電壓-時(shí)間型柱上分段開(kāi)關(guān)的保護(hù)整定

吳 鵬，何洪流，張銳鋒，付 宇，肖小兵，鄭友卓

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽(yáng)550002)

饋線自動(dòng)化作為配電自動(dòng)化的重要組成部分，對(duì)提高供電可靠性、降損節(jié)能、改善供電質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[1-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在饋線自動(dòng)化相關(guān)領(lǐng)域已有大量研究基礎(chǔ)。 文獻(xiàn)[5-6]對(duì)饋線自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與一次設(shè)備的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行分析，對(duì)常見(jiàn)配網(wǎng)接線方式與饋線自動(dòng)化控制模式做出介紹，探討了實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)饋線自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，論述了具有電壓-時(shí)間型分段開(kāi)關(guān)以及重合閘裝置饋線自動(dòng)化系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)，基本原理以及參數(shù)配置情況，為饋線自動(dòng)化研究打下理論技術(shù)；文獻(xiàn)[7]提出了一種新型10 kV 饋線自動(dòng)化處理方法，通過(guò)增加線路上斷路器和負(fù)荷開(kāi)關(guān)的數(shù)量對(duì)主干線進(jìn)行分段，并與智能控制裝置進(jìn)行協(xié)作，以降低出線斷路器的跳閘率，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)域的自動(dòng)切除，有效縮短了故障查找時(shí)間；文獻(xiàn)[8]提出了一種涵蓋饋線自動(dòng)化全生命周期的遞進(jìn)式測(cè)試策略，開(kāi)發(fā)出了一套完整的測(cè)試工具，工程應(yīng)用結(jié)果充分證明其在持續(xù)確保啟動(dòng)成功率以及動(dòng)作正確率上的有效性；文獻(xiàn)[9]將饋線自動(dòng)化系統(tǒng)分成3 個(gè)部分，提出一種基于自治系統(tǒng)概念的實(shí)現(xiàn)方式，通過(guò)把功能下放至子站層，各子站間相互獨(dú)立、相互協(xié)作來(lái)一起實(shí)現(xiàn)故障的監(jiān)測(cè)、隔離以及恢復(fù)功能，極大程度降低了系統(tǒng)配置的業(yè)務(wù)量，且具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)的優(yōu)越性；文獻(xiàn)[10]應(yīng)用遺傳算法提出了一種快速故障定位的饋線自動(dòng)化處理方法，基于混合型分布式終端裝置，應(yīng)用疊加搜索法查找聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的位置，以完成對(duì)故障區(qū)域的快速定位，仿真測(cè)試結(jié)果證明了該控制方法在實(shí)現(xiàn)快速故障查找、隔絕以及恢復(fù)上的有效性；文獻(xiàn)[11]提出了一種新型就地饋線自動(dòng)化方法，通過(guò)將主干線配置為根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行故障范圍確定與切除的方式，分支線配置為就地分界保護(hù)以及出口斷路器相互協(xié)作的方式，給出了相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，工程應(yīng)用情況證明了該方案的可靠性和準(zhǔn)確性。

上述研究文獻(xiàn)從原理分析以及改進(jìn)控制技術(shù)方面對(duì)饋線自動(dòng)化展開(kāi)研究，對(duì)配電網(wǎng)就地控制型饋線自動(dòng)化保護(hù)整定配合方面的相關(guān)研究較少，而已有保護(hù)整定方案不能滿足就地型饋線自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展要求。 為此，本文對(duì)出線斷路器與饋線終端的保護(hù)配合方案展開(kāi)重點(diǎn)研究，分析電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化柱上分段開(kāi)關(guān)所應(yīng)用的主要技術(shù)手段和自動(dòng)化配置方案，應(yīng)用重合閘時(shí)序圖對(duì)電壓-時(shí)間型柱上分段開(kāi)關(guān)的保護(hù)整定方案及計(jì)算方法進(jìn)行分析。

1 電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化分段開(kāi)關(guān)

