基于永磁開關的配電網多級保護配置策略研究

劉合金，邵志敏，李建修，樊 迪，李樹琥

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250003）

基于永磁開關的配電網多級保護配置策略研究

劉合金1，邵志敏1，李建修1，樊 迪1，李樹琥2

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250003）

為減少配網用戶分支線故障導致整條線路停電的情況，針對配電線路上普通斷路器分閘時間長與上級斷路器難以進行保護配合的問題，提出基于永磁開關的配電網多級保護配置策略。分析永磁開關的操動機構及優點，闡述永磁開關在配電網中的適應性，并重點對多級保護配置中的兩級級差和三級級差保護配置策略進行了論述。基于永磁開關的配電網多級保護配置策略的應用，能夠有效地減少瞬時故障造成的短暫停電次數，提高配電網的供電可靠性。

配電網；永磁開關；多級保護配置；供電可靠性

0 引言

配電網是保證用戶供電可靠性的末端環節，配電網中瞬時故障占大多數，是影響電能質量和供電可靠性的主要因素。目前，在我國配電網中，尤其是山東配電網，典型采用用戶分界負荷開關或斷路器來隔離用戶故障，這些開關操動機構與線路出線斷路器類似，同樣采用彈操機構。當用戶側發生故障時，即使采用了分界斷路器，也會因開關瞬時速斷動作時間通常慢于變電站出線斷路器動作時間，而無法形成級差配合，因此用戶分支線故障經常導致整條線路停電。

近年來，永磁操動機構永磁斷路器（以下簡稱永磁開關）開始在國內少量試點應用。永磁開關動作速度快，尤其是用戶側安裝以后，用戶故障確保不出門，既減少了線路停電，又減少了其他用戶停電，同時保護了線路其他運行設備。但是，永磁開關技術作為一種新型開關技術，在山東配電網的應用目前仍處于空白狀態。

基于永磁開關的配電網多級保護配合是解決上述問題的關鍵。本文分析了永磁開關的操動機構及優點，闡述了永磁開關在配電網中應用的可行性及配置策略等關鍵技術問題，為永磁開關在配電網中的應用提供參考。

1 永磁開關的操動機構及優點

1.1 永磁操動機構

永磁開關中永久磁鐵、分合閘控制線圈、鐵芯等部件共同組成了永磁操動機構，永磁磁鐵用于實現斷路器分合閘位置的保持。合閘操作時，合閘線圈通電，產生的磁拉力使動鐵芯向下運動，然后永久磁鐵將動鐵芯保持在合閘位置；分閘操作時，分閘線圈通電，動鐵心向反方向運動，永久磁鐵將它保持在分閘位置。

永磁操動機構電磁系統結構如圖1所示。由圖1（a）可看出，當斷路器處于分閘狀態時，永久磁鐵2形成的磁力線幾乎全部穿過動鐵芯1的上部，將動鐵芯保持在上部，使斷路器保持為分閘狀態。當斷路器合閘時，合閘線圈3先通電，其產生磁場的磁力線主要集中在動鐵芯1的下部，并在上部抵消了永久磁鐵2的磁力線。隨著激磁電流的上升，動鐵芯1下部的吸力逐漸增加，上部的吸力逐漸減弱，當下部吸力大于上部時，動鐵芯1開始向下運動。圖1（b）為動鐵芯1移動之前磁力線的瞬時分布圖。當動鐵芯1到達終點位置時，位置傳感器輸出信號，切斷線圈電流，此時永久磁鐵2的磁場主要作用于動鐵芯1的下部，其磁力線分布與圖1（a）中的磁力線分布上下對稱。

圖1 永磁操動機構電磁系統結構

1.2 永磁開關的優點

通過兩個線圈分別對斷路器的分合閘操作進行控制，提高了機構的可靠性。采用全新的磁路設計，增大了斷路器分合閘的保持力，減小了分合閘對線圈電流的要求，降低了能耗。操動機構的下部基座有聯動軸，可保證斷路器分合閘操作的三相同期性。操動機構的機械壽命長，可達到10萬次，相比常規操動機構斷路器，機械壽命至少提高3倍以上。操動機構通過動鐵芯與主軸傳動拐臂相連，直接驅動動觸頭，簡化了傳動鏈，減少了故障源。

