淺談快速斷路器對提高配網(wǎng)可靠性的作用

楊鴻飛+毛敏+向松+呂宙

摘要：介紹了永磁操作機構(gòu)型中壓快速斷路器的概念、基本原理、特性和基本組成，結(jié)合湖北省城市配網(wǎng)的應(yīng)用情況闡述了其對提高配網(wǎng)可靠性的作用。

關(guān)鍵詞：快速斷路器 永磁操作機構(gòu) 配網(wǎng)可靠性

隨著電力市場的逐步完善，用戶服務(wù)意識的逐步提高，用戶對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高。如何提高城市配網(wǎng)自動化技術(shù)與可靠性已是城市電網(wǎng)改造亟待解決而且必須解決好的課題。從目前情況來看，湖北省城市配網(wǎng)現(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和線路的供電能力對于大部分地區(qū)還不能滿足N-1的要求，線路支線或一點故障引起全路停電、用戶內(nèi)部故障越級跳到變電站等等都嚴(yán)重影響配網(wǎng)可靠性的提高。目前，選擇一種符合湖北省城市配網(wǎng)的實際情況，高可靠性又有較好經(jīng)濟性的配電方式是擺在我們面前的一項迫切任務(wù)。

1、 配網(wǎng)的現(xiàn)狀和存在的問題

配電系統(tǒng)與主網(wǎng)系統(tǒng)相比而言，大多網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，運行條件復(fù)雜；直接面對客戶，受環(huán)境的影響大，容易受到外界破壞。配網(wǎng)雖進(jìn)行了大規(guī)模電網(wǎng)改造，但由于110kV、35kV變電所布點等原因，不少10kV配電線路存在著線路長、供電面廣、T接多的特點；特別是農(nóng)網(wǎng)線路，線路接線基本上是單電源樹狀結(jié)構(gòu)，而且線路開關(guān)數(shù)量少，線路保護設(shè)備簡陋，一般只設(shè)RW型跌落式熔斷器，或沒有設(shè)置，往往線路一處故障或者某一支線故障就會引起整條線路停電。同時低壓配電系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也較低，線路布局不合理，也會影響到供電可靠性。

2、 快速斷路器的概念

傳統(tǒng)的斷路器其固有的動作時間（從收到分合閘命令到滅弧室觸頭完全分開）一般在40ms左右，加上保護動作的時間一般要80-100ms，對于電網(wǎng)以及保護配合來說都是不利的。而配電變壓器一般都采用高壓交流熔斷器來進(jìn)行保護，其維護量大，停電時間長，不可重復(fù)使用，易造成缺相運行。隨著斷路器操動機構(gòu)和計算機技術(shù)的發(fā)展，一種由永磁機構(gòu)操作，計算機進(jìn)行控制的新型快速戶外真空斷路器在配網(wǎng)中得到逐步運用。這種斷路器由斷路器本體和控制兩部分組成，它可以在30ms內(nèi)將故障電流快速切除。

3、 快速斷路器的基本原理

快速斷路器控制系統(tǒng)電路組成包括模擬量輸入電路、開關(guān)量輸入電路、數(shù)據(jù)采集與處理單元、開關(guān)量輸出電路、本地人機接口、遠(yuǎn)程通訊接口、電源管理系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)采集與處理單元采用DSP高速數(shù)字信號處理技術(shù)或高速微控制器技術(shù)構(gòu)成快速數(shù)據(jù)采集與處理單元，開關(guān)量輸出電路中的分合閘驅(qū)動電路采用電子式分合閘驅(qū)動電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械式觸點繼電器，并構(gòu)成開關(guān)量快速輸出電路。

斷路器控制系統(tǒng)中有兩項關(guān)鍵技術(shù)，其一是快速數(shù)據(jù)采集與處理中心應(yīng)用高速數(shù)字信號處理技術(shù)，連續(xù)采集交流輸入信號（每個周波都按同樣采樣點數(shù)采樣），并運用半波對稱原理與遞推運算，在每個采樣點都計算提取出前半個周波（10ms）時間內(nèi)所需要的各種電氣特征量，根據(jù)保護的投退、動作的整定值等來確定是否送出保護動作出口信號。如果每個周波采樣點為64點，則快速數(shù)據(jù)采集與處理中心發(fā)出保護動作出口信號的延時不超過10.3ms。其二是開關(guān)量快速輸出電路用電子式分合閘驅(qū)動電路來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械式觸點繼電器，使其分合閘延時時間小于0.1ms，從而縮短保護控制延時時間，即快速保護控制系統(tǒng)從模擬量輸入電路出現(xiàn)故障電流到給出分閘驅(qū)動信號，最慢時只有10.4ms的延時（當(dāng)采樣點為64點時）。因此減少了電網(wǎng)故障電流的保持時間，能夠迅速隔離故障，從而實現(xiàn)快速保護控制。

4、 快速斷路器的基本組成

AB-3S-12/x系列快速保護斷路器由斷路器本體、控制箱及專用電纜線組成。

a） 斷路器本體

快速斷路器本體主要工作部件：真空滅弧室、永磁操動機構(gòu)、外絕緣澆鑄體、電流互感器、電容式電壓互感器及手動分閘機構(gòu)、分/合位置指示器、輔助開關(guān)等。

