城市电网故障快速复电的自愈模式

郭上华

（珠海许继电气有限公司，广东 珠海 519060）

近年来我国经济快速增长，一方面各项经济指标的实现对城市电网安全稳定运行和优质服务水平提出了更高要求，另一方面市政施工、设备安装、设备老化和气候影响等对电网供电线路间歇性破坏也在加剧。为了减少用户停电时间，提升第三方客户满意度，以提高城市配电网快速复电为目标的故障快速复电工作机制被提上议程。

城市电网故障快速复电工作机制，主要是优化配网故障复电管理模式和业务流程，以营配一体化平台为支撑，以馈线自动化和配电自动化为手段，提高配电网监控水平，做到故障快速报告、快速诊断、快速定位、快速隔离、快速修复和快速沟通。然而，故障快速复电采用何种自愈模式实现，即是一个技术问题，也是一个经济问题，要考虑配电系统的各种运行情况、供电可靠性要求、故障处理时效性、对继电保护的技术要求、设备投资等，是一项系统工程，有必要进行研究。

1 10kV配电线路故障分析

我国城市电网按区域可分为城市中心区、一般城区或城乡结合部、城镇及远郊区等3个级别。城市中心区以电缆线路为主，城镇及远郊区以架空线路为主，而一般城区或城乡结合部既有电缆线路、架空线路，还有架空电缆混合线路。为查找影响配网故障快速复电的主要原因，南方某省电力公司2009年组织对管辖的9个地市局三个级别区域进行全面收资，深入统计和分析 2009年以来的故障类型、故障设备、复电时间等信息数据。如图1和图2所示，10kV配电网的故障数量、故障类型与故障位置密切相关，架空线路及其配套设备故障发生频次远远大于其他类型，特别是用户架空线路及其配套设备。

图1 故障数量与故障位置关系图

图2 故障类型与故障位置关系图

故障复电可分为五个阶段，即故障报告、急修人员到位、故障定位、故障隔离和故障修复，所用时间也不相同。如图3和图4所示，故障复电时间与故障位置和类型密切相关，一是 10kV中压故障平均修复时间远远大于低压故障修复时间，二是故障定位、故障隔离和故障修复的时间所占比例较大，远远大于故障报告和急修人员到位时间。

2 故障快速复电自愈模式建设思路

城市电网故障快速复电的自愈模式建设，就是解决 10kV配电网故障快速定位、隔离和非故障区段快速复电的技术手段问题，重点是 10kV架空线路和架空电缆混合线路，实现故障线路的知停电、少停电和防停电。

图3 中低压故障平均复电时间

图4 中压故障复电各阶段所用时间

2.1 知停电自愈模式建设思路

要实现故障快速复电，首先需提高配电线路及设备的自动化监测水平，解决“故障点在哪”问题，也就是知停电自愈模式建设。知停电自愈模式建设包括两个方面，如图5所示，一是在10kV配电线路上布置“千里眼”智能终端或智能设备，实现对配电线路运行情况进行监测，在发生故障情况下能准确发送故障信息、停电信息给局端故障定位系统。二是在局端建设故障定位系统，将变电站 10kV馈出线开关的变位信息和保护动作信息、10kV馈线分段开关与分界开关的变位信息和保护动作信息均接入该系统，实现“故障点在哪”的半自动或人工快速定位和隔离。

在有条件的大中型城市或城市核心地区，可建设配电自动化系统取代故障定位系统，打通自动化系统和配电生产运营指挥系统之间的信息传递，通过“站—线—变—户”拓扑关系，实现在GIS图上“故障点在哪”自动快速定位、故障自动隔离和非故障区域自动恢复送电。

图5 配网故障知停电建设示意图

图6 配网故障少停电和防停电建设示意图

2.2 少停电自愈模式建设思路

少停电自愈模式建设，主要是解决“故障停电范围和停电时间最小化”问题。按照 10kV馈线分段原则，在馈线线路上合理安装带自动化功能的智能分段开关、分支线开关，减少每一段线路用户数，缩小停电影响范围，实现供电线路小区间化，如图6所示。分段点智能分段开关，可选择就地智能自愈方式自动检出和隔离故障点，也可选择集中自愈方式检出和隔离故障点，而联络点智能分段开关，由于需承担转供电角色，尽可能实现远方遥控以快速复电。

