基于永磁開關(guān)的配電網(wǎng)多級(jí)保護(hù)配置策略研究

劉合金，邵志敏，李建修，樊 迪，李樹琥

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

基于永磁開關(guān)的配電網(wǎng)多級(jí)保護(hù)配置策略研究

劉合金1，邵志敏1，李建修1，樊 迪1，李樹琥2

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

為減少配網(wǎng)用戶分支線故障導(dǎo)致整條線路停電的情況，針對(duì)配電線路上普通斷路器分閘時(shí)間長(zhǎng)與上級(jí)斷路器難以進(jìn)行保護(hù)配合的問題，提出基于永磁開關(guān)的配電網(wǎng)多級(jí)保護(hù)配置策略。分析永磁開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)，闡述永磁開關(guān)在配電網(wǎng)中的適應(yīng)性，并重點(diǎn)對(duì)多級(jí)保護(hù)配置中的兩級(jí)級(jí)差和三級(jí)級(jí)差保護(hù)配置策略進(jìn)行了論述?；谟来砰_關(guān)的配電網(wǎng)多級(jí)保護(hù)配置策略的應(yīng)用，能夠有效地減少瞬時(shí)故障造成的短暫停電次數(shù)，提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

配電網(wǎng)；永磁開關(guān)；多級(jí)保護(hù)配置；供電可靠性

0 引言

配電網(wǎng)是保證用戶供電可靠性的末端環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)中瞬時(shí)故障占大多數(shù)，是影響電能質(zhì)量和供電可靠性的主要因素。目前，在我國配電網(wǎng)中，尤其是山東配電網(wǎng)，典型采用用戶分界負(fù)荷開關(guān)或斷路器來隔離用戶故障，這些開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)與線路出線斷路器類似，同樣采用彈操機(jī)構(gòu)。當(dāng)用戶側(cè)發(fā)生故障時(shí)，即使采用了分界斷路器，也會(huì)因開關(guān)瞬時(shí)速斷動(dòng)作時(shí)間通常慢于變電站出線斷路器動(dòng)作時(shí)間，而無法形成級(jí)差配合，因此用戶分支線故障經(jīng)常導(dǎo)致整條線路停電。

近年來，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)永磁斷路器（以下簡(jiǎn)稱永磁開關(guān)）開始在國內(nèi)少量試點(diǎn)應(yīng)用。永磁開關(guān)動(dòng)作速度快，尤其是用戶側(cè)安裝以后，用戶故障確保不出門，既減少了線路停電，又減少了其他用戶停電，同時(shí)保護(hù)了線路其他運(yùn)行設(shè)備。但是，永磁開關(guān)技術(shù)作為一種新型開關(guān)技術(shù)，在山東配電網(wǎng)的應(yīng)用目前仍處于空白狀態(tài)。

基于永磁開關(guān)的配電網(wǎng)多級(jí)保護(hù)配合是解決上述問題的關(guān)鍵。本文分析了永磁開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)，闡述了永磁開關(guān)在配電網(wǎng)中應(yīng)用的可行性及配置策略等關(guān)鍵技術(shù)問題，為永磁開關(guān)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用提供參考。

1 永磁開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)

1.1 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)

永磁開關(guān)中永久磁鐵、分合閘控制線圈、鐵芯等部件共同組成了永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，永磁磁鐵用于實(shí)現(xiàn)斷路器分合閘位置的保持。合閘操作時(shí)，合閘線圈通電，產(chǎn)生的磁拉力使動(dòng)鐵芯向下運(yùn)動(dòng)，然后永久磁鐵將動(dòng)鐵芯保持在合閘位置；分閘操作時(shí)，分閘線圈通電，動(dòng)鐵心向反方向運(yùn)動(dòng)，永久磁鐵將它保持在分閘位置。

