10kV配電系統(tǒng)一體化快速斷路器的研究

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司河池供電局 周愈鵬 程治真 陳天勝 王 琛 陳海學(xué)

對(duì)于傳統(tǒng)的低壓配電線(xiàn)路，采用過(guò)電流保護(hù)切除故障的方案，存在故障靠近電源側(cè)其切除時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)影響大的缺點(diǎn)；采用三段式時(shí)限配合的電流保護(hù)，雖然線(xiàn)路中部分故障能實(shí)現(xiàn)快速切斷，但其余部分故障還存在0.5s 或更長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)。隨著配電網(wǎng)的建設(shè)朝著復(fù)雜化發(fā)展，其供電半徑逐漸擴(kuò)大，上述兩種方法均不能滿(mǎn)足當(dāng)前配電系統(tǒng)發(fā)展的需求，因此，配電線(xiàn)路的無(wú)通道保護(hù)方案孕育而生[1]。配電線(xiàn)路的無(wú)通道保護(hù)優(yōu)點(diǎn)是斷路器動(dòng)作速度快、保護(hù)范圍廣，它是通過(guò)故障線(xiàn)路端斷路器跳閘后，另一端斷路器所感受的工頻電氣分量實(shí)現(xiàn)速動(dòng)保護(hù)。

基于此，文中通過(guò)運(yùn)用短路故障的快速識(shí)別技術(shù)，將該快速斷路器與故障快速判別算法的保護(hù)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種新型快速斷路器設(shè)備，將其與無(wú)通道保護(hù)結(jié)合，讓該快速斷路器整體動(dòng)作時(shí)間能夠在小于10ms 的時(shí)間內(nèi)完成故障隔離與恢復(fù)。運(yùn)用于某地區(qū)10kV 配電線(xiàn)路中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明斷路器保護(hù)反應(yīng)速度快、精確度高、可選擇性地切除故障線(xiàn)路，實(shí)現(xiàn)了中壓配網(wǎng)斷路器多級(jí)精準(zhǔn)配合和選擇性，不會(huì)發(fā)生越級(jí)跳閘，使得故障區(qū)得以快速隔離，非故障供電線(xiàn)路不會(huì)停電，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)高速自愈，提高了供電可靠性。

1 無(wú)通道保護(hù)的原理和斷路器的組成

1.1 保護(hù)原理

由于正、負(fù)、零序故障分量在線(xiàn)路發(fā)生不對(duì)稱(chēng)性故障時(shí)，可通過(guò)對(duì)稱(chēng)分量進(jìn)行變換，在故障切除后，線(xiàn)路隨即恢復(fù)對(duì)稱(chēng)運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)用檢測(cè)序分量的方法可判斷線(xiàn)路是否對(duì)稱(chēng)運(yùn)行，從而確定斷路器的動(dòng)作與否[2]。有多個(gè)電源供電的配電網(wǎng)系統(tǒng)，若某一支路發(fā)生故障時(shí)，需要切斷兩個(gè)斷路器，但斷開(kāi)兩個(gè)斷路器存在時(shí)間差的問(wèn)題，無(wú)通道保護(hù)可通過(guò)對(duì)端斷路器動(dòng)作的電氣分量，運(yùn)用算法算出正、負(fù)、零序分量的有效值，對(duì)有效值進(jìn)行比較，判斷線(xiàn)路的運(yùn)行狀態(tài)，從而識(shí)別線(xiàn)路的故障區(qū)域，加快本端斷路器動(dòng)作。

線(xiàn)路的運(yùn)行狀態(tài)方程式為RI=(S,+S,,)/S,式中S為正序分量的有效值；S,為零序分量的有效值；S,,為負(fù)序分量的有效值。當(dāng)零序、負(fù)序分量的和值與正序分量存在某一差值時(shí)，判斷線(xiàn)路發(fā)生了故障。文中所研究的一體式斷路器是通過(guò)短路電流瞬時(shí)值和電流變化率作為判據(jù)，采用3取2的表決方式進(jìn)行識(shí)別（圖1）。

圖1 短路故障的快速識(shí)別技術(shù)

1.2 斷路器的組成

文中基于短路故障的快速識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的雙穩(wěn)永磁操作機(jī)構(gòu)快速斷路器（圖2），其本體由高速吸力機(jī)構(gòu)和真空滅弧室極柱組成，配備電磁式電流互感器；智能控制器核心單元及機(jī)箱、后備電源等與斷路器本體集成一體化，無(wú)連接電纜；外置PT 為智能極速自愈斷路器提供交流電源，小型化?？蓱?yīng)用于饋線(xiàn)分段處、分支處、用戶(hù)分界處，快速就地隔離故障點(diǎn)，不依賴(lài)任何通信手段，實(shí)現(xiàn)有選擇性地快速保護(hù)和相繼自愈控制，從而提高供電可靠性和電能質(zhì)量；不需要架設(shè)專(zhuān)門(mén)的通道，就能實(shí)現(xiàn)通道保護(hù)的功能，更加經(jīng)濟(jì)可靠。

