10 kV配電網(wǎng)快速切斷故障分支的研究

梁華欽

廣西電網(wǎng)有限責任公司欽州供電局，廣西 欽州 535000

0 引言

目前，地方電網(wǎng)正在建設配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)，根據(jù)配電網(wǎng)安全可靠性、配電網(wǎng)系統(tǒng)結構和系統(tǒng)本身現(xiàn)有條件的要求，可選擇不同的故障處理方式、終端配置和通信方式，以提高供電的穩(wěn)定性和供電質量。傳統(tǒng)的配電自動化有電壓-時間型和電壓-電流型，其中，電壓-時間型配電自動化在發(fā)生故障時只能將配電系統(tǒng)的開關先全部跳開停電，再通過變電站出線開關的二次重合功能再重合再跳開隔離故障區(qū)，讓一些非故障供電區(qū)域采用“先停后供”的原則，同時二次重合讓整個配電系統(tǒng)再次受故障沖擊，影響穩(wěn)定性，使開關設備多受一次故障沖擊降低使用壽命[1]。

由于傳統(tǒng)開關速度和保護動作的影響，當前配電網(wǎng)自動化的時差保護達到150 ms。配電網(wǎng)自動化開關的保護不應與變電站輸出開關形成多級協(xié)調(diào)和選擇性，在發(fā)生故障時，往往同時運行至多個級別或繞過該級別，無法精準隔離故障區(qū)域或擴大停電區(qū)域，不能直觀有效發(fā)揮配電自動化的作用，導致配電網(wǎng)的安全可靠性受到一定限制[2]。目前，兼?zhèn)涓咚僮詣幼杂δ艿呐潆娮詣踊饕求w現(xiàn)在集中控制類型的配電自動化，但是集中控制類型的配電自動化往往都是依賴通信來執(zhí)行主操作臺的集中分配，并基于無線通信和以太網(wǎng)通信執(zhí)行配電自動化。這在很大程度上要取決于通信質量，具有如下問題：投建光纖通信成本高，只能在一些有條件的城鎮(zhèn)地區(qū)達到，而非光纖通信反應時間較慢；在通信網(wǎng)出現(xiàn)故障時，將可能導致配電自動化系統(tǒng)癱瘓或崩潰；廣泛普及通信設施及運維耗資量較大。

1 基于永磁雙穩(wěn)態(tài)機構的開關智能化集成

文章基于永磁雙穩(wěn)態(tài)原理，建立了一套獨有的雙穩(wěn)態(tài)永磁高速機構，能夠在3 ms內(nèi)斷開開關，將其與無通道保護相結合，并優(yōu)化算法進行故障排除，可在20 ms內(nèi)完成分離和故障修復。由于兼?zhèn)浔Ｗo的選擇性和速斷性，且分段開關不會越級跳閘，故障點上端供電電源沒有斷開，因此供電電源的安全可靠性得到大幅提升[3]。

永磁雙穩(wěn)態(tài)真空斷路器可以取代傳統(tǒng)的ZW32和ZW20型號的普通斷路器，該真空斷路器可以從根本上解決普通斷路器動作慢、隔離快、故障后恢復快的問題，最大限度地保證用戶的人身和財產(chǎn)安全，主要用于城鄉(xiāng)配電網(wǎng)，可以確保配電線路支路故障后的高速自愈能力和恢復非故障區(qū)域供電的可靠性。

2 無通道保護和高速自愈斷路器概述

2.1 無通道保護原理

配電線路無通道保護是一種基于SDH傳輸機制的保護，其原理簡單，易于實現(xiàn)，目前主要與現(xiàn)有的時限過流保護配合使用。利用線路故障跳閘后故障線路一端的斷路器感接收電壓差的變化，可以提高保護動作靈敏性，加速故障分支切除時間。在繼電器離供電電源越近位置，反應效果越明顯。其不需要設置專門的通道，可以實現(xiàn)通道保護功能，更經(jīng)濟可靠。

2.2 高速自愈斷路器本體

高速自愈斷路器由高速磁力機構真空斷路器、智能控制器和外置儲能PT三部分組成。真空斷路器本體又由高速磁力機構和真空滅弧室極柱組成；智能控制器核心單元及機箱、后備電源等與開關本體集成一體化，無連接電纜；外置儲能PT為智能極速自愈開關提供微型交流電源，必要時可以加裝戶外隔離開關上，此外開關本體與隔離開關具有可靠的機械聯(lián)鎖裝置。高速自愈斷路器性能技術規(guī)范如表1所示。

