配電網(wǎng)混合線路重合閘問題研究

張林利，李建修，劉合金，王明濤

·班組創(chuàng)新·

配電網(wǎng)混合線路重合閘問題研究

張林利1，李建修1，劉合金1，王明濤2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250003）

隨著電纜化率不斷提高，配電網(wǎng)中包含電纜與架空線的混合線路越來越多?；旌暇€路是否投入自動(dòng)重合閘功能，目前缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。從提高供電可靠性與實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化功能的角度論述重合閘的必要性，考慮設(shè)備性能與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)探討重合閘的可行性，分析影響重合閘的因素，并提出混合線路重合閘投退的建議，可為配電網(wǎng)運(yùn)行提供決策依據(jù)。關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；混合線路；重合閘；供電可靠性

0　　引言

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，配電架空線路短路故障絕大多數(shù)都是瞬時(shí)性的。在斷路器保護(hù)動(dòng)作跳閘后，瞬時(shí)性短路故障電弧可自行熄滅，短路點(diǎn)處的絕緣可自動(dòng)恢復(fù)。經(jīng)短延時(shí)后將斷路器重新合閘，就可以恢復(fù)供電，避免瞬時(shí)性故障導(dǎo)致長時(shí)間停電［1］。因此架空配電線路一般都投入自動(dòng)重合閘功能。對(duì)于純電纜線路，一般認(rèn)為故障基本是永久性的，跳閘后線路絕緣無法自動(dòng)恢復(fù)，重合閘會(huì)對(duì)電纜和主變產(chǎn)生再次損傷，容易引起事故擴(kuò)大，因此不宜重合閘。1996年《反事故技術(shù)措施》規(guī)定“對(duì)6～10 kV電纜出線或短架空出線盡量不用重合閘，以避免事故擴(kuò)大”［2］。

隨著城市建設(shè)的加快和配電網(wǎng)投資的增加，配電線路的電纜化率越來越高。許多早期已經(jīng)建設(shè)完成的架空配電線路，已逐步進(jìn)行了電纜化改造，電纜和架空混合線路越來越多地出現(xiàn)在配電網(wǎng)絡(luò)中。對(duì)于混合線路是否使用重合閘功能，沒有明確規(guī)定，各供電企業(yè)選擇也不盡相同。有些單位對(duì)于混合線路一律不投重合閘，有些單位則全部投入，也有的單位根據(jù)架空線路和電纜的長度關(guān)系確定是否投入［3］。

顯然，對(duì)于配電網(wǎng)混合線路是否投入重合閘功能，目前業(yè)界還未能完全形成共識(shí)，許多運(yùn)行單位對(duì)重合閘投退的選擇缺乏科學(xué)依據(jù)。

1　　重合閘的必要性

1.1提高供電可靠性

混合線路自動(dòng)重合閘的最大優(yōu)勢(shì)是可以提高供電可靠性。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)供電質(zhì)量提出更高的要求，停電會(huì)引起嚴(yán)重的事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)供電企業(yè)內(nèi)部管理加強(qiáng)，對(duì)供電可靠性指標(biāo)要求也越來越高。由于混合線路架空部分故障多發(fā)，再加上用戶內(nèi)部線路也容易發(fā)生瞬時(shí)性故障，如果不投入自動(dòng)重合閘，往往導(dǎo)致整條線路長時(shí)間停電，嚴(yán)重影響供電可靠性。

近年來，除純電纜網(wǎng)絡(luò)外，一些供電企業(yè)出于解決單相接地故障選線困難、避免接地過電壓以及防止導(dǎo)線落地危害人身安全等考慮，在架空以及架空線路與電纜混合網(wǎng)絡(luò)中也采用了小電阻接地方式，在線路發(fā)生單相接地故障時(shí)也會(huì)導(dǎo)致斷路器跳閘［4］。由于架空線路單相接地故障絕大多數(shù)是瞬時(shí)性的，重合閘即可恢復(fù)供電，大大提高供電可靠性。

