基于FTU的配網(wǎng)線路分級保護研究

吳長江，盛俊英，陳 晟，張 博，吳晨飛

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司黃山供電分公司，安徽黃山 245000）

0 引言

配網(wǎng)線路位于電網(wǎng)末端，與用戶設備直接關(guān)聯(lián)，用戶側(cè)設備故障極易引起配網(wǎng)線路故障[1-3]。根據(jù)歷年資料統(tǒng)計，超過85%的故障停電是由于配網(wǎng)線路故障引起的[4]。對配電線路投入保護能夠及時切除故障設備，防止停電范圍擴大。傳統(tǒng)的配網(wǎng)線路為減少建設成本往往采用邏輯簡單，成本較低的電流保護[5]，經(jīng)常導致同時跳閘或越級跳閘的發(fā)生，與縮小停電范圍初衷相違背，為提高供電可靠性，合理選擇開關(guān)裝設位置及其保護方式已成為配網(wǎng)改造的必然要求。

采用配電線路開關(guān)分級保護能夠減少同跳故障的發(fā)生，但當前，國內(nèi)對配電網(wǎng)分級保護的研究相對較少，文獻[6]研究了根據(jù)線路所在變電站的不同采用的分級整定原則，給出了詳細的計算方法，但在實際應用中該方法計算復雜，使用不便。文獻[7]探討了在配網(wǎng)線路支線投入保護對提高供電可靠性的重要性，但未提出定值整定具體實施方案。文獻[8]籠統(tǒng)地介紹了在農(nóng)網(wǎng)配電線路投入分級保護的原理，但文章所提方法大多基于傳統(tǒng)的漏電保護設備，應用于線路分級保護效果不佳。

基于以上問題，本文針對近年來頻繁出現(xiàn)的10 kV配網(wǎng)線路同跳故障，研究了配網(wǎng)分級保護的整定原則，并結(jié)合配電自動化建設，基于配自終端FTU的安裝，根據(jù)柱上開關(guān)所處位置設置不同的保護定值，并給出了具體整定方法。根據(jù)方案實際效果，對比分析了分級保護整定前后停電范圍的大小，以此說明基于FTU的分級保護能夠提高供電可靠性。

1 配網(wǎng)保護現(xiàn)狀分析

配網(wǎng)線路建設初期大多對線路保護的投入不足，且線路切改頻繁、設備種類較多，無法形成統(tǒng)一的保護投退及定值設定標準。以往配網(wǎng)線路柱上開關(guān)大多依靠自身帶有的保護切斷故障，選擇范圍較小，一般根據(jù)經(jīng)驗投入400 A、600 A，其定值選擇顯然無法應對日益增長的線路負荷。

由于定值選擇混亂，且未根據(jù)開關(guān)類型及所處位置對保護定值進行統(tǒng)一整定。在實際運行中，支線出現(xiàn)故障可能導致主線開關(guān)與支線開關(guān)同時跳閘，下游線路出現(xiàn)故障導致主線路多個分段開關(guān)同時跳閘，甚至出現(xiàn)越級跳閘等情況。圖1為某市城區(qū)2019年1至5月配網(wǎng)跳閘次數(shù)及同跳次數(shù)統(tǒng)計，從圖1中可以看出，絕大多數(shù)月份同跳次數(shù)占總跳閘次數(shù)比例超過20%，分段開關(guān)及分支開關(guān)沒有很好地起到隔離故障與縮小停電范圍的作用，為提高供電可靠性與搶修工作帶來了麻煩。因此，有必要借鑒輸電線路保護的整定方法對配網(wǎng)線路投入分級保護。

圖1 某市城區(qū)2019年1-5月配網(wǎng)跳閘情況

2 配電自動化終端FTU

配電自動化是基于一次線路及設備，綜合利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、通信、計算機等技術(shù)，并通過與相關(guān)應用系統(tǒng)的信息集成，實現(xiàn)對配網(wǎng)的檢測、控制和快速故障隔離[9]。FTU是配電自動化終端設備的一種，其中箱式FTU的安裝圖及控制面板圖分別如圖2、圖3所示。該裝置安裝于配網(wǎng)架空線路電桿上，具有遙測、遙信、遙控等功能，監(jiān)控對象為柱上開關(guān)，配置了分合閘操作按鈕、參數(shù)調(diào)整按鈕及顯示屏，通過航空插頭與柱上開關(guān)連接，能夠方便地調(diào)整柱上開關(guān)保護定值參數(shù)。FTU可根據(jù)需要投退過流I段、II段、III段保護、重合閘，零序保護等功能，且可選擇動作于跳閘或發(fā)告警信號。

圖2 FTU安裝圖

圖3 FTU控制面板

3 配網(wǎng)線路分級保護整定原則

3.1 配網(wǎng)線路柱上開關(guān)分類

柱上開關(guān)根據(jù)所處位置及功能的不同可分為出站口開關(guān)，分段開關(guān)，分支開關(guān)，聯(lián)絡開關(guān)，用戶分界開關(guān)等[9]，如圖4所示。其中出站口開關(guān)一般安裝于變電站出口，位于該線路的第一根電桿上，位于線路主干線上。分段開關(guān)為線路主干線上的開關(guān)，將配網(wǎng)線路分為若干部分，當某一段發(fā)生故障時，可切斷該負荷上一級分段開關(guān)，從而達到減小停電范圍的目的。但分段開關(guān)無法實現(xiàn)負荷的轉(zhuǎn)供，此時可借助聯(lián)絡開關(guān)的作用，將另一條線路的電倒至故障范圍下一級開關(guān)處，從而盡可能縮小停電范圍。分支開關(guān)位于配網(wǎng)線路的支線上，支線發(fā)生故障時能夠?qū)⒐收细綦x在支線范圍內(nèi)，減少對主線路的影響。而用戶T接開關(guān)是將用戶設備與線路隔離開，將用戶設備故障隔離在用戶界內(nèi)。

