10 kV自動(dòng)更換式跌落熔斷器控制系統(tǒng)的研究

吳遠(yuǎn)密，彭俊臻，許守東

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司西雙版納供電局，云南 景洪 666100；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650000）

0 前言

熔斷器通常用于電力系統(tǒng)，為變壓器、電壓互感器、電容器組、配電饋線等提供過流保護(hù)，保險(xiǎn)絲價(jià)格使宜，使用方便，有多種形式。跌落式熔斷器作為熔斷器主要的一種類型，廣泛應(yīng)用于配網(wǎng)臺(tái)區(qū)，跌落式熔斷器在運(yùn)維過程常見于熔絲故障熔斷情況，其原因眾多，行業(yè)內(nèi)也有很多關(guān)預(yù)防及治理熔絲故障熔斷的研究[1-4]。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生接地、電磁諧振、過負(fù)荷等時(shí)熔斷器的熔絲快速熔斷，隔離故障、保護(hù)電力主設(shè)備。然而，這些故障大多數(shù)是瞬時(shí)故障，可自行恢復(fù)，但需要人工排查故障點(diǎn)、并停電更換熔絲才能恢復(fù)供電。為了解決這一重大問題，現(xiàn)研究一種自動(dòng)更換式熔斷器，能實(shí)遠(yuǎn)程一鍵熔斷器分合閘、一鍵熔斷器熔絲更換，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障后裝熔斷器自動(dòng)分合閘、自動(dòng)更換熔絲備件，即系統(tǒng)故障自愈。

1 特性理論分析

1.1 熔絲特性

熔斷器熔絲本質(zhì)上是一種電流響應(yīng)元件，當(dāng)電流低于其額定電流值時(shí)，元件的溫度保特隱定。如果流經(jīng)該元件的電流高于某個(gè)閾值，則該元件將被加熱、熔化并斷開電路路徑。熔斷器熔絲在故障期間的操作本質(zhì)上受到其熔斷特性和電弧特性的控制，其熔斷特性表明熔絲熔斷時(shí)間與流經(jīng)它的電流平方成反比。

其中T為熔絲熔斷時(shí)間，I為流經(jīng)熔絲的電流，k為熔絲材料特性系數(shù)。

熔斷器熔絲融化熱能值使熔絲融化，使熔絲熔斷所需的最小熱能值。

其中Q1指從熔體融化到飛弧開始瞬間所需的能量，Q2指飛弧開始瞬間到飛弧最終熄滅所需的能量。

熔斷器的選擇應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境和負(fù)載性質(zhì)選擇適當(dāng)類型的熔斷器，熔斷器的額定電壓必須大于或等于線路的額定電壓，熔斷器的額定電流必須等于或大于線路的額定電流，熔斷器的分?jǐn)嗄芰?yīng)大于電路可能出現(xiàn)的最大短路電流，熔斷器在電路中上、下兩級(jí)的配合應(yīng)有利于實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)，一般上一級(jí)熔斷器的熔斷時(shí)間應(yīng)為下一級(jí)熔斷器的3 倍以上。所配置的熔斷器額定電流一般為所保護(hù)設(shè)備額定電流的1.5～2 倍[5-9]。以上熔絲特性作為本文熔斷器仿真模型搭建的基礎(chǔ)。

1.2 操作要求

低落熔斷器一般配置在變壓器高壓側(cè)，停電操作順序一般為先拉開負(fù)荷側(cè)的低壓開關(guān)，再拉開電源側(cè)的高壓跌落式熔斷器，送電順序相反。按順序停送電可以防止變壓器反送電，減少?zèng)_擊起動(dòng)電流，減少電壓波動(dòng)，保證設(shè)備安全運(yùn)行。也可以避免開關(guān)切斷較大的電流量，減少操作過電壓的幅值、次數(shù)。為確保人身、設(shè)備、電網(wǎng)安全，操作中應(yīng)盡量避免帶負(fù)荷拉合跌落式熔斷器。

停電操作時(shí)，應(yīng)先拉中間相，后拉兩邊相。送電時(shí)則先合兩邊相，后合中間相。原因主要是考慮到中相切斷時(shí)的電流要小于邊相，因而電弧小，對兩邊相無危險(xiǎn)。操作邊相跌落式熔斷器時(shí)，電流較大，而此時(shí)中相已拉開，另兩個(gè)跌落式熔斷器相距較遠(yuǎn)，可防止電弧拉長造成相間短路。

