12 kV用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)在河北省南部電網(wǎng)的應(yīng)用及問(wèn)題分析

景 皓，龐先海，張智遠(yuǎn)，馬天祥

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021)

2017-04-18

景 皓(1983-)，女，高級(jí)工程師，主要從事配電網(wǎng)設(shè)備試驗(yàn)及技術(shù)監(jiān)督工作。

12 kV用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)在河北省南部電網(wǎng)的應(yīng)用及問(wèn)題分析

景 皓1，龐先海1，張智遠(yuǎn)2，馬天祥1

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021)

介紹12 kV用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)在河北省南部電網(wǎng)的應(yīng)用情況及存在的問(wèn)題，詳細(xì)分析不同中性點(diǎn)接地方式下保護(hù)定值的設(shè)置情況，針對(duì)單相故障保護(hù)定值設(shè)置、相間短路保護(hù)定值設(shè)置、設(shè)備選型和設(shè)備質(zhì)量管控等提出具體的處理措施。

配電網(wǎng)；用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)；保護(hù)定值

12 kV高壓交流自動(dòng)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)(簡(jiǎn)稱(chēng)“用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)”)因其智能化程度高、能夠快速準(zhǔn)確隔離故障點(diǎn)而在配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。然而，配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一個(gè)開(kāi)閉所或變電站往往帶有多條配電線(xiàn)路，一條配電線(xiàn)路可能帶有多個(gè)用戶(hù)負(fù)荷，這為用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)正確動(dòng)作增加了難度[1-2]。如果用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)無(wú)法正確隔離(切除)單相接地或相間故障，將擴(kuò)大故障范圍，影響非故障區(qū)段用戶(hù)的正常用電。因此，積極發(fā)現(xiàn)并處理用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)在配電網(wǎng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，確保用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)正確動(dòng)作，對(duì)于提高電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義。

1 用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)功能及結(jié)構(gòu)

用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)可分為分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)和分界斷路器，分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)具有一定的動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定能力，能夠開(kāi)斷負(fù)荷電流和因單相接地故障產(chǎn)生的接地電流，不能開(kāi)斷相間短路電流，但能夠在電源側(cè)斷路器跳閘停電后實(shí)現(xiàn)分閘，以隔離故障點(diǎn)。分界斷路器一般可設(shè)置單相接地保護(hù)動(dòng)作跳閘功能，也可設(shè)置速斷保護(hù)和過(guò)流保護(hù)跳閘功能，即能夠開(kāi)斷負(fù)荷電流、單相接地故障電流和相間短路電流[3]。

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)柱上開(kāi)關(guān)比較，用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)在功能上具有較多特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切除單相接地故障，避免對(duì)變電站及饋線(xiàn)上的其他分支用戶(hù)造成影響；可自動(dòng)隔離或切除相間短路故障，快速定位故障點(diǎn)；可監(jiān)控用戶(hù)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)負(fù)荷的遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控；可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作功能，通過(guò)手機(jī)短信或計(jì)算機(jī)后臺(tái)方式操作用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)分合閘[1-3]。

用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)主要包括開(kāi)關(guān)本體、控制器、內(nèi)置零序電流互感器、線(xiàn)路電流互感器和電壓互感器等元件。開(kāi)關(guān)本體可分為負(fù)荷開(kāi)關(guān)和斷路器2種，控制器實(shí)現(xiàn)微機(jī)信號(hào)采樣及保護(hù)控制功能。

2 用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)的應(yīng)用情況

截至2017年3月，用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)在河北省南部電網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“河北南網(wǎng)”)共安裝625臺(tái)，主要分布在滄州、保定、邢臺(tái)和石家莊配電網(wǎng)，其中裝有手機(jī)卡實(shí)現(xiàn)“四遙”功能的開(kāi)關(guān)有35臺(tái)。用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)主要安裝點(diǎn)為10 kV線(xiàn)路分段開(kāi)關(guān)、聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，10 kV分支線(xiàn)路與主線(xiàn)路連接點(diǎn)，用戶(hù)與公司設(shè)備的產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)等。

