越高，發(fā)生可燃的幾率就越大。

仿真分析重合于兩相接地永久性故障后，為使結(jié)果具有一般性，又搭建了重合于兩相相間永久性故障、三相永久性故障的10 kV混合線路的模型。

圖4　過電壓大小與電纜占比的關(guān)系

仿真結(jié)果表明，線路電壓在合閘前后發(fā)生突變，但不論發(fā)生哪種類型的永久性故障，當(dāng)電纜線路長度所占線路全長比例達(dá)45%后，過電壓增幅越來越大，并隨著電纜比例的增大，過電壓幾乎趨于穩(wěn)定。

3.3其他影響因素分析

重合閘的投退要綜合考慮各種因素的影響，其中包括電纜敷設(shè)方式和電纜運行時間。

電纜的敷設(shè)方式有直埋敷設(shè)、溝道敷設(shè)、淺槽敷設(shè)、穿管敷設(shè)、隧道敷設(shè)或由這幾種敷設(shè)方式相互結(jié)合而成［4，16-17］。外力破壞是導(dǎo)致線路絕緣損壞的主要原因，而直埋敷設(shè)方式最容易使電纜受到破壞，其次就是溝道敷設(shè)方式［4］。由于溝道敷設(shè)和隧道敷設(shè)方式不同于直埋敷設(shè)方式的易燃環(huán)境，建議在直埋敷設(shè)時投入重合閘，溝道敷設(shè)和隧道敷設(shè)方式時視具體情況靈活投退重合閘。

電纜運行時間越長，線路老化越嚴(yán)重，線路絕緣性越差［16］。電纜線路的壽命一般為25～30年，一旦運行時間超過電纜線路的正常壽命，電纜樹枝狀老化現(xiàn)象嚴(yán)重，電纜線路發(fā)生故障的概率大大增加。在故障率高的電纜中投入重合閘不僅僅會損壞老化的電纜，更嚴(yán)重的是容易將事故擴(kuò)大，造成無法挽回的損失。建議電纜運行時間超過25年時，重合閘退出［4］。

3.4使用原則

從重合閘的成功率角度考慮，建議當(dāng)電纜線路長度占整條線路長度比例達(dá)40%時，應(yīng)該謹(jǐn)慎投入重合閘；當(dāng)電纜線路長度占整條線路長度比例達(dá)50%及以上時，退出重合閘。從安全性角度考慮，建議當(dāng)電纜線路長度占全長線路比例為45%及以上時，退出重合閘。

綜上，在考慮電纜敷設(shè)方式和運行時間因素的前提下，10 kV電纜和架空線混合線路中，可按照電纜比重進(jìn)行重合閘的投退，即：當(dāng)電纜線路長度占全長線路不到45%時，投入重合閘；當(dāng)電纜線路占混合線路比例達(dá)到45%及以上時，退出重合閘。

4　結(jié)語

10 kV線路發(fā)生故障時，在保護(hù)裝置可靠動作的前提下，投入重合閘能自動選出并甩掉故障線路，使其余正常線路恢復(fù)用電，大大提高供電可靠性。此外，電纜比例越大，過電壓越高，使用該方案能保證10 kV混合線路供電的安全性，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。所以建議在考慮電纜敷設(shè)條件和運行時間的前提下，當(dāng)電纜線路占混合線路的比例不到45%時，投入重合閘，而當(dāng)電纜線路占混合線路的比例達(dá)到45%及以上時，重合閘退出運行。

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Policy of the Reclosing Mode for 10 kV Mixed Lines

FENG Xinkai1，LIU Yuanlong2，LIU Hu3
（1.School of Automation Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China；2.Shandong Electric Power Dispatching Control Center，Jinan 250001，China；3.State Grid Yantai Power Supply Company，Yantai 264000，China）

With the development of city construction，overhead line is gradually replaced by cable conductor，and there will be more and more cable-overhead lines.According to provisions of all scheduling rules，for all overhead lines，auto-reclosing is adopted；for all cable lines，the auto-reclosing is unused.But the policy is not clearly defined on switching on or off of reclosing for hybrid lines of cable and overhead lines.From the view point of security and reliability of power system，by analyzing policies of reclosing for hybrid lines in different areas，and taking into account types，laying methods and running time of cable lines，switching on or off of reclosing is confirmed using the ATP-EMTP simulation of the length proportion that cable lines account for whole lines.The more reasonable policy of switching on or off of reclosing is put forward for 10 kV hybrid lines.

mixed lines；reclosing；the policy of switching on or off；security

TM773

A

1007-9904（2015）11-0047-05

2015-07-06

馮新凱（1988），女，碩士研究生，研究方向為電力調(diào)度運行管理及繼電保護(hù)新技術(shù)應(yīng)用；

劉遠(yuǎn)龍（1971），男，高級工程師，從事電力調(diào)度運行管理及繼電保護(hù)新技術(shù)相關(guān)工作；

劉虎（1990），男，從事電網(wǎng)運行維護(hù)與檢修相關(guān)工作。