表1 高速自愈斷路器性能技術規(guī)范

高速自愈斷路器具體功能如下。

（1）開關本體構造采用三相立柱結構和座式安裝方式，具有分斷性能穩(wěn)定可靠、無燃燒爆炸危險、安全可靠性高、體積小、重量輕、使用壽命長、免維護的特點。電力變壓器（電壓PT）可與開關并排放置或置于開關上方。

（2）開關具有手動、電動分合閘功能，內(nèi)置Wi-Fi通信模塊可以執(zhí)行就近遙控分合閘和遠端通信控制分合閘。同時，可以通過智能移動終端配置保護功能和修改保護定值及整定。

（3）內(nèi)置專有無通道保護算法及自愈控制軟件模塊，快速有選擇保護跳閘隔離故障和恢復非故障區(qū)段供電，實現(xiàn)配網(wǎng)高級自愈。

（4）操作機構采用高速電磁吸力機構，該機構基于電磁感應原理，通過線圈產(chǎn)生的吸力作用直接驅動真空滅弧室運動到相應的位置，并利用高性能永磁體所提供的磁場能量，使之保持在極限位置。

（5）高速磁力直動式操動機構省去了傳統(tǒng)機構易損的儲能、鎖扣等機械裝置，可以大幅提高操動機構的可靠性和使用期限。

（6）采用專用電容器作為工作電源，避免了輔助電流波動對機構有效性能的影響。具有優(yōu)異性能的斥力式工作機構通常可以長時間工作，使用壽命為10萬余次，真正達到永久免維護。

3 智能高速斷路器在配電網(wǎng)中的應用

高速自愈開關分別安裝于用戶側、母線段、出線分段處。若是瞬時性故障自動避開恢復非故障區(qū)域供電；若是永久性故障執(zhí)行再次跳閘。線路短路故障高速自愈開關原理演示圖如圖1所示。在配電網(wǎng)支路發(fā)生相間或短路故障時，智能高速自愈開關有選擇性地快速切除故障并隔離故障、快速恢復非故障段供電；對于對稱故障，先瞬時無選擇性地隔離故障再逐一重合，確認故障區(qū)域、并恢復非故障區(qū)供電；在線路發(fā)生單相短路故障時，智能高速開關內(nèi)置零序互感器感受故障電流差后快速有選擇切除故障。

圖1 線路短路故障高速自愈開關原理演示圖

3.1 安裝于用戶側

當用戶側發(fā)生故障時，智能高速開關感受到故障電流，在10 ms內(nèi)切除故障，保證配電主干網(wǎng)的正常供電，變電站出口保護及主干線、分支線保護不會動作，不影響上述區(qū)域正常連續(xù)供電，快速切除故障不會引起電壓波動。

3.2 安裝于母線分段處

智能高速開關作為分段開關時，為了保證保護動作的選擇性，高速開關的保護應與其他分段開關進行階梯時間配合，按照相繼動作原理快速選擇性切除故障；變電站出線保護無須任何改動。同時，無須借助通信手段實現(xiàn)主干線故障就地快速隔離和轉供電，事后由配網(wǎng)主站控制高速開關實現(xiàn)負荷分配優(yōu)化。

3.3 安裝于出線分段處

當出線斷路器下端發(fā)生故障時，智能高速開關感受到故障電流，先于上端分段斷路器動作跳閘切除故障，保證配電主干網(wǎng)的正常供電，變電站出口保護、分段保護返回，不會動作，出線還可以再分段，按階梯可增加2級保護。

4 結束語

10 kV配電網(wǎng)應用無通道配電自動化自愈技術的綜合高速智能開關，基于開關高性能技術指標，即故障隔離時間小于80 ms，能量恢復時間小于1 s，降壓時間小于0，速斷保護動作時間小于2 ms，整個保護組和速斷開關動作時間小于5 ms，可以高速切除配電網(wǎng)線路分支故障和快速自動自愈恢復供電，實現(xiàn)一種先進的無縫自愈技術。這種配電自動化自愈綜合高速智能開關僅利用單端信息，無須通信，可以快速、有選擇性切斷10 kV配電網(wǎng)故障分支；集成備用電源自動投入及重合閘功能，并快速恢復非故障區(qū)域供電，具有一定的推廣使用價值。