從運(yùn)行狀況看，河北南網(wǎng)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)跳閘記錄44次正確動(dòng)作，其中開(kāi)斷相間短路故障18次，單相接地故障26次，按故障原因分類(lèi)，用戶(hù)變壓器故障10次，電纜故障6次，支撐瓷瓶故障4次，架空線(xiàn)路故障20次，其他設(shè)備故障4次；誤動(dòng)7次，包括無(wú)故障誤動(dòng)作4次，區(qū)外故障判斷錯(cuò)誤動(dòng)作3次；拒動(dòng)3次，均為區(qū)內(nèi)故障用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)未動(dòng)作。從使用效果看，目前正常使用用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)547臺(tái)，50臺(tái)未設(shè)置接地保護(hù)動(dòng)作跳閘功能，僅投入短路和過(guò)流跳閘功能；28臺(tái)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)因其誤動(dòng)率高將其二次保護(hù)搭死處理，設(shè)備不具備開(kāi)斷功能。

由運(yùn)行情況可見(jiàn)，用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)不正確動(dòng)作(誤動(dòng)或拒動(dòng))比重高達(dá)18.5%，正確動(dòng)作率明顯偏低。分析用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)誤動(dòng)或拒動(dòng)原因可知，保護(hù)定值設(shè)置存在問(wèn)題是用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作的主要原因，設(shè)備選型存在問(wèn)題和設(shè)備質(zhì)量問(wèn)題是次要原因。

3 保護(hù)定值設(shè)置問(wèn)題分析

3.1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障

對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，發(fā)生用戶(hù)區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)電路原理如圖1所示。

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障原理示意

接地故障點(diǎn)處的電流可由公式(1)計(jì)算

I0=I01+I02

(1)

式中：I01為單相接地故障時(shí)電源側(cè)零序電流；I02為單相接地故障時(shí)負(fù)荷側(cè)零序電流。I01、I02計(jì)算公式如式(2)、(3)所示。

I01=3ωU0C1

(2)

I02=3ωU0C2

(3)

式中：C1為電源側(cè)(用戶(hù)區(qū)外)線(xiàn)路的相對(duì)地電容值的總和；C2為負(fù)荷側(cè)(用戶(hù)區(qū)內(nèi))線(xiàn)路的相對(duì)地電容值的總和；U2為電源相電壓；ω為頻率。

一般電源側(cè)線(xiàn)路相比負(fù)荷側(cè)線(xiàn)路長(zhǎng)很多，因此C1遠(yuǎn)大于C2，所以I01比I02大很多，即在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地故障時(shí)接地點(diǎn)電源側(cè)能夠檢測(cè)出較大的零序電流，而負(fù)荷側(cè)零序電流較小?？梢?jiàn)，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)通過(guò)設(shè)定適當(dāng)?shù)牧阈螂娏鞅Ｗo(hù)定值，用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)可準(zhǔn)確判定故障在用戶(hù)區(qū)外或區(qū)內(nèi)。當(dāng)判定故障在用戶(hù)區(qū)內(nèi)時(shí)保護(hù)動(dòng)作，故障切除。

3.2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)單相接地故障

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)，發(fā)生用戶(hù)區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)電路原理如圖2所示。

圖2 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障原理示意

接地故障點(diǎn)處的電流I0L可由公式(4)計(jì)算

I0L=I01+I02-IL

(4)

式中：I01、I02含義及計(jì)算公式如式(1)-(3)所示；IL為單相接地故障時(shí)消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償電流。用戶(hù)發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)流經(jīng)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)的故障電流I1L如公式(5)所示

I1L=I01-IL

(5)

根據(jù)圖2可知，發(fā)生用戶(hù)區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)流經(jīng)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)的電流為I1L,發(fā)生用戶(hù)區(qū)外單相接地故障時(shí)流經(jīng)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)的電流為I02。電源側(cè)線(xiàn)路相比負(fù)荷側(cè)線(xiàn)路長(zhǎng)很多，因此C1遠(yuǎn)大于C2，所以I01遠(yuǎn)大于I0L。消弧線(xiàn)圈補(bǔ)償電流I1L的大小及方向由補(bǔ)償方式?jīng)Q定，一般情況下，接地補(bǔ)償應(yīng)保證5%～10%以上的脫諧度，可見(jiàn)I01比IL大很多。因此I1L明顯大于I02，將保護(hù)定值設(shè)置在I1L、I02之間，用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)可準(zhǔn)確區(qū)分發(fā)生區(qū)外或區(qū)外單相接地故障。

3.3 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，發(fā)生用戶(hù)區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)電路原理如圖3所示。

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障原理示意

接地故障點(diǎn)處的電流I0R可由公式(6)計(jì)算

I0R=I01+I02-IR

(6)

式中：I01、I02含義及計(jì)算公式如式(1)-(3)所示；IR單相接地故障時(shí)經(jīng)小電阻接地電流。

用戶(hù)發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)流經(jīng)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)的故障電流I1R如公式(7)所示

I1R=I01-IR

(7)