永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1（a）可看出，當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，永久磁鐵2形成的磁力線幾乎全部穿過動(dòng)鐵芯1的上部，將動(dòng)鐵芯保持在上部，使斷路器保持為分閘狀態(tài)。當(dāng)斷路器合閘時(shí)，合閘線圈3先通電，其產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力線主要集中在動(dòng)鐵芯1的下部，并在上部抵消了永久磁鐵2的磁力線。隨著激磁電流的上升，動(dòng)鐵芯1下部的吸力逐漸增加，上部的吸力逐漸減弱，當(dāng)下部吸力大于上部時(shí)，動(dòng)鐵芯1開始向下運(yùn)動(dòng)。圖1（b）為動(dòng)鐵芯1移動(dòng)之前磁力線的瞬時(shí)分布圖。當(dāng)動(dòng)鐵芯1到達(dá)終點(diǎn)位置時(shí)，位置傳感器輸出信號(hào)，切斷線圈電流，此時(shí)永久磁鐵2的磁場(chǎng)主要作用于動(dòng)鐵芯1的下部，其磁力線分布與圖1（a）中的磁力線分布上下對(duì)稱。

圖1 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 永磁開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)

通過兩個(gè)線圈分別對(duì)斷路器的分合閘操作進(jìn)行控制，提高了機(jī)構(gòu)的可靠性。采用全新的磁路設(shè)計(jì)，增大了斷路器分合閘的保持力，減小了分合閘對(duì)線圈電流的要求，降低了能耗。操動(dòng)機(jī)構(gòu)的下部基座有聯(lián)動(dòng)軸，可保證斷路器分合閘操作的三相同期性。操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命長(zhǎng)，可達(dá)到10萬次，相比常規(guī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器，機(jī)械壽命至少提高3倍以上。操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過動(dòng)鐵芯與主軸傳動(dòng)拐臂相連，直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)觸頭，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，減少了故障源。

2 永磁開關(guān)在配電網(wǎng)中應(yīng)用的可行性

2.1 永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可行性

目前，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)中永磁體主要成分是釹鐵硼稀土材料。一方面，釹鐵硼永磁體的特點(diǎn)是受到120℃以上高溫、強(qiáng)烈機(jī)械沖擊或反向磁場(chǎng)作用時(shí)可能會(huì)部分或全部退磁。一般情況下，永磁開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)120℃以上的高溫；而且試驗(yàn)證明，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的機(jī)械沖擊對(duì)釹鐵硼永磁體來說是可以承受的。另一方面，由于自然劣化的因素，永磁體的磁性能會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸減弱，但實(shí)踐證明，在永磁開關(guān)20年的壽命期間，釹鐵硼自然劣化不會(huì)超過1%，因此，自然劣化一般不會(huì)影響永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的正常動(dòng)作。

綜上所述，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)中永磁體的問題不會(huì)影響其在永磁開關(guān)中的應(yīng)用。

2.2 永磁開關(guān)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

根據(jù)山東配電自動(dòng)化系統(tǒng)中故障處理記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，配電網(wǎng)中超過80%的故障發(fā)生在分支線或用戶側(cè)的架空部分?，F(xiàn)有配電自動(dòng)化系統(tǒng)能夠迅速切除故障，恢復(fù)健全部分供電而不造成短暫停電，但是由于目前配電網(wǎng)中饋線斷路器大多數(shù)為彈簧儲(chǔ)能或電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)械動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，一般為30～40ms，其熄弧時(shí)間為10ms左右，加上開關(guān)固有的保護(hù)響應(yīng)時(shí)間為30ms左右，而變電站10 kV出線開關(guān)的保護(hù)動(dòng)作延時(shí)一般為200～300ms，且由于城市配電網(wǎng)級(jí)聯(lián)開關(guān)數(shù)較多、供電半徑較短等特點(diǎn)，配電網(wǎng)繼電保護(hù)配合很困難，假如能夠縮短開關(guān)機(jī)械動(dòng)作時(shí)間，能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)繼電保護(hù)配合提供很大的幫助。

