基于电流记数型分段器和重合器配合的10kV配电网馈线自动化研究及应用

刘红伟 封连平 王焕文

（珠海许继电气有限公司，广东 珠海 519060）

1 引言

随着全球经济的发展，电力系统行业也发生着突飞猛进的变化，经历了“知识电网（IntcUIGrid）、现代电网（ModemGrid)、网络智能（GridWise)等几个发展阶段。近几年，一些经济发达国家积极推动可再生能源发展，从而带动“智能电网”（SmartGrid)的建设，其智能电网技术主要应用在用电和配电领域。我国已经在做有关智能电网的基础工作，主要是配电网的改造、开发自动抄表系统、发展分布式发电和实施用于负荷管理的需求侧管理技术等。特别是国家电网公司即将出台的“智能电网关键设备研制规划”，将指导和推进我国电网的智能化改造。

10kV配电网是输配电系统中的一个重要环节，也是智能电网的一个重要环节，具有点多面广，分布广泛，系统复杂的特点，目前我国仍存在配电网网架薄弱、供电能力不足、线路设备功能分散且可靠性较差、配电节能降损潜力巨大、多点分散通信瓶颈等问题。此外，我国10kV配电网领域有些地区还处于相当薄弱的环节，尚未实现10kV电网配电自动化，各地区配网改造的状况也不尽相同。因此如何将现有配电网系统与智能电网改造有机的结合、智能的结合、经济的结合是我国智能电网改造所面临的关键问题，即智能电网改造也要根据我国电网改造的实际情况进行，而不是盲目的跟随。早期的“电流记数型保护模式”未能得到大规模应用，主要是国内永磁断路器技术不够成熟，且分段器采用分立电子元件，功能单一，灵活性较差。随着电力行业的不断发展，国内永磁断路器的技术已经较为成熟，且微机保护技术也发展到了一个新的阶段，因此无论是一次设备还是二次设备均为辐射电网“电流记数型分段器+永磁重合器”保护模式的实现提供了较为坚实的基础，本文通过对新的保护模式的原理及设备要求进行了详细的介绍，为10kV配电网智能化改造提供一个新的思路。

2 电流记数型分段器与重合器配合方式的基本原理

电流记数型分段器与10kV支线出线重合器（或具有重合闸功能的断路器）及10kV变电站出线断路器相配合使用，在线路某区段发生故障时，能自动检出故障，并将故障区域隔离，恢复非故障段供电。

电流记数型分段器采用故障电流脉冲记数式原理，对重合器(或带重合闸功能的断路器，以下统称重合器）开断故障电流的次数进行记数。当动作次数达到分段器设定的整定次数时，分段器在重合器开断故障电流后输出分闸信号，分段器本体分闸，隔离故障区域，智能分段控制器自动恢复到初始状态；当重合器开断故障电流的次数在复位时间内未达到整定次数，智能分段控制器在复位时间到后，自动恢复到初始状态，分段器不动作。

相比传统的保护模式，“电流记数型分段器+永磁重合器”保护方式在线路中间增加一级分段重合器将线路一分为二，减少了变电站出口断路器的跳闸次数，且最大可将主干线线路划分为9段区域进行故障隔离，从而提高了供电可靠性。应用见图1所示。

图1 典型应用系统图

2.1 重合器成套装置（REC）构成及工作原理

构成：重合器成套装置（简称重合器），由断路器、智能重合器控制器、SPS电源变压器三部分组成，通过户外防护控制电缆及航空接插件进行成套电气连接。

图2 重合器成套装置

工作原理：主干线路或大分支线路REC后段发生接地故障或短路故障时，重合器REC直接切除故障，减少靠近电源侧的开关动作次数，缩短因故障区域而隔离的线路长度和非故障区域供电恢复时间。

10kV馈线故障有相间短路和单相接地两种类型，重合器对这两种故障分别进行处理。

（1）相间短路的故障处理

对于用重合器负荷侧的相间短路故障，智能重合控制器通过检测断路器内部CT引出的A、B、C相电流与定值比较来判定故障的发生，当发生相间短路故障后，记忆相间短路故障状态，表1为相间短路故障的处理方式。