電壓-時(shí)間型柱上自動(dòng)化負(fù)荷開(kāi)關(guān)，又叫做電壓型柱上開(kāi)關(guān)，為具有自動(dòng)分閘、自動(dòng)合閘及條件閉鎖特性的自動(dòng)化成套設(shè)備，其能夠在不依賴主站控制和遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)隔離功能，主要組成部件有負(fù)荷開(kāi)關(guān)本體、電壓互感器以及饋線自動(dòng)化終端，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示[12]。

圖1 電壓柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

電壓型柱上開(kāi)關(guān)通過(guò)其饋線終端預(yù)先設(shè)定好的電壓-時(shí)間邏輯對(duì)線路運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)動(dòng)作邏輯進(jìn)行整定，當(dāng)線路兩側(cè)均斷電時(shí)，則啟動(dòng)自動(dòng)分閘功能；當(dāng)線路一側(cè)來(lái)電時(shí)，則啟動(dòng)延時(shí)合閘功能。 電壓型柱上開(kāi)關(guān)與上一級(jí)線路的斷路器保護(hù)以及重合閘相互協(xié)作完成故障區(qū)段的快速隔離以及非故障區(qū)域的正常供電[13]。 通常，將電壓型柱上開(kāi)關(guān)分成分段用柱上開(kāi)關(guān)以及聯(lián)絡(luò)用柱上開(kāi)關(guān)兩種，即常閉型柱上開(kāi)關(guān)和常開(kāi)型柱上開(kāi)關(guān)。

本文對(duì)分段用柱上開(kāi)關(guān)的保護(hù)整定方法進(jìn)行研究，其主要技術(shù)參數(shù)包括[14]:

(1)來(lái)電合閘時(shí)間，又稱為X 時(shí)限，是指分段開(kāi)關(guān)在分閘狀態(tài)下，單側(cè)檢測(cè)到來(lái)電后合閘的延時(shí)時(shí)間。 若來(lái)電后，在X 時(shí)限內(nèi)失壓，則保持分閘且反向閉鎖合閘。

(2)合閘確認(rèn)時(shí)間，又稱為Y 時(shí)限，是指開(kāi)關(guān)上電合閘后，在該時(shí)限內(nèi)失壓，則啟動(dòng)自動(dòng)分閘功能并將該開(kāi)關(guān)正向閉鎖合閘。

(3)分閘延時(shí)時(shí)間，又稱為Z 時(shí)限，是指線路失電后到啟動(dòng)開(kāi)關(guān)分閘功能的延時(shí)時(shí)間。

以圖2 所示的配電線路為例，對(duì)故障隔離過(guò)程進(jìn)行解析。 CB1 為具有二次重合閘功能的出線斷路器，F(xiàn)Sl、FS2、FS3、FS4 均為電壓型柱上分段開(kāi)關(guān)，LS為電壓型柱上聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，A、B、C、D、E 為斷路器與分段開(kāi)關(guān)、分段開(kāi)關(guān)和分段開(kāi)關(guān)以及分段開(kāi)關(guān)與聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)之間的連接線路。 當(dāng)線路處于正常運(yùn)行工況時(shí)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)LS 處于分閘位置，變電站出線斷路器CB1 以及各分段開(kāi)關(guān)FSl、FS2、FS3 均處于合閘位置，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)左側(cè)電路由CB1 供電，各段線路供電正常。 假設(shè)在FS2、FS3 之間的C 段線路發(fā)生永久性故障，則故障的隔離過(guò)程如下:

(1)當(dāng)C 段線路發(fā)生接地短路故障時(shí)，斷路器CB1 首先發(fā)生跳閘，緊接著分段開(kāi)關(guān)FSl、FS2、FS3因線路斷電而啟動(dòng)自動(dòng)分閘，此時(shí)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)LS 進(jìn)行失壓計(jì)時(shí)；

(2)當(dāng)CB1 啟動(dòng)第一次重合閘后，CB1 至FS1段線路恢復(fù)供電，分段開(kāi)關(guān)FSl 開(kāi)始合閘延時(shí)；

圖2 故障隔離過(guò)程解析

(3)當(dāng)分段開(kāi)關(guān)FS1 合閘延時(shí)時(shí)限達(dá)到，則FS1開(kāi)關(guān)閉合，F(xiàn)S1 至FS2 段線路恢復(fù)這鞥長(zhǎng)供電，分段開(kāi)關(guān)FS2 啟動(dòng)合閘延時(shí)；