根據(jù)圖3可知發(fā)生用戶(hù)區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)流經(jīng)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)的電流為I1R,發(fā)生用戶(hù)區(qū)外單相接地故障時(shí)流經(jīng)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)的電流為I02。經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)較多采用中性點(diǎn)經(jīng)10 Ω接地電阻，一般金屬性接地故障電流為300～500 A，因此I1R遠(yuǎn)大于I01、I02。將保護(hù)定值設(shè)置在I1R和I02之間，用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)可準(zhǔn)確區(qū)分發(fā)生區(qū)外或區(qū)外單相接地故障。

3.4 相間短路故障

選用分界斷路器線(xiàn)路，發(fā)生區(qū)內(nèi)相間短路故障時(shí)，分界斷路器根據(jù)過(guò)流速斷保護(hù)整定情況，自動(dòng)將短路故障切除；發(fā)生區(qū)外相間短路故障時(shí)，分界斷路器未流過(guò)短路電流，不動(dòng)作。

選用分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)線(xiàn)路，發(fā)生區(qū)內(nèi)相間短路故障時(shí)，分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)的零序電流互感器檢測(cè)不到相間短路故障，零序電流保護(hù)不動(dòng)作，單相電流互感器檢測(cè)到短路故障電流后進(jìn)行記憶，上級(jí)開(kāi)關(guān)跳閘后進(jìn)行自動(dòng)分閘，隔離故障點(diǎn)，然后上級(jí)開(kāi)關(guān)重合閘。發(fā)生區(qū)外相間短路故障時(shí)，分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)未流過(guò)短路電流，不動(dòng)作。

3.5 故障處理方式及保護(hù)設(shè)置

當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)(負(fù)荷側(cè))單相接地故障時(shí)，用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)測(cè)得零序電流超過(guò)保護(hù)定值，經(jīng)延時(shí)判定永久性接地后跳閘；當(dāng)發(fā)生區(qū)外(電源側(cè))單相接地故障時(shí)，用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)測(cè)得零序電流不超過(guò)保護(hù)定值，不動(dòng)作。發(fā)生區(qū)內(nèi)相間短路故障時(shí)，過(guò)流速斷保護(hù)動(dòng)作；發(fā)生區(qū)外相間短路故障時(shí)，不動(dòng)作。用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)動(dòng)作邏輯及保護(hù)設(shè)置見(jiàn)表1所示，其中Iu為保護(hù)定值電流，其他符號(hào)與公式(1)-(7)相同。

表1 用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)動(dòng)作邏輯及保護(hù)設(shè)置

故障性質(zhì)及位置保護(hù)處理保護(hù)設(shè)置中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)用戶(hù)區(qū)內(nèi)單相故障經(jīng)延時(shí)判定永久性接地后跳閘I01>>Iu>>I02中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)用戶(hù)區(qū)內(nèi)單相故障經(jīng)延時(shí)判定永久性接地后跳閘I01>>IL>>Iu>>I02中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)用戶(hù)區(qū)內(nèi)單相故障先于變電站保護(hù)動(dòng)作跳閘I01>>IR>>Iu>>I02中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)用戶(hù)區(qū)外單相故障不動(dòng)作I01>>Iu>>I02中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)用戶(hù)區(qū)外單相故障不動(dòng)作I01-IL>>Iu>>I02中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)用戶(hù)區(qū)外單相故障不動(dòng)作I01-IR>>Iu>>I02相間短路用戶(hù)區(qū)內(nèi)故障跳閘過(guò)流速斷相間短路用戶(hù)區(qū)外故障不動(dòng)作過(guò)流速斷

4 處理措施

4.1 單相接地零序電流保護(hù)定值整定

用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)根據(jù)電流的幅值大小及持續(xù)時(shí)間判斷故障情況，無(wú)論純金屬接地或者經(jīng)高阻接地，單相接地故障時(shí)零序電流保護(hù)定值決定其動(dòng)作靈敏度。在設(shè)置零序電流保護(hù)定值時(shí)需重點(diǎn)考慮以下因素。

a. 零序電流整定值應(yīng)大于用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)內(nèi)置零序TA在最大負(fù)荷條件下的不平衡輸出?？紤]留有必要的裕度，一般情況下零序電流定值不應(yīng)小于0.2 A。

b. 用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)零序電流保護(hù)定值應(yīng)大于單相接地故障時(shí)負(fù)荷側(cè)零序電流。為確保用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)正確動(dòng)作，建議用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)零序電流保護(hù)定值應(yīng)不小于負(fù)荷側(cè)零序電流的2倍。