表1 重合器相间短路故障处理方式

（2）单相接地的故障处理

目前，我国10kV配电网的中性点接地方式可分为：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经小电阻接地三种方式。控制器对单相接地故障的基本处理方法是通过检测从重合器内置零序CT引出的零序电流信号与定值比较来区分和判定用户界内和界外的单相接地故障，对于重合器电源侧的单相接地故障，由于从零序CT检出的零序电流远小于重合器负荷侧发生单相接地故障时所检出的零序电流，因此，通过适当的定值整定，即可作出准确地判断。对于消弧线圈接地系统，由于系统补偿后，电流定值未必能够满足定值比较要求（特别是长距离架空线路或电缆线路），且故障信息较为复杂，因此，对于消弧线圈接地系统需采用故障电流突变量、零序电流方向、行波检测及谐波含量等多种判据相结合进行判别。表2为单相接地故障的保护处理方式。

表2 重合器单相接地故障处理方式

（3）自动重合闸与保护配合

按预定的重合时间实现1～3次自动重合闸及后加速保护。

表3 重合器自动重合闸及后加速方式

2.2 电流记数型分段器成套装置（FD）构成及工作原理

构成：电流记数型分段器成套装置（简称分段器），由负荷开关、智能分段控制器二部分组成，通过户外防护控制电缆及航空接插件进行成套电气连接。

图3 电流记数型分段器成套装置

主要作用：用于10kV配电系统幅射状供电网大分支线路处或主干线，对重合器(或带重合闸功能的断路器，以下统称重合器）开断故障电流的次数进行记数。当动作次数达到智能分段器控制器设定的整定次数时智能分段器控制器在重合器开断故障电流后即无电压、无电流的情况下，输出分闸信号，自动控制分段器本体分闸，隔离故障区域，智能分段器控制器自动恢复到初始状态；当重合器开断故障电流的次数在复位时间内未达到整定次数，智能分段控制器在复位时间到后自动恢复到初始状态，分段器不动作。

故障处理方式：以典型应用举例介绍如下。

图4 线路故障示意图

图4中，CB为变电站出线断路器；REC为分段重合器成套设备，重合次数整定为3次；FD1、FD2为分段器成套设备，其中FD1记忆次数整定为3次，FD2记忆次数整定为2次，f1、f2、f3为各区间故障点。

（1）永久性故障处理

当故障发生在区间3时，分段重合器REC在分段器FD2跳闸隔离故障之前跳闸并重合一次，在分段重合器第二次跳闸后，智能分段器控制器输出分闸信号并自动恢复到初始状态，分段器跳闸，隔离故障区间3；分段重合器再次合闸，区间1和区间2恢复供电。

当故障发生在区间2时，分段重合器REC在分段器FD1跳闸隔离故障之前跳闸并重合两次，在分段重合器第三次跳闸后，智能分段控制器输出分闸信号并自动恢复到初始状态，分段器跳闸，隔离故障区间2；重合器再次合闸，区间1恢复供电。

当故障发生在区间1时，分段器FD1、FD2无故障电流流过均不动作，分段重合器在重合三次后，加速跳闸，隔离重合器负荷侧近区故障。

（2）瞬时性故障处理

对于瞬时性故障，重合器REC跳闸并重合一次，智能分段控制器记数为1次，在复位时间内达不到整定值（2次或3次），智能分段器控制器自动恢复到初始状态，分段器不动作，线路快速恢复供电。

（3）分段器后备电源的选择

分段器控制器为典型的微机保护装置，但区别于传统的变电站内保护装置，控制器电源并非来源于直流屏电源系统，而是由线路SPS电源变压器提供，因此，在线路发生故障，交流失电情况下，分段器控制器在一定时间（复位时间）内，必须保持正常运行状态，后备电源是维持其工作的必备能源。

目前后备电源主要采用铝电解电容和电池两种，但均有其局限性。因此，本分段器控制器后备电源采用新型绿色储能器件超级电容器作为后备电源。其特点：①体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大30～40倍，容量范围：0.1～1000F；②充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，真正免维护；③充放电能力强，且充电速度快，10s内达到额定容量的95%；④失效开路，过电压不击穿，安全可靠；⑤超长寿命，可长达40万h以上。

