基于電流記數(shù)型分段器和重合器配合的10kV配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化研究及應(yīng)用

劉紅偉 封連平 王煥文

（珠海許繼電氣有限公司，廣東 珠海 519060）

1 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)行業(yè)也發(fā)生著突飛猛進(jìn)的變化，經(jīng)歷了“知識(shí)電網(wǎng)（IntcUIGrid）、現(xiàn)代電網(wǎng)（ModemGrid)、網(wǎng)絡(luò)智能（GridWise)等幾個(gè)發(fā)展階段。近幾年，一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家積極推動(dòng)可再生能源發(fā)展，從而帶動(dòng)“智能電網(wǎng)”（SmartGrid)的建設(shè)，其智能電網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在用電和配電領(lǐng)域。我國(guó)已經(jīng)在做有關(guān)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)工作，主要是配電網(wǎng)的改造、開發(fā)自動(dòng)抄表系統(tǒng)、發(fā)展分布式發(fā)電和實(shí)施用于負(fù)荷管理的需求側(cè)管理技術(shù)等。特別是國(guó)家電網(wǎng)公司即將出臺(tái)的“智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備研制規(guī)劃”，將指導(dǎo)和推進(jìn)我國(guó)電網(wǎng)的智能化改造。

10kV配電網(wǎng)是輸配電系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是智能電網(wǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，具有點(diǎn)多面廣，分布廣泛，系統(tǒng)復(fù)雜的特點(diǎn)，目前我國(guó)仍存在配電網(wǎng)網(wǎng)架薄弱、供電能力不足、線路設(shè)備功能分散且可靠性較差、配電節(jié)能降損潛力巨大、多點(diǎn)分散通信瓶頸等問題。此外，我國(guó)10kV配電網(wǎng)領(lǐng)域有些地區(qū)還處于相當(dāng)薄弱的環(huán)節(jié)，尚未實(shí)現(xiàn)10kV電網(wǎng)配電自動(dòng)化，各地區(qū)配網(wǎng)改造的狀況也不盡相同。因此如何將現(xiàn)有配電網(wǎng)系統(tǒng)與智能電網(wǎng)改造有機(jī)的結(jié)合、智能的結(jié)合、經(jīng)濟(jì)的結(jié)合是我國(guó)智能電網(wǎng)改造所面臨的關(guān)鍵問題，即智能電網(wǎng)改造也要根據(jù)我國(guó)電網(wǎng)改造的實(shí)際情況進(jìn)行，而不是盲目的跟隨。早期的“電流記數(shù)型保護(hù)模式”未能得到大規(guī)模應(yīng)用，主要是國(guó)內(nèi)永磁斷路器技術(shù)不夠成熟，且分段器采用分立電子元件，功能單一，靈活性較差。隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)永磁斷路器的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，且微機(jī)保護(hù)技術(shù)也發(fā)展到了一個(gè)新的階段，因此無論是一次設(shè)備還是二次設(shè)備均為輻射電網(wǎng)“電流記數(shù)型分段器+永磁重合器”保護(hù)模式的實(shí)現(xiàn)提供了較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，本文通過對(duì)新的保護(hù)模式的原理及設(shè)備要求進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，為10kV配電網(wǎng)智能化改造提供一個(gè)新的思路。

2 電流記數(shù)型分段器與重合器配合方式的基本原理

電流記數(shù)型分段器與10kV支線出線重合器（或具有重合閘功能的斷路器）及10kV變電站出線斷路器相配合使用，在線路某區(qū)段發(fā)生故障時(shí)，能自動(dòng)檢出故障，并將故障區(qū)域隔離，恢復(fù)非故障段供電。

電流記數(shù)型分段器采用故障電流脈沖記數(shù)式原理，對(duì)重合器(或帶重合閘功能的斷路器，以下統(tǒng)稱重合器）開斷故障電流的次數(shù)進(jìn)行記數(shù)。當(dāng)動(dòng)作次數(shù)達(dá)到分段器設(shè)定的整定次數(shù)時(shí)，分段器在重合器開斷故障電流后輸出分閘信號(hào)，分段器本體分閘，隔離故障區(qū)域，智能分段控制器自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)；當(dāng)重合器開斷故障電流的次數(shù)在復(fù)位時(shí)間內(nèi)未達(dá)到整定次數(shù)，智能分段控制器在復(fù)位時(shí)間到后，自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，分段器不動(dòng)作。