2.3 防停电自愈模式建设思路

防停电自愈模式建设，顾名思义是预防停电的自愈模式建设。

首先，分支线路加强分支分界开关、用户分界开关建设，提高支线和用户故障时拦截能力。用户线路是故障频发区域，故障发生后容易扩大停电范围，造成责任纠纷。若能在分支线路、用户线路 T接处（责任分界点）实现支线故障、用户出门故障的快速拦截，如图7所示，防止某一用户故障引起主干线及相邻用户停电，将有效地减少站内出线开关故障跳闸率，缩小停电范围。

其次，主干线路加快环网线路的建设，提高配电线路故障时转供电能力，图7为采用三分段三连接供电方式来提高故障转供电能力。在有条件地区，具备合环转电条件的线路可推广应用合环转电技术。

图7 三分段三连接供电方式图

3 主干、分支、用户故障就地智能处理

10kV架空线路和架空电缆混合线路更多位于城镇及远郊区，要实现故障线路的快速复电，综合投资少、见效快、易实施、免维护等因素，最佳解决方案为就地智能馈线自动化。图1中包含典型的城市电网 10kV供电线路网架结构图，下面分别就主干线路、分支线路和T接用户线路，研究其故障就地智能处理的建设模式。

3.1 主干线故障智能隔离

主干线路故障就地智能处理的目标是实现知停电和少停电，可选用电压时间型自动化分段负荷开关。当线路发生短路故障时，变电站出线开关保护跳闸，通过变电站出线开关的重合闸和线路上分段开关电压时间的逻辑时序配合，完成主干线路短路故障的隔离和非故障区间恢复送电。当线路发生单相接地故障时[1]，变电站接地选线装置选出故障线路，通过手动拉合站内出线开关和线路上分段开关电压时间的逻辑时序配合，完成主干线接地故障的隔离和非故障区间恢复送电。

3.2 分支线故障智能拦截

分支线路故障就地智能处理的目标是实现知停电、少停电和防停电，可在分支线首端设置分支分界点，选用分支分界断路器智能设备，防主干线停电。当分支线发生短路故障时，依靠分支分界断路器与变电站出线开关的保护级差配合，抢先于变电站出线开关跳闸，自动拦截分支线路的短路故障，有效减少变电站出线开关跳闸率。对于线路较长的分支线路，可合理设置电压-时间型自动化分段开关，实现分支线路少停电，其动作原理和主干线分段开关类似。

当分支线发生接地故障时，如果是小电阻接地系统，与分支分界断路器拦截短路故障处理方式类似，如果是消弧线圈接地系统，与主干线自动隔离单相接地故障的处理方式类似。

3.3 用户线故障分界不出门

用户线路故障就地智能处理的目标是实现知停电和防停电，可在用户T接点选用用户分界开关智能设备“看门狗”，故障不出门，防主干线和相邻用户停电[2]。加装看门狗的用户线路，当用户侧发生故障时，看门狗可自动切除用户侧接地故障和自动隔离用户侧短路故障。如图8所示，用户分界开关利用故障发生时界内与界外明显的故障电流差来判别和定位故障点，该方式故障检出隔离原理适合于中性点经小电阻、消弧线圈和不接地系统。对于消弧线圈接地系统的长电缆线路，可结合五次谐波和间断角等方式进行接地故障检出。