圖2 雙穩(wěn)永磁操作機(jī)構(gòu)快速斷路器

2 工程運(yùn)用及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 工程運(yùn)用

某地區(qū)配電網(wǎng)主要以35kV 作為主要的電壓等級(jí)，通過(guò)變電站、線(xiàn)路構(gòu)建了一個(gè)完備的35kV 網(wǎng)架，再通過(guò)降壓變壓器經(jīng)由10kV 線(xiàn)路將電能輸送至客戶(hù)端。根據(jù)日常的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，此供電方式存在35kV 線(xiàn)路僅承擔(dān)輸送電能的作用，沿途的負(fù)荷需降壓后再通過(guò)10kV 線(xiàn)路接入，造成迂回供電的現(xiàn)象，不僅35kV 線(xiàn)路未能得到有效利用，同時(shí)耗費(fèi)大量資源在相同區(qū)域重復(fù)架設(shè)10kV 線(xiàn)路，造成投資的浪費(fèi)；同時(shí)該地區(qū)地處大石山區(qū)，人口密度較小，電網(wǎng)負(fù)荷分散，交通不方便。

10kV 系統(tǒng)供電半徑大，10kV 線(xiàn)路分支較多，當(dāng)10kV 線(xiàn)路某處或分支發(fā)生故障時(shí)，只能通過(guò)變電站出線(xiàn)斷路器繼電保護(hù)跳閘切除故障，由于無(wú)法精確判斷故障點(diǎn)，運(yùn)維人員巡線(xiàn)時(shí)間長(zhǎng)、疲于搶修，特別是雷雨季節(jié)和節(jié)假日故障多，停電頻繁、時(shí)間長(zhǎng)，是用戶(hù)投訴的重點(diǎn)，直接影響客戶(hù)對(duì)供電的滿(mǎn)意程度，為此選擇在該地區(qū)南丹縣10kV 新馬線(xiàn)、東蘭縣香河線(xiàn)安裝6臺(tái)此型斷路器作為試點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)檢測(cè)該型斷路器的分閘動(dòng)作時(shí)間、保護(hù)裝置（FTU）故障判別時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，對(duì)其做出評(píng)價(jià)。通過(guò)4次手動(dòng)分合閘試驗(yàn)，4次試驗(yàn)中A 相、B 相、C 相分閘動(dòng)作時(shí)間平均值分別為7.875、5.550、7.725，小于標(biāo)準(zhǔn)值（10），全部合格。FTU 故障判別時(shí)間如表1，機(jī)構(gòu)動(dòng)作準(zhǔn)確。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出：該型斷路器分閘時(shí)間小于10ms,FTU 故障判別時(shí)間小于5ms，斷路器動(dòng)作時(shí)間加上FTU 故障判別時(shí)間遠(yuǎn)低于半波傅氏算法[3]25ms 的故障識(shí)別時(shí)間。

表1 FTU 故障判別時(shí)間

3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

該一體化快速斷路器與無(wú)通道保護(hù)技術(shù)相結(jié)合，并優(yōu)化故障判別的算法，讓該快速斷路器能夠在10ms 的時(shí)間內(nèi)完成故障隔離與恢復(fù)。由于其具備優(yōu)秀的保護(hù)選擇性、快速性，快速斷路器的應(yīng)用使配網(wǎng)通過(guò)保護(hù)定值整定實(shí)現(xiàn)上下多級(jí)精準(zhǔn)配合具備了可行性，使整定時(shí)間不再受傳統(tǒng)時(shí)間級(jí)差限制。最大限度地挖掘斷路器高速動(dòng)作潛能，具備了傳統(tǒng)斷路器不具備的快分快合優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，本項(xiàng)目的研究與應(yīng)用還讓新型快速斷路器實(shí)現(xiàn)了對(duì)線(xiàn)路中的各種負(fù)荷特性及暫態(tài)擾動(dòng)有針對(duì)性的分析和仿真，在保證安全性和可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)了中壓配網(wǎng)斷路器多級(jí)精準(zhǔn)選擇性，使得故障區(qū)得以快速隔離，非故障區(qū)快速恢復(fù)。

經(jīng)濟(jì)效益：假設(shè)一條10kV 配電線(xiàn)路一年少停電20小時(shí)，每年可避免售電損失可按式W=×U×A×η×t×m×p×μ×n 計(jì)算，式中：W 為費(fèi)用總數(shù)；U 為線(xiàn)電壓，取10kV；A 為線(xiàn)電流，取10kV 線(xiàn)路為300A；η 為功率因數(shù)，取0.8；t 為停電時(shí)間，取20h；m 為線(xiàn)路回路數(shù)，10kV 線(xiàn)路取6回；P 為電能單價(jià)，取0.23元/kwh；μ 為線(xiàn)損率，95%。將數(shù)據(jù)帶入上式評(píng)估測(cè)算，可知節(jié)省費(fèi)用10.8萬(wàn)元。

社會(huì)效益：對(duì)于配電網(wǎng)尤其是地廣人稀、交通不方便的農(nóng)村電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，采用基于智能永磁快速斷路器的配電自動(dòng)化技術(shù)，將讓配電網(wǎng)具備了精準(zhǔn)切除故障區(qū)恢復(fù)非故障區(qū)正常供電，極大地縮小了停電范圍、縮短了停電時(shí)間，很大地提高供電可靠性和供電水平，同時(shí)大大地節(jié)省了排查故障及故障搶修的人力和物力，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益。

綜上，基于短路故障的快速識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的雙穩(wěn)永磁操作機(jī)構(gòu)快速斷路器。長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果表明：保護(hù)裝置越靠近電源處，效果越明顯?？稍诔鞘泻娃r(nóng)村10kV 低壓配電網(wǎng)中推廣運(yùn)用。