智能一体化电缆故障隔离装置研究

李树平

(国网黑龙江省电力有限公司，哈尔滨 150090)

随着用户对配电网供电可靠性的要求越来越高，减少故障停电对用户的影响、提高配电网供电可靠性是电力企业面临重要的课题。

目前，中国配电网电缆线路运行监控设备少、故障处理自动化水平低、恢复供电时间长，因此开发可靠的智能化电缆故障隔离装置、实现电缆网故障隔离和非故障设备快速恢复供电、缩小停电范围是保障配电网安全稳定运行的重要手段，对提高城市供电可靠性具有重要意义［1］。基于此，本文研制了智能一体化电缆故障隔离装置。

1 隔离装置工作原理

故障隔离是指通过打开故障区与网络其他部分关联的开关，把故障限定在最小的范围内［2］。目前，电缆故障隔离装置按控制方式主要有以下几种。

1.1 就地全断路器控制方式

就地全断路器控制方式隔离装置处理永久性故障的过程如图1所示。

正常运行情况下，联络开关HW在分闸状态，CB1、CB2、FD1～FD4在合闸状态。D1点故障后，CB1速断保护动作跳闸，FD1、FD2失压跳闸，CB1重合闸动作重合成功，FD1重合于故障点，FD1后加速动作跳闸，联络开关HW重合成功，FD2重合于故障，FD2后加速跳闸。通过以上8次动作，实现故障判断，切除了D1故障点，非故障设备恢复供电。采用这种方式最多只需一次重合闸，开关动作次数少，对系统及用户影响小。这种控制方式通过认定开关动作逻辑判断故障，开关控制器之间不需要通讯。此种方案缺点是装设的联络、分段开关设备皆为断路器，投资较大。

1.2 就地断路器加分段器的控制方式

就地断路器加分段器的控制方式隔离装置处理永久性故障过程如图2所示。

变电站出口断路器需要二次重合才能实现故障隔离。断路器频繁动作影响使用寿命，维护成本较高，对系统及用户影响比较大。由于使用了负荷开关，投资较少。

图1 全断路器就地控制故障处理过程Fig．1 Local control fault handling process of whole circuit breaker

图2 断路器+分段器就地控制故障处理过程Fig．2 Circuit breaker+sectionalizer local control fault handling process

1.3 远方集中控制方式

远方集中控制方式隔离装置要依靠通信支持实现全网控制。将断路器、变压器、开闭所终端设备(DTU)、馈线终端设备(FTU)、配变终端设备(TTU)集成为具有数据采集、传输和控制功能的智能化设备，并通过通信与主站结合，构成一个完整的馈线自动化系统。

采用这种方式的隔离装置，分段开关和联络开关只告警、不跳闸，用于向主站发信。配电网中发生故障时，故障信息上送至主站，由主站判断故障位置，遥控开关动作，将故障设备切除。这种方式对通信通道可靠性要求较高，当通讯通道故障时主站无法实现故障隔离，故障停电范围将扩大。要求通讯方式可靠，处理过程如图3所示。

图3 远方集中控制方式故障处理过程Fig．3 Far centralized control mode fault handling process

2 智能一体化电缆故障隔离系统的设计

2.1 控制方式研究

通过对当前3种电缆故障隔离装置控制方式的分析，提出了智能一体化控制方式，即有效结合就地、集中两种控制方式的优点，利用就地控制的优点弥补远方集中控制的缺点，使设备故障处理方式达到最优。其原理是:10 kV配电线路每台开关设备都安装智能 DTU、FTU，借助于通讯网络，各FTU相互通信监视其他设备运行状态，判故障性质、位置。在设备永久性故障时，直接跳开故障点两侧的断路器切除故障点，控制系统前的设计动作时间小于0.3 s，变电站出线保护延时设定要大于等于0.5 s，变电站的出线断路器不会动作。当故障点与上级通讯中断时系统自动闭锁，运行方式转变为就地分布式控制方式，从而解决了通讯可靠性对系统可靠性的影响问题［3］。

2.2 系统结构设计

本系统的结构按照智能一体化的控制方式进行设计，设计理念是一、二次一体化，控制装置与通讯一体化，其结构如图4所示。

图4 智能一体化电缆故障隔离设备结构示意图Fig．4 Integrated intelligent cable fault isolation device structure schematic program