图8 分界开关故障检出隔离原理

4 智能设备的选型与布点

主干、分支、用户故障的就地智能处理，离不开智能设备的合理选型与布点，既要能实现故障快速复电，也不能增加安装调试和运行维护工作量。

4.1 智能设备选型

智能设备的选型，除考虑其智能化功能外，应重点关注一二次设备之间的接口问题。一是国内馈线开关种类繁多，虽可按国家及行业标准规定型式大类及耐压、开断、操作电源等主要技术要求，但对操作功耗、储能过程方式、接口规范等与一二次配套相关的重要环节的细节技术要求难以从标准中进行统一。二是不同厂家的技术水平和制造能力差异较大，造成配网工程中接口问题众多。三是电力公司目前缺乏对接口和过程参数的质量验证手段和机制，且需要额外增加较大的投入。因此，选择免维护、免调试智能成套设备避免了因接口而引发的诸多问题，可以在工厂内调试，现场不产生多余的停电次数和停电时间。

智能设备的选型还需考虑后备电源，由于蓄电池受高低温环境影响一般寿命3～5年，若后备电源主要用于实现开关分闸操作和掉电后故障信息、开关动作信息上传，建议选择免维护超级电容，在线路掉电后可维持10min左右运行时间，也可长期适应恶劣高低温环境。

4.2 智能设备布点

主干线和分支线分段点智能设备，应综合长度相近、负荷相近、用户数相近的原则，并结合线路实际情况进行合理分段布点。分支分界点智能设备，应选择运行负荷较大、故障率较高的公网大分支线路首端布点，作为隔离支线故障用。用户线智能设备，应选择线路长、设备老旧、故障频繁的用户线路或运行负荷较大、故障率高的公网小分支线路 T接点安装。

5 故障快速复电自愈模式工程实践

中山供电局10kV配电线路采用中性点经消弧线圈接地系统，城镇以架空线路为主，雷击瞬时性故障较多，单相接地故障为主。2008年9月，中山局提出了以提高站内出线开关重合成功率、快速隔离故障点、躲避瞬时性故障、缩短故障停电范围的馈线自动化建设思路，经过技术论证和筛选比较，最终选择主干线建设电压时间型和分支线建设分界开关型的馈线自动化自愈模式，并先后在16个镇区实施。

如图9所示，主干线路安装电压时间型智能设备FS作为分段开关，配套三相-零序组合式电压互感器，通过变电站出线开关CB的重合闸和线路上分段开关FS电压时间的逻辑时序配合，完成主干线路短路故障的隔离和非故障区间恢复送电，通过变电站接地选线装置、手动拉合CB和线路上分段开关FS电压时间的逻辑时序配合，完成主干线接地故障的隔离和非故障区间恢复送电。分支/用户线T接位置安装带重合闸功能的分界开关智能设备PS，快速隔离用户侧短路故障和切除用户侧接地故障，躲避用户侧瞬时故障，避免波及主干线路及相邻用户。通信层采用GPRS无线通信，第一时间上报线路故障信息和停电信息。主站系统层建设配电自动化系统，实现拓扑分析与数据解析，及时短信自动通报给一线运行维护人员，快速故障定位和指挥复电。

图9 中山10kV供电线路示意图

中山市16个镇区已投运超过3000套电压时间型智能设备和大量分界开关智能设备，运行可靠，已多次成功隔离故障，如神湾供电公司已有 4次成功记录，可准确检测并成功定位故障，隔离准确率83%；故障段定位平均时间从投运前 2.2h缩短到投运后的0.5h内，整体有效地提高了供电可靠性。

6 结论

城市电网故障快速复电的自愈模式建设，即是技术问题，也是经济问题。本文综合技术、经济等因素，从实用化角度出发，针对故障频次较高的架空线路和架空电缆混合线路如何实现快速复电，提出了围绕主干线、分支线和用户线分别进行知停电、少停电、防停电的自愈模式建设思路，并对就地智能馈线自动化智能设备的选型和布点进行总结与思考。工程实践表明，文中提出的知停电、少停电、防停电的就地智能自愈模式，是实现城市电网故障快速复电行之有效的馈线自动化技术手段，具有投资少、见效快、易实施、免维护的特点，有很好的推广价值。

[1]郭上华,肖武勇,陈勇等. 一种实用的馈线单相接地故障区段定位与隔离方法[J]. 电力系统自动化,2005,29(19):79-81.

[2]杨绍军. 基于智能开关设备的配电网线路自动化技术[J]. 电力设备,2007,8(12):6-9.