(4)當(dāng)分段開(kāi)關(guān)FS2 的X 時(shí)限達(dá)到，則FS2 開(kāi)關(guān)閉合，因?yàn)镕S2 合于線路永久性故障，CB1 再次保護(hù)跳閘；

(5)CB1 再次保護(hù)跳閘后，線路失電后分段開(kāi)關(guān)FSl、FS2、FS3 再次斷開(kāi)，由于開(kāi)關(guān)FS2、FS3 在合閘后的Y 時(shí)限內(nèi)再次失壓，分段開(kāi)關(guān)FS2 進(jìn)入正向閉鎖，分段開(kāi)關(guān)FS3 進(jìn)入反向閉鎖；

(6)CB1 啟動(dòng)第二次重合閘，分段開(kāi)關(guān)FSl 經(jīng)X時(shí)限后開(kāi)關(guān)閉合，CB1 至FS2 段線路恢復(fù)供電，分段開(kāi)關(guān)FS2 閉鎖合閘；

(7)LS 失壓合閘延時(shí)時(shí)限達(dá)到，開(kāi)關(guān)閉合，F(xiàn)S3至LS 段線路的轉(zhuǎn)供電成功，F(xiàn)S3 也進(jìn)入合閘閉鎖狀態(tài)。 整條線路的故障隔離以及非故障區(qū)段的恢復(fù)供電過(guò)程已實(shí)現(xiàn)。

電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化作為一種常見(jiàn)的就地控制型自動(dòng)化控制方案，被廣泛用于不同的配電線路中[15-17]。 如圖3 所示，為電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化配置方案的典型接線。

圖3 饋線自動(dòng)化配置方案

2 電壓-時(shí)間型柱上分段開(kāi)關(guān)保護(hù)的整定計(jì)算

電壓型分段開(kāi)關(guān)在正常運(yùn)行工況在處于合閘狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到線路兩側(cè)失壓，則自動(dòng)分閘；當(dāng)檢測(cè)到線路一側(cè)得電時(shí)，啟動(dòng)延時(shí)合閘功能，這一系列的邏輯判斷，需要對(duì)X 時(shí)限、Y 時(shí)限以及Z 時(shí)限進(jìn)行整定。

2.1 X 時(shí)限的整定計(jì)算

柱上分段開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限應(yīng)與出線斷路器的故障切除時(shí)間進(jìn)行協(xié)同整定，預(yù)防上一級(jí)線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)合于故障后，本線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)也誤合閘等情況的發(fā)生。 此外，X 時(shí)限需要比上一級(jí)線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)的Y 時(shí)限大，則:

式中:T′L為線路斷路器保護(hù)最末段動(dòng)作時(shí)間。 綜合考慮上述情況，在本中，X 時(shí)限最小值取7 s。

基于圖2 能夠看出，斷路器需要經(jīng)過(guò)兩次重合閘才能實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)段的隔離以及對(duì)非故障區(qū)段的恢復(fù)供電。 但是，部分線路的斷路器保護(hù)只能進(jìn)行一次重合閘，這時(shí)就需要延長(zhǎng)下一級(jí)線路與之相鄰分段開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限來(lái)達(dá)成二次重合閘的目的[18]。

2.1.1 具備二次重合閘功能的工況

當(dāng)上一級(jí)斷路器具備二次重合閘功能時(shí)，下一級(jí)線路與之相鄰的柱上分段開(kāi)關(guān)X 時(shí)限能夠設(shè)置為最小值7 s，對(duì)于其余各級(jí)柱上分段開(kāi)關(guān)以及聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)就按照配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)做出整定即可:

(1)若只有主干線上裝設(shè)有電壓型柱上開(kāi)關(guān)，而分支線上未裝設(shè)時(shí)，各柱上分段開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限均能夠設(shè)置為7 s。