另外，除了故障導(dǎo)致的斷路器跳閘外，還存在斷路器機(jī)構(gòu)自動(dòng)脫扣、工作人員誤碰操作機(jī)構(gòu)、保護(hù)誤動(dòng)作等原因?qū)е碌恼`跳閘，也需要通過自動(dòng)重合閘予以糾正。

1.2與饋線自動(dòng)化功能配合

配電自動(dòng)化是提高供電可靠性與供電質(zhì)量的重要技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的監(jiān)視控制與信息集成。國家電網(wǎng)公司自2009年開始啟動(dòng)新一輪配電自動(dòng)化建設(shè)，改變了配電網(wǎng)“盲調(diào)”的狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益顯著。目前，山東配網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化全覆蓋。饋線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)故障的快速定位、隔離與非故障區(qū)域恢復(fù)供電，是配電自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能。

“電壓—時(shí)間”型饋線自動(dòng)化通過電壓型分段開關(guān)“來電即合、無壓釋放”的工作特性來實(shí)現(xiàn)。該方式需要出線斷路器進(jìn)行兩次重合閘，故障發(fā)生后，第一次重合閘隔離故障，第二次重合閘恢復(fù)非故障區(qū)域供電［5］。這種饋線自動(dòng)化模式具有維護(hù)簡單、不依賴于通信等優(yōu)勢(shì)，獲得了廣泛應(yīng)用。為了保證斷路器保護(hù)動(dòng)作跳閘后電壓型開關(guān)可靠分閘，斷路器重合閘延時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加，可設(shè)置為2 s（目前重合閘延時(shí)一般設(shè)置為1 s）。另外，由于多數(shù)斷路器只支持設(shè)置一次重合閘，應(yīng)合理設(shè)置首個(gè)分段開關(guān)來電合閘延時(shí)，躲過斷路器重合閘充電時(shí)間，以避免首個(gè)分段開關(guān)重合于故障導(dǎo)致斷路器跳閘后無法再次重合。

集中型饋線自動(dòng)化由主站收集各終端上報(bào)的故障電流信息，經(jīng)分析后確定故障區(qū)段，然后遙控故障點(diǎn)兩側(cè)分段開關(guān)分閘隔離故障。該方式依賴于主站與通信，適用于具備通信條件并對(duì)供電可靠性要求較高的區(qū)域。由于終端數(shù)據(jù)上傳、主站分析與遙控開關(guān)分閘都需要一定時(shí)間，饋線自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的非故障區(qū)域恢復(fù)供電的時(shí)間一般為分鐘級(jí)。因此有必要設(shè)置一次自動(dòng)重合閘，對(duì)于瞬時(shí)性故障則可以直接恢復(fù)供電，大大減少停電時(shí)間；如果故障是永久性的，重合閘失敗后再啟動(dòng)饋線自動(dòng)化流程，隔離故障并恢復(fù)供電。

用戶分界開關(guān)主要安裝于10 kV配電線路用戶進(jìn)戶線的責(zé)任分界點(diǎn)處或分支線T接處，可實(shí)現(xiàn)分界點(diǎn)后用戶側(cè)故障的快速隔離，避免用戶側(cè)故障造成整條線路停電，目前已獲得廣泛應(yīng)用。用戶分界開關(guān)分?jǐn)嗦菲餍秃拓?fù)荷開關(guān)型，斷路器型分界開關(guān)可直接切除用戶界內(nèi)故障，負(fù)荷開關(guān)型則需要與自動(dòng)重合閘功能配合使用［6］。當(dāng)用戶界內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，首先出線斷路器保護(hù)動(dòng)作跳閘，用戶分界開關(guān)檢測(cè)到過流并失壓后自動(dòng)分閘隔離故障，然后出線斷路器重合即可恢復(fù)線路供電。

2　重合閘的可行性

早期提出的含電纜線路不宜使用重合閘的依據(jù)，主要是考慮重合于永久故障時(shí)，故障電流可能造成電纜損壞以及對(duì)主變壓器造成沖擊。但目前情況已有很大不同。