2 永磁開關在配電網中應用的可行性

2.1 永磁操動機構的可行性

目前，永磁操動機構中永磁體主要成分是釹鐵硼稀土材料。一方面，釹鐵硼永磁體的特點是受到120℃以上高溫、強烈機械沖擊或反向磁場作用時可能會部分或全部退磁。一般情況下，永磁開關操動機構不會出現120℃以上的高溫；而且試驗證明，永磁操動機構中的機械沖擊對釹鐵硼永磁體來說是可以承受的。另一方面，由于自然劣化的因素，永磁體的磁性能會隨著時間的推移逐漸減弱，但實踐證明，在永磁開關20年的壽命期間，釹鐵硼自然劣化不會超過1%，因此，自然劣化一般不會影響永磁操動機構的正常動作。

綜上所述，永磁操動機構中永磁體的問題不會影響其在永磁開關中的應用。

2.2 永磁開關在配電網中的應用

根據山東配電自動化系統中故障處理記錄數據統計，配電網中超過80%的故障發生在分支線或用戶側的架空部分。現有配電自動化系統能夠迅速切除故障，恢復健全部分供電而不造成短暫停電，但是由于目前配電網中饋線斷路器大多數為彈簧儲能或電磁操動機構，機械動作時間較長，一般為30～40ms，其熄弧時間為10ms左右，加上開關固有的保護響應時間為30ms左右，而變電站10 kV出線開關的保護動作延時一般為200～300ms，且由于城市配電網級聯開關數較多、供電半徑較短等特點，配電網繼電保護配合很困難，假如能夠縮短開關機械動作時間，能夠對配電網繼電保護配合提供很大的幫助。

永磁開關中，永磁操動機構和無觸點驅動技術能夠使其動作時間顯著縮短。永磁操動機構的動作分閘時間可達到10ms左右；無觸點驅動電路分合閘延時時間可小于1ms；快速保護算法的故障判斷時間在10ms左右。采用上述技術的斷路器可以在30ms內將故障電流切除，而變電站內10 kV母線進線開關的過流保護動作時間最小設置為0.5 s，因此，配電網中采用永磁開關至少可以實現三級級差保護配合而不影響上級保護配合。

由此可見，永磁開關對于配電網繼電保護配合的實現至關重要，繼電保護配合能夠有效地減少瞬時故障造成的短暫停電次數，提高配電網的供電可靠性。

3 配電網多級保護配置策略

3.1 兩級級差保護配置

配電網兩級級差保護配合指的是變電站出線開關與用戶分界開關或分支線路開關的配合，主干饋線開關仍可全部采用負荷開關，用戶或分支線路開關采用永磁開關，變電站10 kV出線開關采用普通斷路器。兩級級差保護配置如圖2所示。

兩級級差保護配置的原則是：用戶分界開關或分支線路開關的保護動作延時設定為0 s；變電站10 kV出線斷路器保護動作延時設定為200～250ms。

圖2（a）中，用戶分界開關與開關變電站10 kV出線開關形成三級級差保護，其中用戶分界開關B1、B2是永磁開關，保護動作延時設定為 0 s；變電站10 kV出線開關S1保護動作延時設定為250～300ms。采用這種配置策略時，用戶線路故障時不會引起整條線路跳閘。

圖2（b）中，饋線分支開關與開關變電站10 kV出線開關形成三級級差保護，其中饋線分支開關A5、A6、A7是永磁開關，保護動作延時設定為0 s；變電站10 kV出線開關S1保護動作延時設定為250～300ms。采用這種配置策略時，分支線路故障時不會引起整條線路跳閘。