電力配網(wǎng)系統(tǒng)中操作逐漸使用一些自動(dòng)化控制方法來實(shí)現(xiàn)，配電網(wǎng)自動(dòng)化方式也漸漸被推廣運(yùn)用，如通過FTU 控制配網(wǎng)真空斷路器。而通信技術(shù)在配網(wǎng)自動(dòng)化應(yīng)用中尤為關(guān)鍵，一般分為有線通信技術(shù)和無線通信技術(shù)兩種。而在實(shí)際使用中，無線方式較為簡單、造價(jià)較低、持續(xù)能力比較強(qiáng)等，有線通方式工作效率比較高、抗外界干擾能力比較強(qiáng)等，但投資比較高。本文將通過自動(dòng)更換式跌落熔斷器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)10 kV 配網(wǎng)自動(dòng)化功能，彌補(bǔ)配網(wǎng)自動(dòng)化空白[10-12]。本文的跌落熔斷器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在自動(dòng)操作邏輯控制方面遵循以上操作要求。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示，控制系統(tǒng)主要包括自動(dòng)更換式跌落熔斷器、視頻攝像頭、控制箱、遠(yuǎn)方控制電腦、低壓電操空氣開關(guān)等，其應(yīng)用在變壓器場景，具備遠(yuǎn)程人為控制操作、遠(yuǎn)程系統(tǒng)自動(dòng)決策操作（自動(dòng)重合）、就地一鍵電動(dòng)操作、就地人工機(jī)械操作功能。

圖1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跌落熔斷器自動(dòng)控制操作邏輯要求三相熔斷器獨(dú)立、不聯(lián)動(dòng)，三相分合邏輯為停電先中后邊，送電先邊后中。變壓器停電遵循先低后高、送電先高后低邏輯，即熔斷器與低壓側(cè)空開形成邏輯控制。熔絲備件更換在跌落熔斷器停電狀態(tài)下進(jìn)行，后臺(tái)自動(dòng)決策控制實(shí)現(xiàn)熔斷器熔絲更換后自動(dòng)重合。熔斷器分合閘狀態(tài)檢測、熔絲狀態(tài)檢測、熔絲備件數(shù)量檢測、傳動(dòng)能量電池檢測等。系統(tǒng)通過物聯(lián)卡對設(shè)備進(jìn)行操作、監(jiān)控，能較好的在戶外、面廣、分散的電網(wǎng)環(huán)境中應(yīng)用。裝置具備4 種操作模式，具備4 種基本功能，如表1 所示。

表1 自動(dòng)更換式跌落熔斷器控制功能設(shè)計(jì)表

控制系統(tǒng)通信模式如圖2 所示，在傳輸信息過程中，采用的是MQTT 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了一對多，以及一對一通信方式，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制熔斷器的功能。模塊采用UART 接口實(shí)現(xiàn)MCU與模塊的通信，并以AT 指令的方式配置模塊的相應(yīng)模式。

圖2 控制系統(tǒng)通信模式

元件自檢主要為運(yùn)行熔斷器熔絲及備用熔斷器熔絲好壞的檢測，自檢原理如圖3、圖4 所示。

圖3 運(yùn)行熔絲狀態(tài)監(jiān)測模塊邏輯示意圖

圖4 備件熔絲狀態(tài)監(jiān)測模塊邏輯示意圖

雙確認(rèn)指電氣設(shè)備操作后位置檢查以實(shí)際位置為準(zhǔn)，無法現(xiàn)場直接確認(rèn)位置的可以通過間接方式確認(rèn)位置，間接方式確認(rèn)位置至少有兩個(gè)非同樣原理或非同源的指示同時(shí)發(fā)生對應(yīng)的位置變化，本文設(shè)計(jì)采用系統(tǒng)動(dòng)作反饋和視頻監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)非同樣原理來確認(rèn)設(shè)備操作位置。同理，遠(yuǎn)程系統(tǒng)一樣通過系統(tǒng)動(dòng)作反饋和視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測熔斷器故障相的跌落情況。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障、諧振等導(dǎo)致高壓側(cè)自動(dòng)更換式跌落熔斷器熔絲熔斷時(shí)，4 種模式下的操作邏輯是：斷開低壓側(cè)空氣開關(guān)，依序拉開高壓跌落熔斷器B 相、A 相、C 相，臺(tái)變隔離故障。然后，自檢哪相熔絲損壞需更換，等待延時(shí)1 分鐘，跌落熔斷器自動(dòng)完成損壞相熔絲備件更換。等待延時(shí)1 分鐘，依序合上高壓跌落熔斷器A 相、C 相、B 相，合上低壓側(cè)空氣開關(guān)，若為瞬間故障則電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行，若為永久故障則熔斷器再跌落，轉(zhuǎn)為人工現(xiàn)場故障搶修處理。