2.1對(duì)電纜本身的影響分析

現(xiàn)代電纜與早期電纜在結(jié)構(gòu)、材料、技術(shù)水平等方面都有顯著的提升。早期電纜多采用絕緣油、油紙作為絕緣材料，抗短路電流的能力較差，容易造成絕緣損壞，現(xiàn)已基本退出運(yùn)行。而目前主流的交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜，在絕緣水平、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱能力、抗老化能力等方面都比早期電纜有了顯著提高，有些還具備阻水、阻燃、耐火等特性。

以常用的3×240 mm2交聯(lián)聚乙烯電纜為例，在短路持續(xù)時(shí)間為1.0 s、0.7 s、0.5 s時(shí)，可承受的短路熱穩(wěn)定電流相應(yīng)為31.9 kA、38.2 kA、45.1 kA。按變電站10 kV側(cè)母線最大短路容量300 MVA計(jì)算，短路電流不大于16.84 kA［7］。重合閘與后加速保護(hù)配合時(shí)，開關(guān)重合于故障時(shí)保護(hù)加速跳閘，合閘時(shí)間不會(huì)大于0.5 s。即出線開關(guān)重合于永久性故障時(shí)，會(huì)在0.5 s內(nèi)再次跳閘，在此時(shí)間內(nèi)最大承受16.84 kA的短路電流，遠(yuǎn)小于上述許可的電纜熱穩(wěn)定電流。因此，重合閘的使用對(duì)電纜本身的安全不會(huì)造成影響。

2.2對(duì)主變壓器的影響分析

出線開關(guān)重合于永久性故障時(shí)，短路電流會(huì)對(duì)主變壓器形成再次沖擊，但會(huì)不會(huì)導(dǎo)致變壓器損壞，則應(yīng)根據(jù)不同情況具體分析。在變壓器的設(shè)計(jì)與制造中，抗短路電流沖擊能力是必備基本條件，而且變壓器選型也留有安全裕量，故障電流一般不會(huì)對(duì)主變?cè)斐蓳p傷。而且變壓器具備完善的保護(hù)功能，在故障電流對(duì)主變產(chǎn)生損害前，變壓器保護(hù)應(yīng)提前動(dòng)作切除故障。另外，為確保主變安全，還可以應(yīng)用自適應(yīng)重合閘閉鎖技術(shù)，根據(jù)變壓器的耐受能力，設(shè)定短路電流允許值，當(dāng)故障電流大于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)閉鎖重合閘［8］。隨著變壓器制造工藝與自適應(yīng)重合閘技術(shù)的進(jìn)步，使用重合閘仍可保證主變壓器的安全運(yùn)行。

2.3現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

已有部分供電企業(yè)對(duì)于具備重合閘條件的電纜與架空線混合線路采取投入重合閘的措施，有效地避免了因瞬時(shí)性故障導(dǎo)致的長時(shí)間停電，保障了電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。運(yùn)行過程中，并未出現(xiàn)因重合閘導(dǎo)致的電纜本體及主變壓器等設(shè)備損壞的情況。

某市10 kV饋線電纜化率較高，多數(shù)線路為電纜與架空混合，均配置一次自動(dòng)重合閘。根據(jù)2013年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該市全年共發(fā)生重合閘3 418次，成功2 751次，重合閘成功率為80.5%。一般的，隨著線路電纜率增加，重合成功率降低，但純電纜線路仍有約20%的概率重合成功，說明即使純電纜線路故障也不全是永久性的，約有20%的故障為瞬時(shí)性故障。

3　　影響重合閘投入的因素

雖然中壓配電網(wǎng)電纜與架空混合線路可以投入重合閘，但由于配電線路種類多變、環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場還存在一些不宜進(jìn)行重合的因素［9］。