采用兩級級差保護配置策略具有以下優點：用戶或分支線路發生故障后，相應用戶或分支線路斷路器先跳閘，而變電站10 kV出線開關不跳閘，不會造成全線停電；不會發生多級開關跳閘或越級跳閘的現象，故障處理過程簡單，瞬時故障恢復時間短；主干線全部采用負荷開關，只需將用戶或分支線路開關更換為永磁開關，大大降低了工程造價。

結合山東電網實際，永磁開關的應用初期可先采用兩級級差保護配置策略，根據應用效果進一步優化保護配置策略。

3.2 三級級差保護配置

基于永磁開關的三級級差保護相對兩級級差保護對線路故障的保護范圍更廣，能夠進一步減少整條線路的故障跳閘次數，三級級差保護典型配置一般有以下幾種。

用戶分界開關、饋線分支開關與開關變電站10 kV出線開關形成三級級差保護，如圖3（a）所示。其中用戶分界開關B1～B4是永磁開關，保護動作延時設定為0 s；饋線分支開關 A4、A5是永磁開關，保護動作延時設定為100～150ms；變電站10 kV出線開關S1保護動作延時設定為250～300ms。采用這種配置策略時，用戶和分支線路故障均不會引起整條線路跳閘。

饋線分支開關、饋線分段開關與變電站10 kV出線開關形成三級級差保護，如圖 3（b）所示。其中饋線分支開關 A5～A7為永磁開關，保護動作延時設定為0 s；饋線分段開關A2為永磁開關，保護動作延時設定為100～150ms；變電站10 kV出線開關保護動作延時設定為250～300ms。采用這種配置策略時，分支線路和主干線分段開關后面的線路故障均不會引起整條線路跳閘。

環網柜出線開關、中間某一環網柜進線開關與變電站10 kV出線開關形成三級級差保護，如圖 3（c）所示。其中環網柜出線開關 B1～B12保護動作延時時間設定為0 s；中間環網柜進線開關A4為永磁開關，保護動作延時設定為 100～150ms；變電站10 kV出線開關保護動作延時設定為250～300ms。采用這種配置策略時，環網柜出線開關和采用永磁開關的環網柜進線開關后面的線路故障均不會引起整條線路跳閘。

圖3三級級差保護典型配置

4 結語

對永磁開關的操動機構及在配電網中的應用進行探討，提出了基于永磁開關的多級保護配置策略，在不改變變電站出線開關配置的前提下，可實現長線路或用戶分支線短路故障的就地隔離，提高配電網供電可靠性。下一步，將結合實際工作，加強永磁開關在山東配電網中的試點應用，進一步減少配電網中瞬時故障導致的短暫停電次數，提高配電網供電可靠性。

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Research on M ultistage Protection Configuration Strategy of Electrical Distribution Network Based on Permanent M agnet Sw itch

LIU Hejin1，SHAO Zhimin1，LIJianxiu1，FAN Di1，LIShuhu2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

In order to reduce the occurrence of the whole line outages caused by the user branch failure of the distribution network,a multi-stage protection configuration strategy of the distribution network based on permanent magnetic switch is proposed,aiming at solving themain cause to this problem,which is the circuit breaker slow fault-free action and the difficulty of cooperation between the superior circuitbreaker and the branch circuit breaker.The operatingmechanism and advantages of permanentmagnetic switch are analyzed.The adaptability of permanentmagnet switches in the electrical distribution network is elucidated.The two-level-differential protection and the three-level-differential protection configuration strategies ofmultistage protection configuration are mainly discussed.The application of the multistage protection configuration strategy of the distribution network based on permanentmagnetic switch can effectively decrease the number of the temporary power outage caused by transient fault and improve the power supply reliability of the distribution network.

electrical distribution network；permanent magnet switch；multistage protection configuration；power supply reliability

TM561

A

1007－9904（2017）06－0022－04

2016－12－06

劉合金（1986），男，工程師，主要從事配電運檢工作；邵志敏（1984），男，工程師，主要從事配電自動化工作；李建修（1985），男，工程師，主要從事配電運檢工作；樊 迪（1989），男，工程師，主要從事配電設備檢測工作；李樹琥（1986），男，主要從事配電設備調試工作。