電壓-時間型柱上分段開關的保護整定

吳 鵬，何洪流，張銳鋒，付 宇，肖小兵，鄭友卓

(貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽550002)

饋線自動化作為配電自動化的重要組成部分，對提高供電可靠性、降損節能、改善供電質量起著至關重要的作用[1-4]。

目前，國內外研究學者在饋線自動化相關領域已有大量研究基礎。 文獻[5-6]對饋線自動化、網絡架構與一次設備的關聯特性進行分析，對常見配網接線方式與饋線自動化控制模式做出介紹，探討了實現配網饋線自動化的關鍵技術，論述了具有電壓-時間型分段開關以及重合閘裝置饋線自動化系統的基本組成結構，基本原理以及參數配置情況，為饋線自動化研究打下理論技術；文獻[7]提出了一種新型10 kV 饋線自動化處理方法，通過增加線路上斷路器和負荷開關的數量對主干線進行分段，并與智能控制裝置進行協作，以降低出線斷路器的跳閘率，實現對故障區域的自動切除，有效縮短了故障查找時間；文獻[8]提出了一種涵蓋饋線自動化全生命周期的遞進式測試策略，開發出了一套完整的測試工具，工程應用結果充分證明其在持續確保啟動成功率以及動作正確率上的有效性；文獻[9]將饋線自動化系統分成3 個部分，提出一種基于自治系統概念的實現方式，通過把功能下放至子站層，各子站間相互獨立、相互協作來一起實現故障的監測、隔離以及恢復功能，極大程度降低了系統配置的業務量，且具有動態響應的優越性；文獻[10]應用遺傳算法提出了一種快速故障定位的饋線自動化處理方法，基于混合型分布式終端裝置，應用疊加搜索法查找聯絡開關的位置，以完成對故障區域的快速定位，仿真測試結果證明了該控制方法在實現快速故障查找、隔絕以及恢復上的有效性；文獻[11]提出了一種新型就地饋線自動化方法，通過將主干線配置為根據拓撲結構進行故障范圍確定與切除的方式，分支線配置為就地分界保護以及出口斷路器相互協作的方式，給出了相應產品的設計方案，工程應用情況證明了該方案的可靠性和準確性。

上述研究文獻從原理分析以及改進控制技術方面對饋線自動化展開研究，對配電網就地控制型饋線自動化保護整定配合方面的相關研究較少，而已有保護整定方案不能滿足就地型饋線自動化技術的發展要求。 為此，本文對出線斷路器與饋線終端的保護配合方案展開重點研究，分析電壓-時間型饋線自動化柱上分段開關所應用的主要技術手段和自動化配置方案，應用重合閘時序圖對電壓-時間型柱上分段開關的保護整定方案及計算方法進行分析。

1 電壓-時間型饋線自動化分段開關

電壓-時間型柱上自動化負荷開關，又叫做電壓型柱上開關，為具有自動分閘、自動合閘及條件閉鎖特性的自動化成套設備，其能夠在不依賴主站控制和遠程通信實現故障的自動隔離功能，主要組成部件有負荷開關本體、電壓互感器以及饋線自動化終端，其結構示意圖如圖1 所示[12]。

圖1 電壓柱上負荷開關結構圖

電壓型柱上開關通過其饋線終端預先設定好的電壓-時間邏輯對線路運行情況進行檢測，進而對動作邏輯進行整定，當線路兩側均斷電時，則啟動自動分閘功能；當線路一側來電時，則啟動延時合閘功能。 電壓型柱上開關與上一級線路的斷路器保護以及重合閘相互協作完成故障區段的快速隔離以及非故障區域的正常供電[13]。 通常，將電壓型柱上開關分成分段用柱上開關以及聯絡用柱上開關兩種，即常閉型柱上開關和常開型柱上開關。

本文對分段用柱上開關的保護整定方法進行研究，其主要技術參數包括[14]:

(1)來電合閘時間，又稱為X 時限，是指分段開關在分閘狀態下，單側檢測到來電后合閘的延時時間。 若來電后，在X 時限內失壓，則保持分閘且反向閉鎖合閘。

(2)合閘確認時間，又稱為Y 時限，是指開關上電合閘后，在該時限內失壓，則啟動自動分閘功能并將該開關正向閉鎖合閘。

(3)分閘延時時間，又稱為Z 時限，是指線路失電后到啟動開關分閘功能的延時時間。

以圖2 所示的配電線路為例，對故障隔離過程進行解析。 CB1 為具有二次重合閘功能的出線斷路器，FSl、FS2、FS3、FS4 均為電壓型柱上分段開關，LS為電壓型柱上聯絡開關，A、B、C、D、E 為斷路器與分段開關、分段開關和分段開關以及分段開關與聯絡開關之間的連接線路。 當線路處于正常運行工況時，聯絡開關LS 處于分閘位置，變電站出線斷路器CB1 以及各分段開關FSl、FS2、FS3 均處于合閘位置，聯絡開關左側電路由CB1 供電，各段線路供電正常。 假設在FS2、FS3 之間的C 段線路發生永久性故障，則故障的隔離過程如下:

(1)當C 段線路發生接地短路故障時，斷路器CB1 首先發生跳閘，緊接著分段開關FSl、FS2、FS3因線路斷電而啟動自動分閘，此時聯絡開關LS 進行失壓計時；

(2)當CB1 啟動第一次重合閘后，CB1 至FS1段線路恢復供電，分段開關FSl 開始合閘延時；

圖2 故障隔離過程解析

(3)當分段開關FS1 合閘延時時限達到，則FS1開關閉合，FS1 至FS2 段線路恢復這鞥長供電，分段開關FS2 啟動合閘延時；

(4)當分段開關FS2 的X 時限達到，則FS2 開關閉合，因為FS2 合于線路永久性故障，CB1 再次保護跳閘；

(5)CB1 再次保護跳閘后，線路失電后分段開關FSl、FS2、FS3 再次斷開，由于開關FS2、FS3 在合閘后的Y 時限內再次失壓，分段開關FS2 進入正向閉鎖，分段開關FS3 進入反向閉鎖；

(6)CB1 啟動第二次重合閘，分段開關FSl 經X時限后開關閉合，CB1 至FS2 段線路恢復供電，分段開關FS2 閉鎖合閘；

(7)LS 失壓合閘延時時限達到，開關閉合，FS3至LS 段線路的轉供電成功，FS3 也進入合閘閉鎖狀態。 整條線路的故障隔離以及非故障區段的恢復供電過程已實現。

電壓-時間型饋線自動化作為一種常見的就地控制型自動化控制方案，被廣泛用于不同的配電線路中[15-17]。 如圖3 所示，為電壓-時間型饋線自動化配置方案的典型接線。

圖3 饋線自動化配置方案

2 電壓-時間型柱上分段開關保護的整定計算

電壓型分段開關在正常運行工況在處于合閘狀態，當檢測到線路兩側失壓，則自動分閘；當檢測到線路一側得電時，啟動延時合閘功能，這一系列的邏輯判斷，需要對X 時限、Y 時限以及Z 時限進行整定。

2.1 X 時限的整定計算

柱上分段開關的X 時限應與出線斷路器的故障切除時間進行協同整定，預防上一級線路負荷開關合于故障后，本線路負荷開關也誤合閘等情況的發生。 此外，X 時限需要比上一級線路負荷開關的Y 時限大，則:

式中:T′L為線路斷路器保護最末段動作時間。 綜合考慮上述情況，在本中，X 時限最小值取7 s。

基于圖2 能夠看出，斷路器需要經過兩次重合閘才能實現對故障區段的隔離以及對非故障區段的恢復供電。 但是，部分線路的斷路器保護只能進行一次重合閘，這時就需要延長下一級線路與之相鄰分段開關的X 時限來達成二次重合閘的目的[18]。

2.1.1 具備二次重合閘功能的工況

當上一級斷路器具備二次重合閘功能時，下一級線路與之相鄰的柱上分段開關X 時限能夠設置為最小值7 s，對于其余各級柱上分段開關以及聯絡開關就按照配電網結構做出整定即可:

(1)若只有主干線上裝設有電壓型柱上開關，而分支線上未裝設時，各柱上分段開關的X 時限均能夠設置為7 s。

(2)若主干線和分支線均配備了電壓型柱上開關時，各開關的X 時限取7 s 的整數倍，并需確保上級斷路器第一次重合后，在故障處理的任意時刻有且僅有1 個分段開關合閘，以便對故障進行精準定位。

2.1.2 只具備一次重合閘功能的工況

若斷路器只能進行一次重合閘時，則避開斷路器的“彈簧儲能時間+重合閘充電時間”，延長下一級線路與斷路器相鄰分段開關的X 時限，從而使柱上開關在誤合閘于永久性故障的情況下，上一級線路出線斷路器跳閘后可以再次重合，以實現對故障區段進行隔離以及對非故障區段進行恢復供電的目的。

此外，下一級線路與斷路器相鄰柱上分段開關的X 時限需要符合上一級線路斷路器的額定操作順序要求，即“分-0.3 s-合分-t′-合分”中間歇時間t′的要求。

2.2 Y 時限的整定計算

柱上分段開關的Y 時限同樣應與出線斷路器的故障切除時間進行協同整定，以保證當本線路負荷開關在合閘于故障后，能夠可靠啟動閉鎖合閘邏輯，即Y 時限應超過上一級線路斷路器的保護最長動作時間，同時小于下一級線路柱上開關的X 時限，通常Y 時限取5 s。