永磁開關(guān)中，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)和無觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠使其動(dòng)作時(shí)間顯著縮短。永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作分閘時(shí)間可達(dá)到10ms左右；無觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電路分合閘延時(shí)時(shí)間可小于1ms；快速保護(hù)算法的故障判斷時(shí)間在10ms左右。采用上述技術(shù)的斷路器可以在30ms內(nèi)將故障電流切除，而變電站內(nèi)10 kV母線進(jìn)線開關(guān)的過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間最小設(shè)置為0.5 s，因此，配電網(wǎng)中采用永磁開關(guān)至少可以實(shí)現(xiàn)三級(jí)級(jí)差保護(hù)配合而不影響上級(jí)保護(hù)配合。

由此可見，永磁開關(guān)對(duì)于配電網(wǎng)繼電保護(hù)配合的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，繼電保護(hù)配合能夠有效地減少瞬時(shí)故障造成的短暫停電次數(shù)，提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

3 配電網(wǎng)多級(jí)保護(hù)配置策略

3.1 兩級(jí)級(jí)差保護(hù)配置

配電網(wǎng)兩級(jí)級(jí)差保護(hù)配合指的是變電站出線開關(guān)與用戶分界開關(guān)或分支線路開關(guān)的配合，主干饋線開關(guān)仍可全部采用負(fù)荷開關(guān)，用戶或分支線路開關(guān)采用永磁開關(guān)，變電站10 kV出線開關(guān)采用普通斷路器。兩級(jí)級(jí)差保護(hù)配置如圖2所示。

兩級(jí)級(jí)差保護(hù)配置的原則是：用戶分界開關(guān)或分支線路開關(guān)的保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為0 s；變電站10 kV出線斷路器保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為200～250ms。

圖2（a）中，用戶分界開關(guān)與開關(guān)變電站10 kV出線開關(guān)形成三級(jí)級(jí)差保護(hù)，其中用戶分界開關(guān)B1、B2是永磁開關(guān)，保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為 0 s；變電站10 kV出線開關(guān)S1保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為250～300ms。采用這種配置策略時(shí)，用戶線路故障時(shí)不會(huì)引起整條線路跳閘。

圖2（b）中，饋線分支開關(guān)與開關(guān)變電站10 kV出線開關(guān)形成三級(jí)級(jí)差保護(hù)，其中饋線分支開關(guān)A5、A6、A7是永磁開關(guān)，保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為0 s；變電站10 kV出線開關(guān)S1保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為250～300ms。采用這種配置策略時(shí)，分支線路故障時(shí)不會(huì)引起整條線路跳閘。

采用兩級(jí)級(jí)差保護(hù)配置策略具有以下優(yōu)點(diǎn)：用戶或分支線路發(fā)生故障后，相應(yīng)用戶或分支線路斷路器先跳閘，而變電站10 kV出線開關(guān)不跳閘，不會(huì)造成全線停電；不會(huì)發(fā)生多級(jí)開關(guān)跳閘或越級(jí)跳閘的現(xiàn)象，故障處理過程簡(jiǎn)單，瞬時(shí)故障恢復(fù)時(shí)間短；主干線全部采用負(fù)荷開關(guān)，只需將用戶或分支線路開關(guān)更換為永磁開關(guān)，大大降低了工程造價(jià)。

結(jié)合山東電網(wǎng)實(shí)際，永磁開關(guān)的應(yīng)用初期可先采用兩級(jí)級(jí)差保護(hù)配置策略，根據(jù)應(yīng)用效果進(jìn)一步優(yōu)化保護(hù)配置策略。

3.2 三級(jí)級(jí)差保護(hù)配置

基于永磁開關(guān)的三級(jí)級(jí)差保護(hù)相對(duì)兩級(jí)級(jí)差保護(hù)對(duì)線路故障的保護(hù)范圍更廣，能夠進(jìn)一步減少整條線路的故障跳閘次數(shù)，三級(jí)級(jí)差保護(hù)典型配置一般有以下幾種。

