10 kV配電網(wǎng)快速切斷故障分支的研究

梁華欽

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司欽州供電局，廣西 欽州 535000

0 引言

目前，地方電網(wǎng)正在建設(shè)配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，根據(jù)配電網(wǎng)安全可靠性、配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)本身現(xiàn)有條件的要求，可選擇不同的故障處理方式、終端配置和通信方式，以提高供電的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。傳統(tǒng)的配電自動(dòng)化有電壓-時(shí)間型和電壓-電流型，其中，電壓-時(shí)間型配電自動(dòng)化在發(fā)生故障時(shí)只能將配電系統(tǒng)的開關(guān)先全部跳開停電，再通過變電站出線開關(guān)的二次重合功能再重合再跳開隔離故障區(qū)，讓一些非故障供電區(qū)域采用“先停后供”的原則，同時(shí)二次重合讓整個(gè)配電系統(tǒng)再次受故障沖擊，影響穩(wěn)定性，使開關(guān)設(shè)備多受一次故障沖擊降低使用壽命[1]。

由于傳統(tǒng)開關(guān)速度和保護(hù)動(dòng)作的影響，當(dāng)前配電網(wǎng)自動(dòng)化的時(shí)差保護(hù)達(dá)到150 ms。配電網(wǎng)自動(dòng)化開關(guān)的保護(hù)不應(yīng)與變電站輸出開關(guān)形成多級(jí)協(xié)調(diào)和選擇性，在發(fā)生故障時(shí)，往往同時(shí)運(yùn)行至多個(gè)級(jí)別或繞過該級(jí)別，無法精準(zhǔn)隔離故障區(qū)域或擴(kuò)大停電區(qū)域，不能直觀有效發(fā)揮配電自動(dòng)化的作用，導(dǎo)致配電網(wǎng)的安全可靠性受到一定限制[2]。目前，兼?zhèn)涓咚僮詣?dòng)自愈功能的配電自動(dòng)化主要是體現(xiàn)在集中控制類型的配電自動(dòng)化，但是集中控制類型的配電自動(dòng)化往往都是依賴通信來執(zhí)行主操作臺(tái)的集中分配，并基于無線通信和以太網(wǎng)通信執(zhí)行配電自動(dòng)化。這在很大程度上要取決于通信質(zhì)量，具有如下問題：投建光纖通信成本高，只能在一些有條件的城鎮(zhèn)地區(qū)達(dá)到，而非光纖通信反應(yīng)時(shí)間較慢；在通信網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，將可能導(dǎo)致配電自動(dòng)化系統(tǒng)癱瘓或崩潰；廣泛普及通信設(shè)施及運(yùn)維耗資量較大。

1 基于永磁雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的開關(guān)智能化集成

文章基于永磁雙穩(wěn)態(tài)原理，建立了一套獨(dú)有的雙穩(wěn)態(tài)永磁高速機(jī)構(gòu)，能夠在3 ms內(nèi)斷開開關(guān)，將其與無通道保護(hù)相結(jié)合，并優(yōu)化算法進(jìn)行故障排除，可在20 ms內(nèi)完成分離和故障修復(fù)。由于兼?zhèn)浔Ｗo(hù)的選擇性和速斷性，且分段開關(guān)不會(huì)越級(jí)跳閘，故障點(diǎn)上端供電電源沒有斷開，因此供電電源的安全可靠性得到大幅提升[3]。

永磁雙穩(wěn)態(tài)真空斷路器可以取代傳統(tǒng)的ZW32和ZW20型號(hào)的普通斷路器，該真空斷路器可以從根本上解決普通斷路器動(dòng)作慢、隔離快、故障后恢復(fù)快的問題，最大限度地保證用戶的人身和財(cái)產(chǎn)安全，主要用于城鄉(xiāng)配電網(wǎng)，可以確保配電線路支路故障后的高速自愈能力和恢復(fù)非故障區(qū)域供電的可靠性。

2 無通道保護(hù)和高速自愈斷路器概述

2.1 無通道保護(hù)原理

配電線路無通道保護(hù)是一種基于SDH傳輸機(jī)制的保護(hù)，其原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，目前主要與現(xiàn)有的時(shí)限過流保護(hù)配合使用。利用線路故障跳閘后故障線路一端的斷路器感接收電壓差的變化，可以提高保護(hù)動(dòng)作靈敏性，加速故障分支切除時(shí)間。在繼電器離供電電源越近位置，反應(yīng)效果越明顯。其不需要設(shè)置專門的通道，可以實(shí)現(xiàn)通道保護(hù)功能，更經(jīng)濟(jì)可靠。

2.2 高速自愈斷路器本體

高速自愈斷路器由高速磁力機(jī)構(gòu)真空斷路器、智能控制器和外置儲(chǔ)能PT三部分組成。真空斷路器本體又由高速磁力機(jī)構(gòu)和真空滅弧室極柱組成；智能控制器核心單元及機(jī)箱、后備電源等與開關(guān)本體集成一體化，無連接電纜；外置儲(chǔ)能PT為智能極速自愈開關(guān)提供微型交流電源，必要時(shí)可以加裝戶外隔離開關(guān)上，此外開關(guān)本體與隔離開關(guān)具有可靠的機(jī)械聯(lián)鎖裝置。高速自愈斷路器性能技術(shù)規(guī)范如表1所示。

