淺談快速斷路器對提高配網可靠性的作用

楊鴻飛+毛敏+向松+呂宙

摘要：介紹了永磁操作機構型中壓快速斷路器的概念、基本原理、特性和基本組成，結合湖北省城市配網的應用情況闡述了其對提高配網可靠性的作用。

關鍵詞：快速斷路器 永磁操作機構 配網可靠性

隨著電力市場的逐步完善，用戶服務意識的逐步提高，用戶對供電質量和供電可靠性的要求越來越高。如何提高城市配網自動化技術與可靠性已是城市電網改造亟待解決而且必須解決好的課題。從目前情況來看，湖北省城市配網現有網架結構和線路的供電能力對于大部分地區還不能滿足N-1的要求，線路支線或一點故障引起全路停電、用戶內部故障越級跳到變電站等等都嚴重影響配網可靠性的提高。目前，選擇一種符合湖北省城市配網的實際情況，高可靠性又有較好經濟性的配電方式是擺在我們面前的一項迫切任務。

1、 配網的現狀和存在的問題

配電系統與主網系統相比而言，大多網架結構薄弱，運行條件復雜；直接面對客戶，受環境的影響大，容易受到外界破壞。配網雖進行了大規模電網改造，但由于110kV、35kV變電所布點等原因，不少10kV配電線路存在著線路長、供電面廣、T接多的特點；特別是農網線路，線路接線基本上是單電源樹狀結構，而且線路開關數量少，線路保護設備簡陋，一般只設RW型跌落式熔斷器，或沒有設置，往往線路一處故障或者某一支線故障就會引起整條線路停電。同時低壓配電系統建設技術標準也較低，線路布局不合理，也會影響到供電可靠性。

2、 快速斷路器的概念

傳統的斷路器其固有的動作時間（從收到分合閘命令到滅弧室觸頭完全分開）一般在40ms左右，加上保護動作的時間一般要80-100ms，對于電網以及保護配合來說都是不利的。而配電變壓器一般都采用高壓交流熔斷器來進行保護，其維護量大，停電時間長，不可重復使用，易造成缺相運行。隨著斷路器操動機構和計算機技術的發展，一種由永磁機構操作，計算機進行控制的新型快速戶外真空斷路器在配網中得到逐步運用。這種斷路器由斷路器本體和控制兩部分組成，它可以在30ms內將故障電流快速切除。

3、 快速斷路器的基本原理

快速斷路器控制系統電路組成包括模擬量輸入電路、開關量輸入電路、數據采集與處理單元、開關量輸出電路、本地人機接口、遠程通訊接口、電源管理系統，其中數據采集與處理單元采用DSP高速數字信號處理技術或高速微控制器技術構成快速數據采集與處理單元，開關量輸出電路中的分合閘驅動電路采用電子式分合閘驅動電路代替傳統機械式觸點繼電器，并構成開關量快速輸出電路。

斷路器控制系統中有兩項關鍵技術，其一是快速數據采集與處理中心應用高速數字信號處理技術，連續采集交流輸入信號（每個周波都按同樣采樣點數采樣），并運用半波對稱原理與遞推運算，在每個采樣點都計算提取出前半個周波（10ms）時間內所需要的各種電氣特征量，根據保護的投退、動作的整定值等來確定是否送出保護動作出口信號。如果每個周波采樣點為64點，則快速數據采集與處理中心發出保護動作出口信號的延時不超過10.3ms。其二是開關量快速輸出電路用電子式分合閘驅動電路來代替傳統的機械式觸點繼電器，使其分合閘延時時間小于0.1ms，從而縮短保護控制延時時間，即快速保護控制系統從模擬量輸入電路出現故障電流到給出分閘驅動信號，最慢時只有10.4ms的延時（當采樣點為64點時）。因此減少了電網故障電流的保持時間，能夠迅速隔離故障，從而實現快速保護控制。

4、 快速斷路器的基本組成

AB-3S-12/x系列快速保護斷路器由斷路器本體、控制箱及專用電纜線組成。

a） 斷路器本體

快速斷路器本體主要工作部件：真空滅弧室、永磁操動機構、外絕緣澆鑄體、電流互感器、電容式電壓互感器及手動分閘機構、分/合位置指示器、輔助開關等。

快速斷路器采用了新型永磁操動機構，其工作參數的設計與配合，使得開關本體分合閘動作速度得到大幅度提高。目前其分合閘時間可做到10ms左右，已滿足配網線路的快速分斷要求。