圖4 配網(wǎng)線路開關(guān)分類

3.2 整定原則

3.2.1 出站口開關(guān)

以往線路投運時往往將出站口開關(guān)投入保護，但出站口開關(guān)一旦投入保護，當下游線路出現(xiàn)故障導致電流增大時，可能直接導致出站口開關(guān)跳閘。變電站出線開關(guān)往往具有重合閘功能，如果變電站出線開關(guān)重合成功，而出站口開關(guān)已跳閘就會造成帶空線路運行的狀況，同時導致故障點查找范圍擴大，不利于及時恢復供電。因此出站口開關(guān)保護宜停用，利用變電站出線開關(guān)實現(xiàn)對上游線路的保護。對于已經(jīng)投入保護的出站口開關(guān)，可配合停電檢修計劃將保護退出。

3.2.2 分段開關(guān)

對于分段開關(guān)的保護，需根據(jù)變電站出線開關(guān)過流I段的保護范圍進行整定，保護范圍內(nèi)的開關(guān)僅需根據(jù)現(xiàn)場實際投入個別開關(guān)的保護，一般在長線路的中間位置選擇投入，該保護定值需結(jié)合負荷電流的大小進行整定，躲過最大負荷電流，并且小于上一級開關(guān)的定值，動作時間小于上一級。

對于末端的開關(guān)，應投入保護，定值需躲過最大負荷電流，并且需充分考慮變壓器的勵磁涌流，定值小于上一級開關(guān)。一般主干線路上游分段開關(guān)投入保護時可通過FTU進行保護設置，第一個開關(guān)投入過流I段動作于跳閘和重合閘，其余開關(guān)投入過流I段僅需動作于發(fā)信號。

3.2.3 分支開關(guān)

分支開關(guān)投入保護能夠縮小故障停電范圍，便于故障點查找，這類開關(guān)保護的投入需結(jié)合所帶負荷和線路實際運行情況進行選擇，具體定值可根據(jù)所帶負荷進行計算，可根據(jù)負荷估算出經(jīng)過開關(guān)的額定電流，計算公式如式（1）所示：

式中，SB為所帶負荷的總?cè)萘浚籙B為線路的額定線電壓，一般取10 kV。

根據(jù)式（1）計算結(jié)果再結(jié)合變壓器的勵磁涌流，過流I段保護定值可設為大于4至8倍額定電流，動作時間設為0 s。用戶T接開關(guān)的保護設置原則與分支開關(guān)類似。

3.2.4 聯(lián)絡開關(guān)

聯(lián)絡開關(guān)在線路正常運行時一般處于分位，僅在配合線路檢修時處于合位，將線路部分負荷轉(zhuǎn)由其它線路供電。為防止合環(huán)操作時開關(guān)電流增大導致跳閘，此類開關(guān)一般退出保護或僅僅動作于發(fā)出告警信號，重合閘退出。

4 配網(wǎng)分級保護實例分析

某市一條10 kV配電線路分布如圖5所示，為方便描述，對線路進行了簡化，其中分支開關(guān)1112，聯(lián)絡開關(guān)1113及分段開關(guān)1111-1、1112-1上安裝了FTU，可方便地修改保護定值。經(jīng)統(tǒng)計，各開關(guān)所帶負荷如圖5所示，根據(jù)以上整定原則可估算出整定值。

其中，出站口開關(guān)1111保護應退出，聯(lián)絡開關(guān)1113由于存在負荷轉(zhuǎn)供的問題，一般不投入跳閘動作，此處選擇投入1 000 A，動作于發(fā)告警信號。各分支開關(guān)可根據(jù)所帶負荷利用式（1）計算出保護定值，則可計算出分支開關(guān)1111-1過流I段保護電流大小可設為1 000 A，時限為0s，分支開關(guān)1111-2保護電流大小可設為600A，時限為0s，均動作于跳閘，為排除瞬時故障，重合閘均投入。對于分段開關(guān)，根據(jù)負荷電流大小進行整定，分段開關(guān)1112保護電流大小設為1 000 A，保護動作于跳閘，為保證保護的選擇性，將動作時間設為0.15 s，重合閘投入。經(jīng)過整定，各開關(guān)的保護定值如圖6所示。

圖5 某市一條10 kV配電線路開關(guān)分布

圖6 各開關(guān)保護定值

從圖6的保護定值分布可看出，當支線某設備故障時，分支開關(guān)將會動作于跳閘，該故障不會對主線路造成影響。主線路故障時，分段開關(guān)保護動作也將故障隔離，減小受影響范圍。同時，根據(jù)跳閘或發(fā)過流信號開關(guān)所處位置即能初步判斷故障點所處位置，檢修人員可迅速尋找到故障點，也為負荷轉(zhuǎn)供方案的制定節(jié)省時間。

5 結(jié)語

結(jié)合配電自動化建設對配網(wǎng)線路進行分級保護改造，能夠快速隔離故障，縮小停電范圍。配電自動化終端FTU進行參數(shù)整定簡單方便，可操作性強，可根據(jù)需要選擇動作于跳閘或信號，減少誤跳閘的發(fā)生。本文所提配網(wǎng)線路分級保護整定原則，能有效縮小故障停電范圍，避免出現(xiàn)越級跳閘或同時跳閘，極大提高供電可靠性，提升客戶滿意度，同時為配網(wǎng)線路的運維檢修提供便利。