相比傳統(tǒng)的保護(hù)模式，“電流記數(shù)型分段器+永磁重合器”保護(hù)方式在線路中間增加一級(jí)分段重合器將線路一分為二，減少了變電站出口斷路器的跳閘次數(shù)，且最大可將主干線線路劃分為9段區(qū)域進(jìn)行故障隔離，從而提高了供電可靠性。應(yīng)用見圖1所示。

圖1 典型應(yīng)用系統(tǒng)圖

2.1 重合器成套裝置（REC）構(gòu)成及工作原理

構(gòu)成：重合器成套裝置（簡(jiǎn)稱重合器），由斷路器、智能重合器控制器、SPS電源變壓器三部分組成，通過戶外防護(hù)控制電纜及航空接插件進(jìn)行成套電氣連接。

圖2 重合器成套裝置

工作原理：主干線路或大分支線路REC后段發(fā)生接地故障或短路故障時(shí)，重合器REC直接切除故障，減少靠近電源側(cè)的開關(guān)動(dòng)作次數(shù)，縮短因故障區(qū)域而隔離的線路長(zhǎng)度和非故障區(qū)域供電恢復(fù)時(shí)間。

10kV饋線故障有相間短路和單相接地兩種類型，重合器對(duì)這兩種故障分別進(jìn)行處理。

（1）相間短路的故障處理

對(duì)于用重合器負(fù)荷側(cè)的相間短路故障，智能重合控制器通過檢測(cè)斷路器內(nèi)部CT引出的A、B、C相電流與定值比較來判定故障的發(fā)生，當(dāng)發(fā)生相間短路故障后，記憶相間短路故障狀態(tài)，表1為相間短路故障的處理方式。

表1 重合器相間短路故障處理方式

（2）單相接地的故障處理

目前，我國(guó)10kV配電網(wǎng)的中性點(diǎn)接地方式可分為：中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地三種方式。控制器對(duì)單相接地故障的基本處理方法是通過檢測(cè)從重合器內(nèi)置零序CT引出的零序電流信號(hào)與定值比較來區(qū)分和判定用戶界內(nèi)和界外的單相接地故障，對(duì)于重合器電源側(cè)的單相接地故障，由于從零序CT檢出的零序電流遠(yuǎn)小于重合器負(fù)荷側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)所檢出的零序電流，因此，通過適當(dāng)?shù)亩ㄖ嫡?，即可作出?zhǔn)確地判斷。對(duì)于消弧線圈接地系統(tǒng)，由于系統(tǒng)補(bǔ)償后，電流定值未必能夠滿足定值比較要求（特別是長(zhǎng)距離架空線路或電纜線路），且故障信息較為復(fù)雜，因此，對(duì)于消弧線圈接地系統(tǒng)需采用故障電流突變量、零序電流方向、行波檢測(cè)及諧波含量等多種判據(jù)相結(jié)合進(jìn)行判別。表2為單相接地故障的保護(hù)處理方式。

表2 重合器單相接地故障處理方式

（3）自動(dòng)重合閘與保護(hù)配合

按預(yù)定的重合時(shí)間實(shí)現(xiàn)1～3次自動(dòng)重合閘及后加速保護(hù)。

表3 重合器自動(dòng)重合閘及后加速方式

2.2 電流記數(shù)型分段器成套裝置（FD）構(gòu)成及工作原理

構(gòu)成：電流記數(shù)型分段器成套裝置（簡(jiǎn)稱分段器），由負(fù)荷開關(guān)、智能分段控制器二部分組成，通過戶外防護(hù)控制電纜及航空接插件進(jìn)行成套電氣連接。

圖3 電流記數(shù)型分段器成套裝置

主要作用：用于10kV配電系統(tǒng)幅射狀供電網(wǎng)大分支線路處或主干線，對(duì)重合器(或帶重合閘功能的斷路器，以下統(tǒng)稱重合器）開斷故障電流的次數(shù)進(jìn)行記數(shù)。當(dāng)動(dòng)作次數(shù)達(dá)到智能分段器控制器設(shè)定的整定次數(shù)時(shí)智能分段器控制器在重合器開斷故障電流后即無電壓、無電流的情況下，輸出分閘信號(hào)，自動(dòng)控制分段器本體分閘，隔離故障區(qū)域，智能分段器控制器自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)；當(dāng)重合器開斷故障電流的次數(shù)在復(fù)位時(shí)間內(nèi)未達(dá)到整定次數(shù)，智能分段控制器在復(fù)位時(shí)間到后自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，分段器不動(dòng)作。

