10kV配電系統一體化快速斷路器的研究

廣西電網有限責任公司河池供電局 周愈鵬 程治真 陳天勝 王 琛 陳海學

對于傳統的低壓配電線路，采用過電流保護切除故障的方案，存在故障靠近電源側其切除時間長，對系統影響大的缺點；采用三段式時限配合的電流保護，雖然線路中部分故障能實現快速切斷，但其余部分故障還存在0.5s 或更長時間的延時。隨著配電網的建設朝著復雜化發展，其供電半徑逐漸擴大，上述兩種方法均不能滿足當前配電系統發展的需求，因此，配電線路的無通道保護方案孕育而生[1]。配電線路的無通道保護優點是斷路器動作速度快、保護范圍廣，它是通過故障線路端斷路器跳閘后，另一端斷路器所感受的工頻電氣分量實現速動保護。

基于此，文中通過運用短路故障的快速識別技術，將該快速斷路器與故障快速判別算法的保護技術相結合，設計了一種新型快速斷路器設備，將其與無通道保護結合，讓該快速斷路器整體動作時間能夠在小于10ms 的時間內完成故障隔離與恢復。運用于某地區10kV 配電線路中進行試驗，試驗結果證明斷路器保護反應速度快、精確度高、可選擇性地切除故障線路，實現了中壓配網斷路器多級精準配合和選擇性，不會發生越級跳閘，使得故障區得以快速隔離，非故障供電線路不會停電，實現配電系統高速自愈，提高了供電可靠性。

1 無通道保護的原理和斷路器的組成

1.1 保護原理

由于正、負、零序故障分量在線路發生不對稱性故障時，可通過對稱分量進行變換，在故障切除后，線路隨即恢復對稱運行狀態，運用檢測序分量的方法可判斷線路是否對稱運行，從而確定斷路器的動作與否[2]。有多個電源供電的配電網系統，若某一支路發生故障時，需要切斷兩個斷路器，但斷開兩個斷路器存在時間差的問題，無通道保護可通過對端斷路器動作的電氣分量，運用算法算出正、負、零序分量的有效值，對有效值進行比較，判斷線路的運行狀態，從而識別線路的故障區域，加快本端斷路器動作。

線路的運行狀態方程式為RI=(S,+S,,)/S,式中S為正序分量的有效值；S,為零序分量的有效值；S,,為負序分量的有效值。當零序、負序分量的和值與正序分量存在某一差值時，判斷線路發生了故障。文中所研究的一體式斷路器是通過短路電流瞬時值和電流變化率作為判據，采用3取2的表決方式進行識別（圖1）。

圖1 短路故障的快速識別技術

1.2 斷路器的組成

文中基于短路故障的快速識別技術設計了一種改進型的雙穩永磁操作機構快速斷路器（圖2），其本體由高速吸力機構和真空滅弧室極柱組成，配備電磁式電流互感器；智能控制器核心單元及機箱、后備電源等與斷路器本體集成一體化，無連接電纜；外置PT 為智能極速自愈斷路器提供交流電源，小型化。可應用于饋線分段處、分支處、用戶分界處，快速就地隔離故障點，不依賴任何通信手段，實現有選擇性地快速保護和相繼自愈控制，從而提高供電可靠性和電能質量；不需要架設專門的通道，就能實現通道保護的功能，更加經濟可靠。

圖2 雙穩永磁操作機構快速斷路器

2 工程運用及試驗結果

2.1 工程運用

某地區配電網主要以35kV 作為主要的電壓等級，通過變電站、線路構建了一個完備的35kV 網架，再通過降壓變壓器經由10kV 線路將電能輸送至客戶端。根據日常的運行經驗，此供電方式存在35kV 線路僅承擔輸送電能的作用，沿途的負荷需降壓后再通過10kV 線路接入，造成迂回供電的現象，不僅35kV 線路未能得到有效利用，同時耗費大量資源在相同區域重復架設10kV 線路，造成投資的浪費；同時該地區地處大石山區，人口密度較小，電網負荷分散，交通不方便。

10kV 系統供電半徑大，10kV 線路分支較多，當10kV 線路某處或分支發生故障時，只能通過變電站出線斷路器繼電保護跳閘切除故障，由于無法精確判斷故障點，運維人員巡線時間長、疲于搶修，特別是雷雨季節和節假日故障多，停電頻繁、時間長，是用戶投訴的重點，直接影響客戶對供電的滿意程度，為此選擇在該地區南丹縣10kV 新馬線、東蘭縣香河線安裝6臺此型斷路器作為試點。

2.2 試驗結果

通過檢測該型斷路器的分閘動作時間、保護裝置（FTU）故障判別時間與標準值對比，對其做出評價。通過4次手動分合閘試驗，4次試驗中A 相、B 相、C 相分閘動作時間平均值分別為7.875、5.550、7.725，小于標準值（10），全部合格。FTU 故障判別時間如表1，機構動作準確。從試驗數據可看出：該型斷路器分閘時間小于10ms,FTU 故障判別時間小于5ms，斷路器動作時間加上FTU 故障判別時間遠低于半波傅氏算法[3]25ms 的故障識別時間。

表1 FTU 故障判別時間

3 社會經濟效益評估

該一體化快速斷路器與無通道保護技術相結合，并優化故障判別的算法，讓該快速斷路器能夠在10ms 的時間內完成故障隔離與恢復。由于其具備優秀的保護選擇性、快速性，快速斷路器的應用使配網通過保護定值整定實現上下多級精準配合具備了可行性，使整定時間不再受傳統時間級差限制。最大限度地挖掘斷路器高速動作潛能，具備了傳統斷路器不具備的快分快合優勢。同時，本項目的研究與應用還讓新型快速斷路器實現了對線路中的各種負荷特性及暫態擾動有針對性的分析和仿真，在保證安全性和可靠性的前提下，實現了中壓配網斷路器多級精準選擇性，使得故障區得以快速隔離，非故障區快速恢復。

經濟效益：假設一條10kV 配電線路一年少停電20小時，每年可避免售電損失可按式W=×U×A×η×t×m×p×μ×n 計算，式中：W 為費用總數；U 為線電壓，取10kV；A 為線電流，取10kV 線路為300A；η 為功率因數，取0.8；t 為停電時間，取20h；m 為線路回路數，10kV 線路取6回；P 為電能單價，取0.23元/kwh；μ 為線損率，95%。將數據帶入上式評估測算，可知節省費用10.8萬元。

社會效益：對于配電網尤其是地廣人稀、交通不方便的農村電網來說，采用基于智能永磁快速斷路器的配電自動化技術，將讓配電網具備了精準切除故障區恢復非故障區正常供電，極大地縮小了停電范圍、縮短了停電時間，很大地提高供電可靠性和供電水平，同時大大地節省了排查故障及故障搶修的人力和物力，產生了巨大的社會效益。

綜上，基于短路故障的快速識別技術，設計了一種改進型的雙穩永磁操作機構快速斷路器。長期運行結果表明：保護裝置越靠近電源處，效果越明顯。可在城市和農村10kV 低壓配電網中推廣運用。