基于永磁开关的配电网多级保护配置策略研究

刘合金，邵志敏，李建修，樊 迪，李树琥

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250003）

基于永磁开关的配电网多级保护配置策略研究

刘合金1，邵志敏1，李建修1，樊 迪1，李树琥2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250003）

为减少配网用户分支线故障导致整条线路停电的情况，针对配电线路上普通断路器分闸时间长与上级断路器难以进行保护配合的问题，提出基于永磁开关的配电网多级保护配置策略。分析永磁开关的操动机构及优点，阐述永磁开关在配电网中的适应性，并重点对多级保护配置中的两级级差和三级级差保护配置策略进行了论述。基于永磁开关的配电网多级保护配置策略的应用，能够有效地减少瞬时故障造成的短暂停电次数，提高配电网的供电可靠性。

配电网；永磁开关；多级保护配置；供电可靠性

0 引言

配电网是保证用户供电可靠性的末端环节，配电网中瞬时故障占大多数，是影响电能质量和供电可靠性的主要因素。目前，在我国配电网中，尤其是山东配电网，典型采用用户分界负荷开关或断路器来隔离用户故障，这些开关操动机构与线路出线断路器类似，同样采用弹操机构。当用户侧发生故障时，即使采用了分界断路器，也会因开关瞬时速断动作时间通常慢于变电站出线断路器动作时间，而无法形成级差配合，因此用户分支线故障经常导致整条线路停电。

近年来，永磁操动机构永磁断路器（以下简称永磁开关）开始在国内少量试点应用。永磁开关动作速度快，尤其是用户侧安装以后，用户故障确保不出门，既减少了线路停电，又减少了其他用户停电，同时保护了线路其他运行设备。但是，永磁开关技术作为一种新型开关技术，在山东配电网的应用目前仍处于空白状态。

基于永磁开关的配电网多级保护配合是解决上述问题的关键。本文分析了永磁开关的操动机构及优点，阐述了永磁开关在配电网中应用的可行性及配置策略等关键技术问题，为永磁开关在配电网中的应用提供参考。

1 永磁开关的操动机构及优点

1.1 永磁操动机构

永磁开关中永久磁铁、分合闸控制线圈、铁芯等部件共同组成了永磁操动机构，永磁磁铁用于实现断路器分合闸位置的保持。合闸操作时，合闸线圈通电，产生的磁拉力使动铁芯向下运动，然后永久磁铁将动铁芯保持在合闸位置；分闸操作时，分闸线圈通电，动铁心向反方向运动，永久磁铁将它保持在分闸位置。

永磁操动机构电磁系统结构如图1所示。由图1（a）可看出，当断路器处于分闸状态时，永久磁铁2形成的磁力线几乎全部穿过动铁芯1的上部，将动铁芯保持在上部，使断路器保持为分闸状态。当断路器合闸时，合闸线圈3先通电，其产生磁场的磁力线主要集中在动铁芯1的下部，并在上部抵消了永久磁铁2的磁力线。随着激磁电流的上升，动铁芯1下部的吸力逐渐增加，上部的吸力逐渐减弱，当下部吸力大于上部时，动铁芯1开始向下运动。图1（b）为动铁芯1移动之前磁力线的瞬时分布图。当动铁芯1到达终点位置时，位置传感器输出信号，切断线圈电流，此时永久磁铁2的磁场主要作用于动铁芯1的下部，其磁力线分布与图1（a）中的磁力线分布上下对称。

图1 永磁操动机构电磁系统结构

1.2 永磁开关的优点

通过两个线圈分别对断路器的分合闸操作进行控制，提高了机构的可靠性。采用全新的磁路设计，增大了断路器分合闸的保持力，减小了分合闸对线圈电流的要求，降低了能耗。操动机构的下部基座有联动轴，可保证断路器分合闸操作的三相同期性。操动机构的机械寿命长，可达到10万次，相比常规操动机构断路器，机械寿命至少提高3倍以上。操动机构通过动铁芯与主轴传动拐臂相连，直接驱动动触头，简化了传动链，减少了故障源。