3 重合器与分段器配合方式整定原则

3.1 电网保护方式选择应考虑的原则

（1）从整个电力系统出发，要满足电力系统的稳定和潮流极限的需要；要保证重要用户和工业保安用电的需要。

（2）要从系统继电保护出发进行考虑。不能简单地考虑一条线或一个设备的保护问题。继电保护的“四性”要以电力系统要求为衡量的标准。

（3）保护方式的选择应由简到繁，设备的选型要求质量好、性能全、运行维护方便、经济合理，留有发展余地。

3.2 上、下级电网保护之间逐级配合技术要求

为保证电网保护的选择性，上、下级电网保护之间逐级配合应满足上、下级继电保护装置之间的整定，应遵循逐级配合的原则，满足选择性的要求，即当下一级线路货元件故障时，故障线路或元件的继电保护整定值必须在灵敏度和动作时间上均与上一级线路或元件的继电保护整定值相互配合，以保证电网发生故障时有选择性地切除故障。

因此重合器、分段器及变电站出线断路器整定配合的原则：阶段特性配合，同种故障类型的保护之间进行配合即相间保护和相间保护、接地保护和接地保护。

分段重合器保护定值应于与变电站出线断路器保护定值进行级差配合，保证分段重合器负荷侧线路发生故障，变电站出线断路器不动作，且重合器定值应整定为保护到整条线路的末端，与分段器实现配合；分段重合器重合次数设定为3次，且重合时间尽可能满足最长故障处理时间不大于 20s的原则进行整定，实现线路故障的快速处理。

智能分段器控制器的起动电流整定值应大于线路最大负荷电流的（1.2～1.5）倍，同时应与上级保护设备（重合器）定值进行级差配合，比上级保护设备定值小一个级差，起动电流应小于线路最小短路电流。

智能分段器控制器的复位时间整定值应比分段重合器重合时间及故障处理时间之和大一个级差，如重合器重合时间及故障处理时间为18s，则智能分段控制器的复位时间整定值应大于18s，可整定为20s。

智能分段控制器的记忆次数整定：主干线控制器一般整定为2、3次，分支线一般整定为1、2次，且分段控制器主干线之间，及主干线与分支线分段器控制器整定次数必须有级差配合，即上级保护分段器整定次数应比下级保护分段器整定次数多一次，否则线路故障时，会发生多台分段器同时分闸的保护配合失当事故发生。

4 结论

辽宁省在2008年10kV智能配电网馈线自动化改造中，采用了“电流记数型分段器+重合器”配合保护模式，利用分段器的记数和自动分段功能排除永久性故障，确保非故障线路的正常送电。对于瞬时故障，智能分段器能在规定的时间内进行记数和复位。分段器与智能重合器相配合，实现故障的线路故障的隔离，因此，电流记数型保护模式对智能重合器控制器的可靠性有较高的要求，需要具备3次重合闸功能，灵活的定值整定，便于与上、下级保护装置进行配合，且需具备良好的抗干扰性能，特别是与永磁重合器相配合，需要处理好永磁断路器分、合闸时发出的强烈干扰信号，不至于影响重合器控制器的正常工作。同时由于此种保护模式，线路任一段发生故障均会导致重合器动作，对永磁重合器本体的开端能力和使用寿命均有较高的要求。所以重合器成套装置及分段器成套装置的高可靠性是保证线路供电高可靠性和故障判别正确性的必要条件。此外，重合器控制器和分段器控制器可以通过光纤、FSK、GPRS、CDMA、GSM及以太网等通信方式与后台主站通信，实时监视配电设备和配电线路的状态，实现配电网络的动态管理，达到合理分配负荷、有效利用能源的目的。

[1]陈勇,海涛.电压型馈线自动化系统[J].电网技术,1999,23(7):31-33.

[2]范明天,张祖平.探讨国内实现配电自动化的一些基本问题[J].98配电网自动化分专委会论文集,1998.

[3]孙福杰,王刚军,李江林等.配电网馈线自动化故障处理模式的比较及优化[J].继电器,2001,29(8): 17-20.

[4]封连平,刘红伟.基于超级电容器直流储能系统的FTU控制技术的实现.2009年中国电机工程学会年会,2009.