故障處理方式：以典型應(yīng)用舉例介紹如下。

圖4 線路故障示意圖

圖4中，CB為變電站出線斷路器；REC為分段重合器成套設(shè)備，重合次數(shù)整定為3次；FD1、FD2為分段器成套設(shè)備，其中FD1記憶次數(shù)整定為3次，F(xiàn)D2記憶次數(shù)整定為2次，f1、f2、f3為各區(qū)間故障點(diǎn)。

（1）永久性故障處理

當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)間3時(shí)，分段重合器REC在分段器FD2跳閘隔離故障之前跳閘并重合一次，在分段重合器第二次跳閘后，智能分段器控制器輸出分閘信號(hào)并自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，分段器跳閘，隔離故障區(qū)間3；分段重合器再次合閘，區(qū)間1和區(qū)間2恢復(fù)供電。

當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)間2時(shí)，分段重合器REC在分段器FD1跳閘隔離故障之前跳閘并重合兩次，在分段重合器第三次跳閘后，智能分段控制器輸出分閘信號(hào)并自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，分段器跳閘，隔離故障區(qū)間2；重合器再次合閘，區(qū)間1恢復(fù)供電。

當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)間1時(shí)，分段器FD1、FD2無故障電流流過均不動(dòng)作，分段重合器在重合三次后，加速跳閘，隔離重合器負(fù)荷側(cè)近區(qū)故障。

（2）瞬時(shí)性故障處理

對(duì)于瞬時(shí)性故障，重合器REC跳閘并重合一次，智能分段控制器記數(shù)為1次，在復(fù)位時(shí)間內(nèi)達(dá)不到整定值（2次或3次），智能分段器控制器自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)，分段器不動(dòng)作，線路快速恢復(fù)供電。

（3）分段器后備電源的選擇

分段器控制器為典型的微機(jī)保護(hù)裝置，但區(qū)別于傳統(tǒng)的變電站內(nèi)保護(hù)裝置，控制器電源并非來源于直流屏電源系統(tǒng)，而是由線路SPS電源變壓器提供，因此，在線路發(fā)生故障，交流失電情況下，分段器控制器在一定時(shí)間（復(fù)位時(shí)間）內(nèi)，必須保持正常運(yùn)行狀態(tài)，后備電源是維持其工作的必備能源。

目前后備電源主要采用鋁電解電容和電池兩種，但均有其局限性。因此，本分段器控制器后備電源采用新型綠色儲(chǔ)能器件超級(jí)電容器作為后備電源。其特點(diǎn)：①體積小，容量大，電容量比同體積電解電容容量大30～40倍，容量范圍：0.1～1000F；②充放電線路簡(jiǎn)單，無需充電電池那樣的充電電路，真正免維護(hù)；③充放電能力強(qiáng)，且充電速度快，10s內(nèi)達(dá)到額定容量的95%；④失效開路，過電壓不擊穿，安全可靠；⑤超長(zhǎng)壽命，可長(zhǎng)達(dá)40萬(wàn)h以上。

3 重合器與分段器配合方式整定原則

3.1 電網(wǎng)保護(hù)方式選擇應(yīng)考慮的原則

（1）從整個(gè)電力系統(tǒng)出發(fā)，要滿足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和潮流極限的需要；要保證重要用戶和工業(yè)保安用電的需要。

（2）要從系統(tǒng)繼電保護(hù)出發(fā)進(jìn)行考慮。不能簡(jiǎn)單地考慮一條線或一個(gè)設(shè)備的保護(hù)問題。繼電保護(hù)的“四性”要以電力系統(tǒng)要求為衡量的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）保護(hù)方式的選擇應(yīng)由簡(jiǎn)到繁，設(shè)備的選型要求質(zhì)量好、性能全、運(yùn)行維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)合理，留有發(fā)展余地。