2 永磁开关在配电网中应用的可行性

2.1 永磁操动机构的可行性

目前，永磁操动机构中永磁体主要成分是钕铁硼稀土材料。一方面，钕铁硼永磁体的特点是受到120℃以上高温、强烈机械冲击或反向磁场作用时可能会部分或全部退磁。一般情况下，永磁开关操动机构不会出现120℃以上的高温；而且试验证明，永磁操动机构中的机械冲击对钕铁硼永磁体来说是可以承受的。另一方面，由于自然劣化的因素，永磁体的磁性能会随着时间的推移逐渐减弱，但实践证明，在永磁开关20年的寿命期间，钕铁硼自然劣化不会超过1%，因此，自然劣化一般不会影响永磁操动机构的正常动作。

综上所述，永磁操动机构中永磁体的问题不会影响其在永磁开关中的应用。

2.2 永磁开关在配电网中的应用

根据山东配电自动化系统中故障处理记录数据统计，配电网中超过80%的故障发生在分支线或用户侧的架空部分。现有配电自动化系统能够迅速切除故障，恢复健全部分供电而不造成短暂停电，但是由于目前配电网中馈线断路器大多数为弹簧储能或电磁操动机构，机械动作时间较长，一般为30～40ms，其熄弧时间为10ms左右，加上开关固有的保护响应时间为30ms左右，而变电站10 kV出线开关的保护动作延时一般为200～300ms，且由于城市配电网级联开关数较多、供电半径较短等特点，配电网继电保护配合很困难，假如能够缩短开关机械动作时间，能够对配电网继电保护配合提供很大的帮助。

永磁开关中，永磁操动机构和无触点驱动技术能够使其动作时间显著缩短。永磁操动机构的动作分闸时间可达到10ms左右；无触点驱动电路分合闸延时时间可小于1ms；快速保护算法的故障判断时间在10ms左右。采用上述技术的断路器可以在30ms内将故障电流切除，而变电站内10 kV母线进线开关的过流保护动作时间最小设置为0.5 s，因此，配电网中采用永磁开关至少可以实现三级级差保护配合而不影响上级保护配合。

由此可见，永磁开关对于配电网继电保护配合的实现至关重要，继电保护配合能够有效地减少瞬时故障造成的短暂停电次数，提高配电网的供电可靠性。

3 配电网多级保护配置策略

3.1 两级级差保护配置

配电网两级级差保护配合指的是变电站出线开关与用户分界开关或分支线路开关的配合，主干馈线开关仍可全部采用负荷开关，用户或分支线路开关采用永磁开关，变电站10 kV出线开关采用普通断路器。两级级差保护配置如图2所示。

两级级差保护配置的原则是：用户分界开关或分支线路开关的保护动作延时设定为0 s；变电站10 kV出线断路器保护动作延时设定为200～250ms。

图2（a）中，用户分界开关与开关变电站10 kV出线开关形成三级级差保护，其中用户分界开关B1、B2是永磁开关，保护动作延时设定为 0 s；变电站10 kV出线开关S1保护动作延时设定为250～300ms。采用这种配置策略时，用户线路故障时不会引起整条线路跳闸。

图2（b）中，馈线分支开关与开关变电站10 kV出线开关形成三级级差保护，其中馈线分支开关A5、A6、A7是永磁开关，保护动作延时设定为0 s；变电站10 kV出线开关S1保护动作延时设定为250～300ms。采用这种配置策略时，分支线路故障时不会引起整条线路跳闸。

采用两级级差保护配置策略具有以下优点：用户或分支线路发生故障后，相应用户或分支线路断路器先跳闸，而变电站10 kV出线开关不跳闸，不会造成全线停电；不会发生多级开关跳闸或越级跳闸的现象，故障处理过程简单，瞬时故障恢复时间短；主干线全部采用负荷开关，只需将用户或分支线路开关更换为永磁开关，大大降低了工程造价。