充油電纜、油紙絕緣等電纜耐沖擊能力差、易燃易損壞，不宜投入重合閘。交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜具有良好的耐熱與絕緣特性，建議投入重合閘；但沒有阻水功能的交聯(lián)聚乙烯電纜用于潮濕環(huán)境中時(shí)，不宜投入重合閘。

電纜敷設(shè)方式一般有直埋敷設(shè)、穿管敷設(shè)、淺槽敷設(shè)、溝道敷設(shè)和隧道敷設(shè)等方式［10］。電纜接頭部位是電纜絕緣最薄弱的環(huán)節(jié)，重合閘產(chǎn)生的過電壓可能導(dǎo)致接頭擊穿爆炸。對(duì)于直埋敷設(shè)以及水下敷設(shè)來說，接頭爆炸往往不會(huì)造成電纜起火事故，重合閘可投入。但對(duì)于溝道、隧道敷設(shè)方式，由于隧道內(nèi)往往敷設(shè)多條線路，而且空間狹窄通風(fēng)不暢，電纜一旦起火后高溫濃煙不易擴(kuò)散，滅火撲救困難，容易造成大面積電纜著火受損，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。因此，應(yīng)綜合考慮防火防爆措施、火災(zāi)撲救難度、對(duì)其他線路影響等因素，對(duì)電纜敷設(shè)方式進(jìn)行評(píng)估，確定是否可以投入重合閘。

隨著運(yùn)行年限的增加，電纜老化加劇，絕緣性能逐漸下降。一般來說，運(yùn)行超過20年后，電纜本體、介質(zhì)及附件材料老化嚴(yán)重，電纜運(yùn)行故障率大幅上升且耐短路沖擊能力較差。因此，投入運(yùn)行超過20年的電纜，應(yīng)退出重合閘。另外，如果主變壓器、斷路器等重要設(shè)備存在絕緣降低等異常情況，為確保安全，應(yīng)退出相關(guān)線路的重合閘功能。

4　　結(jié)語

配電網(wǎng)電纜與架空混合線路使用重合閘功能，可減少因瞬時(shí)性故障導(dǎo)致的長時(shí)間停電，有效提高供電可靠性。對(duì)于已完成饋線自動(dòng)化改造的線路，也需要投入重合閘，配合實(shí)現(xiàn)饋線自動(dòng)化功能。同時(shí)，由于現(xiàn)場情況復(fù)雜多變，為保證安全，也有一些混合線路不宜投入重合閘。因此，應(yīng)改變以前僅靠經(jīng)驗(yàn)盲目判斷的粗放模式，綜合考慮電纜類型、長度占比、敷設(shè)方式、運(yùn)行年限、設(shè)備水平等因素。在排除不宜重合因素的前提下，應(yīng)以減少停電時(shí)間、提高供電可靠性為目標(biāo)，投入重合閘。

［1］ 李兆偉，賀靜波，方勇杰，等．計(jì)及暫態(tài)穩(wěn)定約束的電廠送出系統(tǒng)重合閘時(shí)間整定方法研究［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42 （2）：116-120．

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Reclosing of Cable-overhead Hybrid Lines in Distribution Network

ZHANG Linli1，LI Jianxiu1，LIU Hejin1，WANG Mingtao2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

With the increasing of the cable rate，more and more hybrid lines containing cable and overhead lines exist in distribution network.There is a lack of uniform technical guide whether hybrid lines should put into automatic reclosing function.The necessity of reclosing is illustrated with the target of improving reliability of power supply and realizing the function of feeder automation.The feasibility of reclosing is discussed with considering the equipment performance and practical operation experience.Factors affecting the reclosing are analyzed and suggestions of hybrid lines put into reclosing function or not are put forward.The conclusion can provide decision-making basis for the operation department.

distribution network；cable-overhead hybrid lines；reclosing；reliability of power supply

TM773

A

1007-9904（2016）06-0077-03

2016-02-19

張林利（1979），男，博士，工程師，主要從事配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)分析、配電自動(dòng)化相關(guān)工作。