系统借助通信系统实现网络化数据交换，数据传输效率高，保证故障处理时间小于0.3 s。故障测控装置采用紧凑型设计，高度集成，有效节约了安装空间，符合配电设备小型化的发展方向。开关设备选用永磁机构断路器，结构简单，可靠性高。电压互感器采用了电子式电压互感器，无磁饱和现象，抗电磁干扰能力强，无二次开路产生高压的危险，安全性好。操作电源采用高性能锂电池，由电流互感器提供电源为其充电，使用寿命长，可在－20～+60℃下运行。

充分考虑它的开放性和兼容性，其他厂商的二次终端设备以及主站只要规约相同都可接入。装置对一次开关设备具有自适应能力，经过装置的软件设定就可安装于负荷开关或断路器上，对已运行的配电网不需要对开关本体设备进行改造，加装电动机构即可适用于本系统。装置对通讯系统的适应能力较强，如配电载波、移动通讯GPRS、EPON光纤通讯等，无通讯方式的情况下，可改为就地控制方式。

2.3 系统主要技术特点

系统具有良好的选线与故障识别功能。目前10 kV配电网电缆采用过补偿经消弧线圈接地方式，此时故障线路上零序电流方向与正常线路相同，尤其是零序电流特别小时，给判别接地故障带来很大的困难。基于上述原因在国内首次提出故障突变量的比较作为辅助判据，并实时跟踪零序电流的方向来区分是母线还是分支线路，提高了判别方法的准确度。

采用通过电缆屏蔽层进行耦合的载波通讯方式，无需架设通讯线路。以智能控制装置为网络结点，利用配电线路固有的拓扑结构通讯来满足智能故障隔离系统需要。配电载波的耦合方式有2种:单相耦合和相间耦合，通过对2种通讯方式配电线路故障通信通道衰耗模拟试验和分析，相间耦合方式具有较高可靠性，完全可以应用于线路发生故障时的紧急控制。这种通信系统的最大优点是不需要建设通讯线路，只须安装终端设备，投资较少，适合于现有的配电系统建设和配电自动化。

2.4 系统实现的主要功能

智能一体化电缆故障隔离装置系统能在运行中监视配电系统运行工况，对系统发生的故障实时判断故障的性质及位置，自动切除故障，恢复非故障区域供电。在配电系统故障影响系统通讯时，装置立即由智能隔离转换为就地控制，通讯系统故障不影响配电系统故障隔离，适合于配电载波系统在配电网中的应用。

2.5 应用案例

智能一体化电缆故障隔离装置的开发建立在智能电网规约的基础上，符合国家电网公司智能电网建设标准，是典型的智能配电网应用系统。装置研制成功后，2011年在牡丹江部分配电网中投入使用，即在5台环网柜中的10台断路器中装设了智能一体化故障隔离装置，2012年11月投入运行，至今已运行近2 a。系统运行稳定可靠，数据准确，为电网安全和经济运行提供了有力保障。

3 结语

智能一体化电缆故障隔离装置的研制与应用实现了配电网电缆故障准确隔离，非故障设备快速恢复供电，缩小了停电范围。同时该装置在配电网中的使用，也保障了配电网安全稳定运行，提高了城市配电网的供电可靠性。

［1］洪波．配电系统故障隔离和恢复的几种方式及特点［J］．云南电力技术，2001(S1):30 32．HONG Bo．Some methods and characteristics of distribution system fault isolation and recovery［J］．Yunnan Electric Power Technology，2001，29:30 32．

［2］张小妹．基于配网GIS的故障隔离与恢复方法研究与实现［D］．武汉:华中科技大学，2009．ZHANG Xiaomei．Study and Implementation on fault isolation and restoration method based on distribution network GIS［D］．Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2009．

［3］罗朝伟，华芬，沈鸿彦，等．智能配电网络故障隔离技术研究与实现［J］．微计算机信息，2011，27(4):177 178．LUO Zhaowei，HUA Fen，SHEN Hongyan，et al．Study and implementation on intelligent distribution network fault isolation technology［J］．Micro Computer Information，2011，27(4):177-178．