分析分布智能型饋線自動化實現10kV電纜故障快速復電技術

楊涌新

摘 ?要：該文介紹了分布智能型饋線自動化（以下簡稱FA），實現在10 kV配網電纜線路上開關配置遠方終端單元（以下簡稱FTU），FTU具備智能控制和無線通信功能。通過設置主、從FTU，由主FTU收集主、從FTU檢測的穩態故障電流和暫態零序電流，由主FTU智能控制器判斷故障范圍后，向相應的配網開關發出跳、合閘信號，從而實現故障的隔離及非故障線路段的送電，分析了相間短路、相間短路接地和三相短路等動作情況以及應用零序暫態電流分析單相接地時的動作情況。最后，總結出了調度員處理事故的基本方法。

關鍵詞：饋線自動化;FTU;零序暫態電流

中圖分類號： TM73 ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，廣泛地應用了“時間—電壓”型饋線自動化，該種饋線自動化采用二次重合閘來判斷故障范圍，但是對于電纜故障，一般均為永久性故障，二次沖擊可能嚴重損壞電纜和設備，因此10 kV全線電纜線路不宜采用“時間—電壓型”饋線自動化[1]。另外，對于中性點經消弧線圈接地的10 kV系統中，電纜線路上如果采用單純故障指示器判斷故障范圍，當出現單相接地時，由于消弧線圈感性電流的補償作用，故障點的接地電流很小，不利于故障指示器判斷故障范圍。對于中性點經消弧線圈接地系統的10 kV電纜線路，提出了采用FTU智能控制和無線通信功能，利用短路故障電流和零序暫態電流分析法，對10 kV電纜線路發生各種故障時，可實現故障的快速隔離和非故障段的快速復電。

1 分布智能型饋線自動化的技術方案

1.1 方案的總體設置

10 kV電纜線路上電纜分接箱或開關站的自動化負荷開關設置單元柜、智能控制器、無線通信，在進出線開關裝有三相CT、PT和零序CT。當流過的故障電流或零序暫態電流超過設定值Id，FTU可判斷該開關的后段線路有故障，且主FTU的智能控制器可接受各主、從FTU的信息，根據收集的信號判斷故障范圍，從而向故障段兩側開關發跳閘且閉鎖合閘信號。故障隔離后，主FTU根據拓撲情況判斷是否向聯絡開關發合閘信號，并向配網自動化系統實時信號窗口發出故障范圍判斷的信息，調度員據此可以判斷是否強送變電站開關。

1.1.1 保護配置

1.1.1.1 變電站10 kV出線開關

采用FA模式，變電站內保護配置不變，配置電流速斷和過流保護，全線電纜不投重合閘。在接收到配網主站下達的合閘指令后，可由調度員進行一次人工遙控變電站開關進行送電。

1.1.1.2 環進、環出和聯絡開關

開關柜為負荷開關，在跳閘線路失電后隔離故障，無需保護配置。

1.1.2 智能型開關柜成套設備配置

成套設備由4間隔組成，包括環進和環出負荷開關間隔、手動開關間隔和PT間隔，環進和環出負荷開關間隔配置智能控制器FTU;PT間隔設置2組單PT，同時為FTU提供工作電源。

1.1.3 通信網絡和通信模塊配置

采用無線通信網絡，一臺FTU配置一塊通信模塊，設立2個完全獨立的數據通信通道，一個通道作為與配電主站的自動化監控數據傳輸，一個通道作為智能FTU之間的分布智能FA保護數據傳輸。

1.2 故障隔離及非故障段恢復的策略及過程分析

1.2.1 故障隔離策略

由主FTU綜合各FTU的故障信息，使用分布智能方法定位故障，故障兩側開關分閘隔離故障。1）短路故障隔離：主從FTU檢測穩態故障電流，從FTU將故障信息通過無線網絡傳送至主FTU，主FTU根據拓撲運算分析，將分析的結果發送給從FTU，然后從FTU再根據開關的分合閘位置及其他相關條件隔離故障，從FTU將故障隔離后的確認信息再上傳至主FTU和配電網自動化系統。2）接地故障隔離：主從FTU檢測暫態零序故障電流、零序電壓，從FTU將故障信息通過無線網絡傳送至主FTU，主FTU拓撲運算分析，將分析的結果發送給從FTU，然后從FTU再根據其他相關條件隔離故障。由于消弧線圈接地的10 kV系統發生接地故障后變電站開關不會立即保護跳閘，因而需要與人工拉線進行配合。拉線的快慢可能會出現以下2種情況。1） 拉到故障線路前故障點兩端的從FTU已直接啟動跳閘，實現隔離，此時站內的線路接地故障告警消失。2）在拉到故障線路后，此時整條線路處于無壓無流狀態，故障點兩端的從FTU啟動跳閘，實現隔離。

1.2.2 負荷側非故障段恢復供電策略

由聯絡開關合閘恢復供電。主FTU收到故障兩端從FTU發送的故障隔離成功的確認信息后，將分析的結果送給聯絡開關LS的FTU，該FTU再根據自身的其他相關條件恢復故障負荷側非故障區段的供電。