结合山东电网实际，永磁开关的应用初期可先采用两级级差保护配置策略，根据应用效果进一步优化保护配置策略。

3.2 三级级差保护配置

基于永磁开关的三级级差保护相对两级级差保护对线路故障的保护范围更广，能够进一步减少整条线路的故障跳闸次数，三级级差保护典型配置一般有以下几种。

用户分界开关、馈线分支开关与开关变电站10 kV出线开关形成三级级差保护，如图3（a）所示。其中用户分界开关B1～B4是永磁开关，保护动作延时设定为0 s；馈线分支开关 A4、A5是永磁开关，保护动作延时设定为100～150ms；变电站10 kV出线开关S1保护动作延时设定为250～300ms。采用这种配置策略时，用户和分支线路故障均不会引起整条线路跳闸。

馈线分支开关、馈线分段开关与变电站10 kV出线开关形成三级级差保护，如图 3（b）所示。其中馈线分支开关 A5～A7为永磁开关，保护动作延时设定为0 s；馈线分段开关A2为永磁开关，保护动作延时设定为100～150ms；变电站10 kV出线开关保护动作延时设定为250～300ms。采用这种配置策略时，分支线路和主干线分段开关后面的线路故障均不会引起整条线路跳闸。

环网柜出线开关、中间某一环网柜进线开关与变电站10 kV出线开关形成三级级差保护，如图 3（c）所示。其中环网柜出线开关 B1～B12保护动作延时时间设定为0 s；中间环网柜进线开关A4为永磁开关，保护动作延时设定为 100～150ms；变电站10 kV出线开关保护动作延时设定为250～300ms。采用这种配置策略时，环网柜出线开关和采用永磁开关的环网柜进线开关后面的线路故障均不会引起整条线路跳闸。

图3三级级差保护典型配置

4 结语

对永磁开关的操动机构及在配电网中的应用进行探讨，提出了基于永磁开关的多级保护配置策略，在不改变变电站出线开关配置的前提下，可实现长线路或用户分支线短路故障的就地隔离，提高配电网供电可靠性。下一步，将结合实际工作，加强永磁开关在山东配电网中的试点应用，进一步减少配电网中瞬时故障导致的短暂停电次数，提高配电网供电可靠性。

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Research on M ultistage Protection Configuration Strategy of Electrical Distribution Network Based on Permanent M agnet Sw itch

LIU Hejin1，SHAO Zhimin1，LIJianxiu1，FAN Di1，LIShuhu2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

In order to reduce the occurrence of the whole line outages caused by the user branch failure of the distribution network,a multi-stage protection configuration strategy of the distribution network based on permanent magnetic switch is proposed,aiming at solving themain cause to this problem,which is the circuit breaker slow fault-free action and the difficulty of cooperation between the superior circuitbreaker and the branch circuit breaker.The operatingmechanism and advantages of permanentmagnetic switch are analyzed.The adaptability of permanentmagnet switches in the electrical distribution network is elucidated.The two-level-differential protection and the three-level-differential protection configuration strategies ofmultistage protection configuration are mainly discussed.The application of the multistage protection configuration strategy of the distribution network based on permanentmagnetic switch can effectively decrease the number of the temporary power outage caused by transient fault and improve the power supply reliability of the distribution network.

electrical distribution network；permanent magnet switch；multistage protection configuration；power supply reliability

TM561

A

1007－9904（2017）06－0022－04

2016－12－06

刘合金（1986），男，工程师，主要从事配电运检工作；邵志敏（1984），男，工程师，主要从事配电自动化工作；李建修（1985），男，工程师，主要从事配电运检工作；樊 迪（1989），男，工程师，主要从事配电设备检测工作；李树琥（1986），男，主要从事配电设备调试工作。