(2)若主干線和分支線均配備了電壓型柱上開(kāi)關(guān)時(shí)，各開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限取7 s 的整數(shù)倍，并需確保上級(jí)斷路器第一次重合后，在故障處理的任意時(shí)刻有且僅有1 個(gè)分段開(kāi)關(guān)合閘，以便對(duì)故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

2.1.2 只具備一次重合閘功能的工況

若斷路器只能進(jìn)行一次重合閘時(shí)，則避開(kāi)斷路器的“彈簧儲(chǔ)能時(shí)間+重合閘充電時(shí)間”，延長(zhǎng)下一級(jí)線路與斷路器相鄰分段開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限，從而使柱上開(kāi)關(guān)在誤合閘于永久性故障的情況下，上一級(jí)線路出線斷路器跳閘后可以再次重合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行隔離以及對(duì)非故障區(qū)段進(jìn)行恢復(fù)供電的目的。

此外，下一級(jí)線路與斷路器相鄰柱上分段開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限需要符合上一級(jí)線路斷路器的額定操作順序要求，即“分-0.3 s-合分-t′-合分”中間歇時(shí)間t′的要求。

2.2 Y 時(shí)限的整定計(jì)算

柱上分段開(kāi)關(guān)的Y 時(shí)限同樣應(yīng)與出線斷路器的故障切除時(shí)間進(jìn)行協(xié)同整定，以保證當(dāng)本線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)在合閘于故障后，能夠可靠啟動(dòng)閉鎖合閘邏輯，即Y 時(shí)限應(yīng)超過(guò)上一級(jí)線路斷路器的保護(hù)最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間，同時(shí)小于下一級(jí)線路柱上開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限，通常Y 時(shí)限取5 s。

2.3 Z 時(shí)限的整定計(jì)算

柱上分段開(kāi)關(guān)的Z 時(shí)限不僅需要與上一級(jí)線路的重合閘時(shí)間進(jìn)行協(xié)同整定，預(yù)防出現(xiàn)上一級(jí)線路在重合閘期間負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘的情況，大大減少了停電時(shí)長(zhǎng)；此外，Z 時(shí)限還應(yīng)與本級(jí)線路斷路器的首次重合閘時(shí)間進(jìn)行配合整定，保證在重合閘前柱上開(kāi)關(guān)處于分閘位置，即:

式中:T′L為上級(jí)電源線路保護(hù)最末段動(dòng)作時(shí)間；T′CH為上級(jí)電源線路重合閘動(dòng)作時(shí)間；TCH1為本級(jí)線路斷路器首次重合閘時(shí)間。 通常，將柱上分段開(kāi)關(guān)的Z 時(shí)設(shè)定為3.5 s。

3 案例分析

由第2 節(jié)的分析可以看出，柱上分段開(kāi)關(guān)的X時(shí)限是由上級(jí)線路斷路器的重合閘特性和配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所共同決定的，因此分3 種情況進(jìn)行分析。

(1)僅主干線配置了電壓型柱上開(kāi)關(guān)

如圖4 所示，3 個(gè)柱上分段開(kāi)關(guān)均裝設(shè)在主干線線路上，其中，出線斷路器CB1 具備二次重合閘功能，因此將各分段開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限均設(shè)定為7 s。

圖4 電壓型柱上開(kāi)關(guān)只配置在主干線上

(2)主干線和分支線均配置了柱上開(kāi)關(guān)

如圖5 所示，4 個(gè)柱上分段開(kāi)關(guān)A、B、C、D 裝設(shè)在配電線路主干線上，3 個(gè)柱上分段開(kāi)關(guān)E、F、G 裝設(shè)在配電線路分支線上，其中，出線斷路器CB1 具備二次重合閘功能。

圖5 電壓型柱上開(kāi)關(guān)配置在主干線和分支線上

如第2 節(jié)所述，對(duì)于主干線和分支線均配備了電壓型柱上開(kāi)關(guān)的工況，需確故障處理的任意時(shí)刻有且僅有1 個(gè)分段開(kāi)關(guān)合閘。 本文基于深度優(yōu)先搜索法對(duì)各分段進(jìn)行順序合閘，即對(duì)先合閘支路進(jìn)行深入搜索，直到無(wú)法再深入搜索為止。 假定主干線支路開(kāi)關(guān)先合閘，且開(kāi)關(guān)合閘整定時(shí)限為7 s，而對(duì)于其他支線則需待主干線支路所有開(kāi)關(guān)合閘完畢后才能合閘操作，具體的整定過(guò)程如下:

首先，先搜索線路的主干線支路，由于第一級(jí)分段開(kāi)關(guān)A 處于主干線路上，因此分段開(kāi)關(guān)A 的X 時(shí)限為7 s；根據(jù)深度優(yōu)先搜索原則，沿著支路A 的下一級(jí)為B 支路和F 支路，由于B 開(kāi)關(guān)處于主干線支路上，則假定B 開(kāi)關(guān)優(yōu)先合閘，將其X 時(shí)限設(shè)置為7 s；同理，開(kāi)關(guān)B 的下一級(jí)線路為C 支路和E 支路，假定主干線支路上的C 開(kāi)關(guān)優(yōu)先合閘，那么將開(kāi)關(guān)C 的X時(shí)限也設(shè)置為7 s；進(jìn)一步地，得到開(kāi)關(guān)D 的X 時(shí)限為7 s，至此，主干線支路已全部搜索完畢；

接著，搜索線路的分支干線支路，當(dāng)C 支路全部合閘完成后，E 支路開(kāi)始合閘，C 支路包含有開(kāi)關(guān)C和開(kāi)關(guān)D，因此其合閘時(shí)間和為14 s，由此推斷得到開(kāi)關(guān)E 的X 時(shí)限為21 s；同理，F(xiàn) 支路在等待B 支路全部合閘完成后進(jìn)行合閘，B 支路的時(shí)間和為28 s，則開(kāi)關(guān)F 的X 時(shí)限應(yīng)為35 s；

最后，只剩下分支干線支路的開(kāi)關(guān)G，將開(kāi)關(guān)G的X 時(shí)限設(shè)置為7 s。 至此，各開(kāi)關(guān)的合閘順序依次設(shè)置完成，即:A、B、C、D、E、F、G。

(3)出線斷路器只進(jìn)行一次重合閘

若出線斷路器CB1 只進(jìn)行一次重合閘時(shí)，則延長(zhǎng)下一級(jí)線路與其相鄰分段開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限，同時(shí)，下一級(jí)線路與斷路器相鄰柱上分段開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限需要符合上一級(jí)線路斷路器的額定操作順序要求，即“分-0.3 s-合分-t′-合分”中間歇時(shí)間t′的要求。假設(shè)圖6 中，斷路器CB1 只能進(jìn)行一次重合閘，若柱上分段開(kāi)關(guān)A 裝設(shè)有撥碼式饋線終端，那么將X時(shí)限設(shè)定為最大值42 s，對(duì)于剩余的柱上分段開(kāi)關(guān)X 時(shí)限的設(shè)定就與前述設(shè)定方式一致即可。

圖6 出線斷路器只投入一次重合閘

4 小結(jié)

對(duì)饋線自動(dòng)化柱上開(kāi)關(guān)進(jìn)行合理保護(hù)整定，能夠充分利用饋線自動(dòng)化的作用，對(duì)提高配電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義。 本文對(duì)饋線自動(dòng)化的故障隔離過(guò)程及保護(hù)配合要求進(jìn)行分析，系統(tǒng)全面地給出了電壓型柱上開(kāi)關(guān)的饋線自動(dòng)化整定方案。 基于深度搜索原則，通過(guò)合理地設(shè)置柱上分段開(kāi)關(guān)的X 時(shí)限，保障線路斷路器在進(jìn)行重合閘恢復(fù)供電期間，各柱上分段開(kāi)關(guān)能夠順序合閘，即確保在任何時(shí)刻由且僅有一臺(tái)柱上開(kāi)關(guān)在進(jìn)行合閘，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的準(zhǔn)確定位。 案例分析結(jié)果表明，本文所提保護(hù)整定方案能夠適用于電壓-時(shí)間型饋線自動(dòng)化建設(shè)，可有效減少停電時(shí)間，提高配電網(wǎng)供電水平。