c. 用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)所帶線(xiàn)路較長(zhǎng)且導(dǎo)致零序電流定值較大時(shí)，可造成區(qū)內(nèi)高阻接地故障時(shí)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)拒動(dòng)。

d. 零序電流保護(hù)定值根據(jù)架空線(xiàn)路截面和長(zhǎng)度確定。在中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障，變電站出線(xiàn)保護(hù)不跳閘，只發(fā)出接地信號(hào)，允許短時(shí)間接地運(yùn)行。為了便于判斷故障，此時(shí)分界開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)限，應(yīng)大于接地延時(shí)判斷時(shí)限，并在變電站發(fā)出接地信號(hào)之后再動(dòng)作跳閘。

4.2 相間短路保護(hù)定值整定

a. 對(duì)于分界斷路器，應(yīng)與上級(jí)斷路器和用戶(hù)斷路器保護(hù)動(dòng)作時(shí)限相配合，確保發(fā)生用戶(hù)區(qū)內(nèi)故障時(shí)先于上級(jí)斷路器動(dòng)作，切除短路故障。

b. 對(duì)于分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)，動(dòng)作時(shí)限應(yīng)與變電站出線(xiàn)保護(hù)重合閘動(dòng)作時(shí)間相配合，用戶(hù)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生瞬時(shí)故障時(shí)，首先上級(jí)斷路器動(dòng)作，然后負(fù)荷開(kāi)關(guān)分閘，故障點(diǎn)切除，最后上級(jí)斷路器重合閘恢復(fù)供電。

4.3 用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)的選型應(yīng)考慮的因素

a. 根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)狀況和重要程度，來(lái)確定采用用戶(hù)分界斷路器或用戶(hù)分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)。

b. 采用分界斷路器會(huì)增加保護(hù)級(jí)差，使變電站出線(xiàn)保護(hù)增加時(shí)延，對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的安全運(yùn)行不利。

c. 分界斷路器還必須與用戶(hù)進(jìn)線(xiàn)斷路器進(jìn)行保護(hù)配合，如配合不當(dāng)，會(huì)引起責(zé)任糾紛。

d. 分界斷路器性?xún)r(jià)比不如分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)。

4.4 用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)質(zhì)量管控

a. 對(duì)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)開(kāi)展設(shè)備到貨抽樣檢測(cè)，重點(diǎn)是設(shè)備材質(zhì)檢測(cè)。如開(kāi)展開(kāi)關(guān)觸頭鍍銀層、設(shè)備固體絕緣材質(zhì)、空氣絕緣距離等檢測(cè)項(xiàng)目。

b. 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障模擬試驗(yàn)，檢驗(yàn)用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)對(duì)短路故障的處理能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

12 kV用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)因其能夠有效隔離故障點(diǎn)而在河北南網(wǎng)配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果表明用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)受保護(hù)定值設(shè)置、設(shè)備選型等因素影響，不正確動(dòng)作(誤動(dòng)或拒動(dòng))率明顯較高。通過(guò)分析保護(hù)定值設(shè)置存在的問(wèn)題，從單相接地故障、相間短路、設(shè)備選用和設(shè)備質(zhì)量等方面提出處理措施和建議，為提高用戶(hù)分界開(kāi)關(guān)正確動(dòng)作率，提升使用效果提供參考。

[1] 李建基．高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備實(shí)用技術(shù)[M]．北京： 中國(guó)電力出版社，2005．

[2] 林 莘．現(xiàn)代高壓電器技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

[3] 宋向東，劉 娜．10 kV配網(wǎng)用戶(hù)分界負(fù)荷開(kāi)關(guān)的應(yīng)用[J]．華北電力技術(shù)，2010(7)：35-38．

Application and Problem Analysis of 12 kV Users Boundaries Switchgear in Hebei Southern Power Grid

Jing Hao1，Pang Xianhai1，Zhang Zhiyuan2，Ma Tianxiang1

(1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang 050021,China；2.State Grid Hebei Electric Power Corporation，Shijiazhuang 050021,China)

This paper introduces the application situation and existing problems of 12 kV users' boundaries switchgear on Hebei South Power Grid distribution network, and analyzes in detail the setting of protection setting under different neutral point grounding modes.Combined with analysis single-phase fault protection setting,interphase short circuit protection setting,equipment selection and equipment quality control,and the preventive measures have been proposed.

distribution network;user boundaries switchgear;preventive measures

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1001-9898(2017)05-0047-04

本文責(zé)任編輯：齊勝濤