快速斷路器本體單元內置了三相高精度電流傳感器、三相電容式電壓互感器（CVT），無須外置電流互感器、電壓互感器，即可實現三相電流的采集、三相電壓的采集。

b） 斷路器控制箱

快速斷路器控制箱由快速保護控制器、分合閘驅動模塊、電源管理系統、儲能電容及GPRS調制解調器等工作部件組成。

該控制系統通過縮短測量與保護動作的時間，使保護控制系統從模擬量輸入電路出現故障電流到給斷路器發出分閘驅動信號的延時時間減少，從而縮短了故障電流對電網的沖擊時間，達到快速保護的目的。

5、 快速斷路器的應用

從2016年湖北省城網10kV配電線路故障和障礙統計數據看，影響10kV配電網安全可靠性運行的主要因素是用戶內部故障（達37%）引起變電站間隔或主干線路跳閘，其次外力破壞占的比例也較大（達18%），除此之外，還有設備外絕緣積污后引起的閃絡及各類過電壓。使用快速斷路器將故障快速隔離，可以較為有效地避免這些事故和障礙對主干配電網的影響，極大地提高供電可靠性。

a） 在樹枝狀線路主線上作為分段開關使用

把配電主干線路分成若干段和在分支線上安裝分支開關是提高配網可靠性，縮小停電范圍，保障客戶連續供電的有效手段，但傳統的分段開關（斷路器或負荷開關）或配網自動化系統，由于開關動作時間的關系都只能先由變電站開關動作，然后再由故障點的開關判斷（人工或自動）將其故障切除，這樣既擴大了停電的范圍又很難保證動作的準確性，同時上下級開關動作的匹配和邏輯關系也較為復雜。對于樹枝狀供電線路，可以利用快速保護斷路器的動作時間只需要20ms左右的特性，采用時間和動作電流互相配合的方法，適當配合好時間和動作定值，對開關安裝點以下的故障適時快速切斷，保證非故障部分的連續運行。對于環狀供電線路，因線路潮流隨網絡運行方式而變化，快速保護斷路器之間無法整定匹配，因此其使用受到限制。

b） 作為用戶的進線開關（看門狗）和分支線路的分支開關使用

對于樹枝狀分支線路和用戶分支線采用加裝快速保護斷路器，及時切除分支線路故障和用戶故障，可以顯著降低分支線路故障和用戶故障對主干線路的影響，有效提高線路供電可靠性。

c） 工程應用情況

湖北省城市配網僅2016年共安裝790臺，其中絕大部分在武漢市用戶分支線路上。從近兩年的運行情況來看，共動作144次，動作率18.2%。以往用戶故障頻發影響主干線路可靠供電，加裝快速保護斷路器后，主干線路供電可靠性立即提高，并且根據運行情況，在開關上加裝遙控操作裝置后，可有效避免了與用戶的供電糾紛。還可加裝GPRS模塊，對開關的狀態量進行無線傳輸，隨時掌握開關的動作情況。

6、 結語

綜上所述，快速保護斷路器具有以下特點和應用前景：

a） 具備快速保護功能。采用永磁機構操作，計算機控制技術，可以先于變電站開關動作，在30ms內將故障電流快速切除。

b） 開關動作可靠。開關采用永磁操作機構，結構簡單，開關本體可以實現免維護。

c） 擴充功能完善，可以加裝遙控裝置、遠傳裝置等，逐步完善過渡到智能開關。

d） 可以在樹枝狀線路主線上作為分段開關使用，也可以作分支線路的分支開關和用戶的進線開關（看門狗），隔離下級線路或分支線路故障，有效提高主干線路供電可靠性。

e） 目前還不適合在環網供電線路上使用，因線路供電潮流和保護整定的問題，在環網供電線路上的使用受到限制。

作者簡介：楊鴻飛 （1976年），男，湖北武漢人，漢族，現職稱：中級電力工程工程師，學歷：本科，研究方向： 電力系統及自動化.endprint