2.3 Z 時限的整定計算

柱上分段開關的Z 時限不僅需要與上一級線路的重合閘時間進行協同整定，預防出現上一級線路在重合閘期間負荷開關分閘的情況，大大減少了停電時長；此外，Z 時限還應與本級線路斷路器的首次重合閘時間進行配合整定，保證在重合閘前柱上開關處于分閘位置，即:

式中:T′L為上級電源線路保護最末段動作時間；T′CH為上級電源線路重合閘動作時間；TCH1為本級線路斷路器首次重合閘時間。 通常，將柱上分段開關的Z 時設定為3.5 s。

3 案例分析

由第2 節的分析可以看出，柱上分段開關的X時限是由上級線路斷路器的重合閘特性和配電網網架結構所共同決定的，因此分3 種情況進行分析。

(1)僅主干線配置了電壓型柱上開關

如圖4 所示，3 個柱上分段開關均裝設在主干線線路上，其中，出線斷路器CB1 具備二次重合閘功能，因此將各分段開關的X 時限均設定為7 s。

圖4 電壓型柱上開關只配置在主干線上

(2)主干線和分支線均配置了柱上開關

如圖5 所示，4 個柱上分段開關A、B、C、D 裝設在配電線路主干線上，3 個柱上分段開關E、F、G 裝設在配電線路分支線上，其中，出線斷路器CB1 具備二次重合閘功能。

圖5 電壓型柱上開關配置在主干線和分支線上

如第2 節所述，對于主干線和分支線均配備了電壓型柱上開關的工況，需確故障處理的任意時刻有且僅有1 個分段開關合閘。 本文基于深度優先搜索法對各分段進行順序合閘，即對先合閘支路進行深入搜索，直到無法再深入搜索為止。 假定主干線支路開關先合閘，且開關合閘整定時限為7 s，而對于其他支線則需待主干線支路所有開關合閘完畢后才能合閘操作，具體的整定過程如下:

首先，先搜索線路的主干線支路，由于第一級分段開關A 處于主干線路上，因此分段開關A 的X 時限為7 s；根據深度優先搜索原則，沿著支路A 的下一級為B 支路和F 支路，由于B 開關處于主干線支路上，則假定B 開關優先合閘，將其X 時限設置為7 s；同理，開關B 的下一級線路為C 支路和E 支路，假定主干線支路上的C 開關優先合閘，那么將開關C 的X時限也設置為7 s；進一步地，得到開關D 的X 時限為7 s，至此，主干線支路已全部搜索完畢；

接著，搜索線路的分支干線支路，當C 支路全部合閘完成后，E 支路開始合閘，C 支路包含有開關C和開關D，因此其合閘時間和為14 s，由此推斷得到開關E 的X 時限為21 s；同理，F 支路在等待B 支路全部合閘完成后進行合閘，B 支路的時間和為28 s，則開關F 的X 時限應為35 s；

最后，只剩下分支干線支路的開關G，將開關G的X 時限設置為7 s。 至此，各開關的合閘順序依次設置完成，即:A、B、C、D、E、F、G。

(3)出線斷路器只進行一次重合閘

若出線斷路器CB1 只進行一次重合閘時，則延長下一級線路與其相鄰分段開關的X 時限，同時，下一級線路與斷路器相鄰柱上分段開關的X 時限需要符合上一級線路斷路器的額定操作順序要求，即“分-0.3 s-合分-t′-合分”中間歇時間t′的要求。假設圖6 中，斷路器CB1 只能進行一次重合閘，若柱上分段開關A 裝設有撥碼式饋線終端，那么將X時限設定為最大值42 s，對于剩余的柱上分段開關X 時限的設定就與前述設定方式一致即可。

圖6 出線斷路器只投入一次重合閘

4 小結

對饋線自動化柱上開關進行合理保護整定，能夠充分利用饋線自動化的作用，對提高配電網供電可靠性具有重要意義。 本文對饋線自動化的故障隔離過程及保護配合要求進行分析，系統全面地給出了電壓型柱上開關的饋線自動化整定方案。 基于深度搜索原則，通過合理地設置柱上分段開關的X 時限，保障線路斷路器在進行重合閘恢復供電期間，各柱上分段開關能夠順序合閘，即確保在任何時刻由且僅有一臺柱上開關在進行合閘，這樣才能實現對故障的準確定位。 案例分析結果表明，本文所提保護整定方案能夠適用于電壓-時間型饋線自動化建設，可有效減少停電時間，提高配電網供電水平。