表1 高速自愈斷路器性能技術(shù)規(guī)范

高速自愈斷路器具體功能如下。

（1）開關(guān)本體構(gòu)造采用三相立柱結(jié)構(gòu)和座式安裝方式，具有分?jǐn)嘈阅芊€(wěn)定可靠、無燃燒爆炸危險(xiǎn)、安全可靠性高、體積小、重量輕、使用壽命長、免維護(hù)的特點(diǎn)。電力變壓器（電壓PT）可與開關(guān)并排放置或置于開關(guān)上方。

（2）開關(guān)具有手動(dòng)、電動(dòng)分合閘功能，內(nèi)置Wi-Fi通信模塊可以執(zhí)行就近遙控分合閘和遠(yuǎn)端通信控制分合閘。同時(shí)，可以通過智能移動(dòng)終端配置保護(hù)功能和修改保護(hù)定值及整定。

（3）內(nèi)置專有無通道保護(hù)算法及自愈控制軟件模塊，快速有選擇保護(hù)跳閘隔離故障和恢復(fù)非故障區(qū)段供電，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)高級(jí)自愈。

（4）操作機(jī)構(gòu)采用高速電磁吸力機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)基于電磁感應(yīng)原理，通過線圈產(chǎn)生的吸力作用直接驅(qū)動(dòng)真空滅弧室運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置，并利用高性能永磁體所提供的磁場能量，使之保持在極限位置。

（5）高速磁力直動(dòng)式操動(dòng)機(jī)構(gòu)省去了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)易損的儲(chǔ)能、鎖扣等機(jī)械裝置，可以大幅提高操動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性和使用期限。

（6）采用專用電容器作為工作電源，避免了輔助電流波動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)有效性能的影響。具有優(yōu)異性能的斥力式工作機(jī)構(gòu)通?？梢蚤L時(shí)間工作，使用壽命為10萬余次，真正達(dá)到永久免維護(hù)。

3 智能高速斷路器在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

高速自愈開關(guān)分別安裝于用戶側(cè)、母線段、出線分段處。若是瞬時(shí)性故障自動(dòng)避開恢復(fù)非故障區(qū)域供電；若是永久性故障執(zhí)行再次跳閘。線路短路故障高速自愈開關(guān)原理演示圖如圖1所示。在配電網(wǎng)支路發(fā)生相間或短路故障時(shí)，智能高速自愈開關(guān)有選擇性地快速切除故障并隔離故障、快速恢復(fù)非故障段供電；對(duì)于對(duì)稱故障，先瞬時(shí)無選擇性地隔離故障再逐一重合，確認(rèn)故障區(qū)域、并恢復(fù)非故障區(qū)供電；在線路發(fā)生單相短路故障時(shí)，智能高速開關(guān)內(nèi)置零序互感器感受故障電流差后快速有選擇切除故障。

圖1 線路短路故障高速自愈開關(guān)原理演示圖

3.1 安裝于用戶側(cè)

當(dāng)用戶側(cè)發(fā)生故障時(shí)，智能高速開關(guān)感受到故障電流，在10 ms內(nèi)切除故障，保證配電主干網(wǎng)的正常供電，變電站出口保護(hù)及主干線、分支線保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，不影響上述區(qū)域正常連續(xù)供電，快速切除故障不會(huì)引起電壓波動(dòng)。

3.2 安裝于母線分段處

智能高速開關(guān)作為分段開關(guān)時(shí)，為了保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性，高速開關(guān)的保護(hù)應(yīng)與其他分段開關(guān)進(jìn)行階梯時(shí)間配合，按照相繼動(dòng)作原理快速選擇性切除故障；變電站出線保護(hù)無須任何改動(dòng)。同時(shí)，無須借助通信手段實(shí)現(xiàn)主干線故障就地快速隔離和轉(zhuǎn)供電，事后由配網(wǎng)主站控制高速開關(guān)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配優(yōu)化。

3.3 安裝于出線分段處

當(dāng)出線斷路器下端發(fā)生故障時(shí)，智能高速開關(guān)感受到故障電流，先于上端分段斷路器動(dòng)作跳閘切除故障，保證配電主干網(wǎng)的正常供電，變電站出口保護(hù)、分段保護(hù)返回，不會(huì)動(dòng)作，出線還可以再分段，按階梯可增加2級(jí)保護(hù)。

4 結(jié)束語

10 kV配電網(wǎng)應(yīng)用無通道配電自動(dòng)化自愈技術(shù)的綜合高速智能開關(guān)，基于開關(guān)高性能技術(shù)指標(biāo)，即故障隔離時(shí)間小于80 ms，能量恢復(fù)時(shí)間小于1 s，降壓時(shí)間小于0，速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間小于2 ms，整個(gè)保護(hù)組和速斷開關(guān)動(dòng)作時(shí)間小于5 ms，可以高速切除配電網(wǎng)線路分支故障和快速自動(dòng)自愈恢復(fù)供電，實(shí)現(xiàn)一種先進(jìn)的無縫自愈技術(shù)。這種配電自動(dòng)化自愈綜合高速智能開關(guān)僅利用單端信息，無須通信，可以快速、有選擇性切斷10 kV配電網(wǎng)故障分支；集成備用電源自動(dòng)投入及重合閘功能，并快速恢復(fù)非故障區(qū)域供電，具有一定的推廣使用價(jià)值。