快速斷路器采用了新型永磁操動機構(gòu)，其工作參數(shù)的設(shè)計與配合，使得開關(guān)本體分合閘動作速度得到大幅度提高。目前其分合閘時間可做到10ms左右，已滿足配網(wǎng)線路的快速分?jǐn)嘁蟆?/p>

快速斷路器本體單元內(nèi)置了三相高精度電流傳感器、三相電容式電壓互感器（CVT），無須外置電流互感器、電壓互感器，即可實現(xiàn)三相電流的采集、三相電壓的采集。

b） 斷路器控制箱

快速斷路器控制箱由快速保護控制器、分合閘驅(qū)動模塊、電源管理系統(tǒng)、儲能電容及GPRS調(diào)制解調(diào)器等工作部件組成。

該控制系統(tǒng)通過縮短測量與保護動作的時間，使保護控制系統(tǒng)從模擬量輸入電路出現(xiàn)故障電流到給斷路器發(fā)出分閘驅(qū)動信號的延時時間減少，從而縮短了故障電流對電網(wǎng)的沖擊時間，達(dá)到快速保護的目的。

5、 快速斷路器的應(yīng)用

從2016年湖北省城網(wǎng)10kV配電線路故障和障礙統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，影響10kV配電網(wǎng)安全可靠性運行的主要因素是用戶內(nèi)部故障（達(dá)37%）引起變電站間隔或主干線路跳閘，其次外力破壞占的比例也較大（達(dá)18%），除此之外，還有設(shè)備外絕緣積污后引起的閃絡(luò)及各類過電壓。使用快速斷路器將故障快速隔離，可以較為有效地避免這些事故和障礙對主干配電網(wǎng)的影響，極大地提高供電可靠性。

a） 在樹枝狀線路主線上作為分段開關(guān)使用

把配電主干線路分成若干段和在分支線上安裝分支開關(guān)是提高配網(wǎng)可靠性，縮小停電范圍，保障客戶連續(xù)供電的有效手段，但傳統(tǒng)的分段開關(guān)（斷路器或負(fù)荷開關(guān)）或配網(wǎng)自動化系統(tǒng)，由于開關(guān)動作時間的關(guān)系都只能先由變電站開關(guān)動作，然后再由故障點的開關(guān)判斷（人工或自動）將其故障切除，這樣既擴大了停電的范圍又很難保證動作的準(zhǔn)確性，同時上下級開關(guān)動作的匹配和邏輯關(guān)系也較為復(fù)雜。對于樹枝狀供電線路，可以利用快速保護斷路器的動作時間只需要20ms左右的特性，采用時間和動作電流互相配合的方法，適當(dāng)配合好時間和動作定值，對開關(guān)安裝點以下的故障適時快速切斷，保證非故障部分的連續(xù)運行。對于環(huán)狀供電線路，因線路潮流隨網(wǎng)絡(luò)運行方式而變化，快速保護斷路器之間無法整定匹配，因此其使用受到限制。

b） 作為用戶的進(jìn)線開關(guān)（看門狗）和分支線路的分支開關(guān)使用

對于樹枝狀分支線路和用戶分支線采用加裝快速保護斷路器，及時切除分支線路故障和用戶故障，可以顯著降低分支線路故障和用戶故障對主干線路的影響，有效提高線路供電可靠性。

c） 工程應(yīng)用情況

湖北省城市配網(wǎng)僅2016年共安裝790臺，其中絕大部分在武漢市用戶分支線路上。從近兩年的運行情況來看，共動作144次，動作率18.2%。以往用戶故障頻發(fā)影響主干線路可靠供電，加裝快速保護斷路器后，主干線路供電可靠性立即提高，并且根據(jù)運行情況，在開關(guān)上加裝遙控操作裝置后，可有效避免了與用戶的供電糾紛。還可加裝GPRS模塊，對開關(guān)的狀態(tài)量進(jìn)行無線傳輸，隨時掌握開關(guān)的動作情況。

6、 結(jié)語

綜上所述，快速保護斷路器具有以下特點和應(yīng)用前景：

a） 具備快速保護功能。采用永磁機構(gòu)操作，計算機控制技術(shù)，可以先于變電站開關(guān)動作，在30ms內(nèi)將故障電流快速切除。

b） 開關(guān)動作可靠。開關(guān)采用永磁操作機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)本體可以實現(xiàn)免維護。

c） 擴充功能完善，可以加裝遙控裝置、遠(yuǎn)傳裝置等，逐步完善過渡到智能開關(guān)。

d） 可以在樹枝狀線路主線上作為分段開關(guān)使用，也可以作分支線路的分支開關(guān)和用戶的進(jìn)線開關(guān)（看門狗），隔離下級線路或分支線路故障，有效提高主干線路供電可靠性。

e） 目前還不適合在環(huán)網(wǎng)供電線路上使用，因線路供電潮流和保護整定的問題，在環(huán)網(wǎng)供電線路上的使用受到限制。

作者簡介：楊鴻飛 （1976年），男，湖北武漢人，漢族，現(xiàn)職稱：中級電力工程工程師，學(xué)歷：本科，研究方向： 電力系統(tǒng)及自動化.endprint