3 電網(wǎng)故障中的應(yīng)用仿真及分析

將自動(dòng)更換式跌落熔斷器整套系統(tǒng)應(yīng)用于10 kV 配網(wǎng)臺(tái)變中進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。假設(shè)故障點(diǎn)設(shè)置在圖5 所示位置處，搭建RTDS（即實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)）模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真，模型如圖6 所示。Dyn11 型變壓器低壓側(cè)A 相發(fā)生單相接地短路時(shí)高壓側(cè)熔斷器電流監(jiān)測如圖7 所示，熔斷器自動(dòng)更換、重合成功后高壓側(cè)熔斷器電流監(jiān)測如圖8 所示，熔斷器自動(dòng)更換、重合于故障后高壓側(cè)熔斷器電流監(jiān)測如圖9 所示，熔斷器熔絲熔斷相自動(dòng)更換、重合于故障時(shí)的電壓、電流監(jiān)測如圖10、11 所示。

圖5 配電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用故障等效圖

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)仿真模型圖

圖7 故障時(shí)仿真系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖8 瞬間故障重合成功仿真結(jié)果

圖9 永久故障重合不成功仿真結(jié)果

圖10 重合于故障之后的電壓波形

圖11 重合于故障之后的電流波形

由仿真結(jié)果可知，A 相發(fā)生單相接地短路時(shí)，A 相存在故障電流、電壓降為零，BC 相電流基本不變、電壓基本不變。故障感應(yīng)于高壓側(cè)后，A、B 相存在故障電流且A 相熔絲熔斷，C 相電流基本不變。在初次故障和重合故障時(shí)熔斷器熔斷相存在故障電流和瞬間過電壓。

在不對稱短路時(shí)，使用對稱分量法計(jì)算短路電流，將短路電流分為正序，負(fù)序，零序三部分，按照不同序電流在系統(tǒng)中流經(jīng)的部分確定系統(tǒng)的各序阻抗，最后在利用短路點(diǎn)的邊界條件將各序電路組合起來，計(jì)算出短路電流。Dyn-11 型變壓器低壓側(cè)發(fā)生單相接地短路時(shí)，短路電流計(jì)算公式為：

其中Ua為A 相電壓，為回路正序阻抗值，為回路負(fù)序阻抗值，為回路零序阻抗值。

根據(jù)自動(dòng)更換式跌落熔斷器裝置在10 kV電網(wǎng)中仿真結(jié)果可知，其故障短路電流結(jié)果與不對稱短路電流計(jì)算理論基本相符，驗(yàn)證了該裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在電網(wǎng)應(yīng)用中可控、可行。

4 結(jié)束語

本文提出一種10 kV 自動(dòng)更換式跌落熔斷器控制方法，按照操作要求設(shè)置跌落熔斷器系統(tǒng)自動(dòng)操作邏輯，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)瞬間故障、永久故障情況的隔離處理。裝置的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)通過仿真驗(yàn)證可行，系統(tǒng)電流、電壓在可控范圍且與電力系統(tǒng)理論相符。自動(dòng)更換式跌落熔斷器在控制系統(tǒng)的支撐下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、就地的電網(wǎng)故障處理，自動(dòng)更換、重合功能可以自愈瞬間故障、自動(dòng)隔離永久故障，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)、控制、檢修的元件最優(yōu)化。自動(dòng)更換式跌落熔斷器裝置系統(tǒng)可以快速保護(hù)變壓器、快速恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行、明顯隔離故障設(shè)備，能有效提高用戶供電可靠性，降低企業(yè)運(yùn)維成本。