用戶分界開關(guān)、饋線分支開關(guān)與開關(guān)變電站10 kV出線開關(guān)形成三級(jí)級(jí)差保護(hù)，如圖3（a）所示。其中用戶分界開關(guān)B1～B4是永磁開關(guān)，保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為0 s；饋線分支開關(guān) A4、A5是永磁開關(guān)，保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為100～150ms；變電站10 kV出線開關(guān)S1保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為250～300ms。采用這種配置策略時(shí)，用戶和分支線路故障均不會(huì)引起整條線路跳閘。

饋線分支開關(guān)、饋線分段開關(guān)與變電站10 kV出線開關(guān)形成三級(jí)級(jí)差保護(hù)，如圖 3（b）所示。其中饋線分支開關(guān) A5～A7為永磁開關(guān)，保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為0 s；饋線分段開關(guān)A2為永磁開關(guān)，保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為100～150ms；變電站10 kV出線開關(guān)保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為250～300ms。采用這種配置策略時(shí)，分支線路和主干線分段開關(guān)后面的線路故障均不會(huì)引起整條線路跳閘。

環(huán)網(wǎng)柜出線開關(guān)、中間某一環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)線開關(guān)與變電站10 kV出線開關(guān)形成三級(jí)級(jí)差保護(hù)，如圖 3（c）所示。其中環(huán)網(wǎng)柜出線開關(guān) B1～B12保護(hù)動(dòng)作延時(shí)時(shí)間設(shè)定為0 s；中間環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)線開關(guān)A4為永磁開關(guān)，保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為 100～150ms；變電站10 kV出線開關(guān)保護(hù)動(dòng)作延時(shí)設(shè)定為250～300ms。采用這種配置策略時(shí)，環(huán)網(wǎng)柜出線開關(guān)和采用永磁開關(guān)的環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)線開關(guān)后面的線路故障均不會(huì)引起整條線路跳閘。

圖3三級(jí)級(jí)差保護(hù)典型配置

4 結(jié)語

對(duì)永磁開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)及在配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，提出了基于永磁開關(guān)的多級(jí)保護(hù)配置策略，在不改變變電站出線開關(guān)配置的前提下，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)線路或用戶分支線短路故障的就地隔離，提高配電網(wǎng)供電可靠性。下一步，將結(jié)合實(shí)際工作，加強(qiáng)永磁開關(guān)在山東配電網(wǎng)中的試點(diǎn)應(yīng)用，進(jìn)一步減少配電網(wǎng)中瞬時(shí)故障導(dǎo)致的短暫停電次數(shù)，提高配電網(wǎng)供電可靠性。

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Research on M ultistage Protection Configuration Strategy of Electrical Distribution Network Based on Permanent M agnet Sw itch

LIU Hejin1，SHAO Zhimin1，LIJianxiu1，F(xiàn)AN Di1，LIShuhu2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

In order to reduce the occurrence of the whole line outages caused by the user branch failure of the distribution network,a multi-stage protection configuration strategy of the distribution network based on permanent magnetic switch is proposed,aiming at solving themain cause to this problem,which is the circuit breaker slow fault-free action and the difficulty of cooperation between the superior circuitbreaker and the branch circuit breaker.The operatingmechanism and advantages of permanentmagnetic switch are analyzed.The adaptability of permanentmagnet switches in the electrical distribution network is elucidated.The two-level-differential protection and the three-level-differential protection configuration strategies ofmultistage protection configuration are mainly discussed.The application of the multistage protection configuration strategy of the distribution network based on permanentmagnetic switch can effectively decrease the number of the temporary power outage caused by transient fault and improve the power supply reliability of the distribution network.

electrical distribution network；permanent magnet switch；multistage protection configuration；power supply reliability

TM561

A

1007－9904（2017）06－0022－04

2016－12－06

劉合金（1986），男，工程師，主要從事配電運(yùn)檢工作；邵志敏（1984），男，工程師，主要從事配電自動(dòng)化工作；李建修（1985），男，工程師，主要從事配電運(yùn)檢工作；樊 迪（1989），男，工程師，主要從事配電設(shè)備檢測(cè)工作；李樹琥（1986），男，主要從事配電設(shè)備調(diào)試工作。