1.2.3 電源側非故障段恢復供電策略

故障隔離成功信息上傳至配網主站，由配網主站對CB下達合閘指令或人工合閘操作，恢復電源側非故障段供電。

1.2.4 動作過程分析

典型配網環網圖，如圖1所示。1）假設如圖1所示F1發生故障。2）CB1檢出故障電流后跳閘，K1～K4檢測到故障電流，K5沒有檢測到故障電流，主控制器FTU（K1）收到 K1～K5信息后，拓撲算法判斷故障在K4、K5之間。3）主FTU（K1）向K4、K5發出分析結果信息，K4、K5在接收到信息后結合運行狀態，隔離故障。4）K4、K5把故障隔離信息傳到主FTU。5）主FTU接收到信息后向聯絡開關LS發出分析結果信息，LS在接收到命令后結合運行狀態進行合閘，恢復故障點后段非故障區供電。變電站出線斷路器CB1由配網主站下達合閘指令，恢復電源側非故障區域的正常供電。

1.3 該方案特點

FA功能就地實現故障段的自動快速隔離和非故障段的自動恢復。

采用無線通信方式，通信網絡建設和維護簡單，對通信網絡的要求不高，即使某個FTU通信失效，使用相鄰FTU遠后備保護也能快速隔離故障;當一次開關設備故障拒動時，也可使用相鄰開關遠后備保護快速隔離故障。

2 關鍵問題分析

2.1 變電站CB與K1線路故障處理及對CB的控制操作問題

為了實現對變電站出線斷路器CB和CB之后的線路第1臺開關K1之間的故障進行快速隔離，需要通過配網主站獲取CB的開關狀態及CB的保護動作信息。目前采用新增一臺轉發服務器的方式，與配網主站III區相連，獲取自動化線路的CB信息。

對電源側非故障段的恢復供電涉及對變電站CB的控制操作問題。線路故障隔離成功后，配網主站接收到故障已被成功隔離的信息，可由配網主站對CB下達合閘指令或現場人工合閘操作。

2.2 遠后備保護問題

當故障區段兩側開關通信模塊或一二次設備異常時，由相鄰的分段開關作為遠后備保護。

2.3 如何利用零序暫態電流的分析方法判斷單相接地時的故障范圍

2.3.1 中性點經消弧線圈零序穩態電流分析

變電站的消弧線圈普遍采用過補償的方式，流經故障線路的零序電流將大于本身的電容電流，而電容性無功功率的實際方向仍然是由母線流向線路，和非故障線路的方向一樣，因此，首先無法利用功率方向的差別來判別故障線路，其次一般過補償的容量不大，也很難像中性點不接地系統那樣，利用零序電流的大小的不同來找出故障線路。

2.3.2 分析中性點經消弧線圈零序暫態電流分析

由于電網中絕緣被擊穿引起的單相接地故障，經常發生在電壓接近最大值的瞬間。因此，可以將暫態電容電流看成是以下2個電流之和（如圖2所示）。1）由于故障相電壓突然降低而引起的放電電容電流，此電流在圖1中以“箭頭+橫線”表示，它通過母線而流向故障點，放電電流衰減很快，其振蕩頻率高達數千Hz，頻率主要決定于線路的參數（電阻R和電抗L的數值）、故障點的位置以及過渡電阻的數值。2）由非故障相電壓突然升高而引起的充電電容電流，在圖2中以“箭頭”表示，它要通過電源而成回路。由于整個流通回路的電感較大，充電電流的衰減較慢，振蕩的頻率也較低（一般僅為數百Hz）。

經消弧線圈接地的電網，由于暫態電感電流的最大值應出現在接地故障發生在相電壓經過零值的瞬間，而當故障發生在相電壓接近最大值的瞬間時，IL約等于0，因此暫態電容電流比暫態電感電流大很多。在過渡過程中，零序暫態電流比零序穩態電流大幾倍到幾十倍。因此，可以根據零序暫態電流的波形和數值的大小來判斷故障段。

當然，如果故障是發生在電壓瞬時值為零的附近時（例如野蠻施工外界機械的原因而引起的單相接地），則電容電流的暫態分量很小，此種情況下就很難通過裝置判斷故障范圍，但是電纜已有明顯故障點，較容易通過巡線判斷故障點。

3 在調度運行中的應用

當裝有A的全線電纜線路發生短路故障跳閘后，由FA判斷故障范圍，并將信號上送至配網自動化系統的實時窗口中，調度員可根據故障范圍信號作出相應的判斷是否合上變電站開關，如故障點不在變電站出線電纜上，可待檢查變電站一二次設備正常后，遙控合上變電站開關[2]。最后，通知維護單位人員檢查處理故障且巡視故障點線路段范圍之外的前段和后段線路的恢復供電情況。

FA的全線電纜線路單相接地故障后，調度員無需急于斷開故障線路開關，讓FA判斷故障范圍并隔離，并實現非故障段的恢復供電。最后，通知維護單位人員檢查處理故障且巡視故障點線路段范圍之外的前段和后段線路的恢復供電情況。

4 結語

分布智能型FA投運，縮短了中性點經消弧線圈接地的10 kV系統中全線電纜線路的故障處理時間，從而提高了配網的供電可靠性，是一種極具前途的饋線自動化裝置。

參考文獻

[1]羅毅，丁毓山，李占柱.配電網自動化實用技術[M].北京：中國電力出版社，1999.

[2]賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理[M].北京：中國電力出版社，1998.