3.2 上、下級(jí)電網(wǎng)保護(hù)之間逐級(jí)配合技術(shù)要求

為保證電網(wǎng)保護(hù)的選擇性，上、下級(jí)電網(wǎng)保護(hù)之間逐級(jí)配合應(yīng)滿足上、下級(jí)繼電保護(hù)裝置之間的整定，應(yīng)遵循逐級(jí)配合的原則，滿足選擇性的要求，即當(dāng)下一級(jí)線路貨元件故障時(shí)，故障線路或元件的繼電保護(hù)整定值必須在靈敏度和動(dòng)作時(shí)間上均與上一級(jí)線路或元件的繼電保護(hù)整定值相互配合，以保證電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)有選擇性地切除故障。

因此重合器、分段器及變電站出線斷路器整定配合的原則：階段特性配合，同種故障類型的保護(hù)之間進(jìn)行配合即相間保護(hù)和相間保護(hù)、接地保護(hù)和接地保護(hù)。

分段重合器保護(hù)定值應(yīng)于與變電站出線斷路器保護(hù)定值進(jìn)行級(jí)差配合，保證分段重合器負(fù)荷側(cè)線路發(fā)生故障，變電站出線斷路器不動(dòng)作，且重合器定值應(yīng)整定為保護(hù)到整條線路的末端，與分段器實(shí)現(xiàn)配合；分段重合器重合次數(shù)設(shè)定為3次，且重合時(shí)間盡可能滿足最長(zhǎng)故障處理時(shí)間不大于 20s的原則進(jìn)行整定，實(shí)現(xiàn)線路故障的快速處理。

智能分段器控制器的起動(dòng)電流整定值應(yīng)大于線路最大負(fù)荷電流的（1.2～1.5）倍，同時(shí)應(yīng)與上級(jí)保護(hù)設(shè)備（重合器）定值進(jìn)行級(jí)差配合，比上級(jí)保護(hù)設(shè)備定值小一個(gè)級(jí)差，起動(dòng)電流應(yīng)小于線路最小短路電流。

智能分段器控制器的復(fù)位時(shí)間整定值應(yīng)比分段重合器重合時(shí)間及故障處理時(shí)間之和大一個(gè)級(jí)差，如重合器重合時(shí)間及故障處理時(shí)間為18s，則智能分段控制器的復(fù)位時(shí)間整定值應(yīng)大于18s，可整定為20s。

智能分段控制器的記憶次數(shù)整定：主干線控制器一般整定為2、3次，分支線一般整定為1、2次，且分段控制器主干線之間，及主干線與分支線分段器控制器整定次數(shù)必須有級(jí)差配合，即上級(jí)保護(hù)分段器整定次數(shù)應(yīng)比下級(jí)保護(hù)分段器整定次數(shù)多一次，否則線路故障時(shí)，會(huì)發(fā)生多臺(tái)分段器同時(shí)分閘的保護(hù)配合失當(dāng)事故發(fā)生。

4 結(jié)論

遼寧省在2008年10kV智能配電網(wǎng)饋線自動(dòng)化改造中，采用了“電流記數(shù)型分段器+重合器”配合保護(hù)模式，利用分段器的記數(shù)和自動(dòng)分段功能排除永久性故障，確保非故障線路的正常送電。對(duì)于瞬時(shí)故障，智能分段器能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行記數(shù)和復(fù)位。分段器與智能重合器相配合，實(shí)現(xiàn)故障的線路故障的隔離，因此，電流記數(shù)型保護(hù)模式對(duì)智能重合器控制器的可靠性有較高的要求，需要具備3次重合閘功能，靈活的定值整定，便于與上、下級(jí)保護(hù)裝置進(jìn)行配合，且需具備良好的抗干擾性能，特別是與永磁重合器相配合，需要處理好永磁斷路器分、合閘時(shí)發(fā)出的強(qiáng)烈干擾信號(hào)，不至于影響重合器控制器的正常工作。同時(shí)由于此種保護(hù)模式，線路任一段發(fā)生故障均會(huì)導(dǎo)致重合器動(dòng)作，對(duì)永磁重合器本體的開端能力和使用壽命均有較高的要求。所以重合器成套裝置及分段器成套裝置的高可靠性是保證線路供電高可靠性和故障判別正確性的必要條件。此外，重合器控制器和分段器控制器可以通過光纖、FSK、GPRS、CDMA、GSM及以太網(wǎng)等通信方式與后臺(tái)主站通信，實(shí)時(shí)監(jiān)視配電設(shè)備和配電線路的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)管理，達(dá)到合理分配負(fù)荷、有效利用能源的目的。

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