10kV配电系统一体化快速断路器的研究

广西电网有限责任公司河池供电局 周愈鹏 程治真 陈天胜 王 琛 陈海学

对于传统的低压配电线路，采用过电流保护切除故障的方案，存在故障靠近电源侧其切除时间长，对系统影响大的缺点；采用三段式时限配合的电流保护，虽然线路中部分故障能实现快速切断，但其余部分故障还存在0.5s 或更长时间的延时。随着配电网的建设朝着复杂化发展，其供电半径逐渐扩大，上述两种方法均不能满足当前配电系统发展的需求，因此，配电线路的无通道保护方案孕育而生[1]。配电线路的无通道保护优点是断路器动作速度快、保护范围广，它是通过故障线路端断路器跳闸后，另一端断路器所感受的工频电气分量实现速动保护。

基于此，文中通过运用短路故障的快速识别技术，将该快速断路器与故障快速判别算法的保护技术相结合，设计了一种新型快速断路器设备，将其与无通道保护结合，让该快速断路器整体动作时间能够在小于10ms 的时间内完成故障隔离与恢复。运用于某地区10kV 配电线路中进行试验，试验结果证明断路器保护反应速度快、精确度高、可选择性地切除故障线路，实现了中压配网断路器多级精准配合和选择性，不会发生越级跳闸，使得故障区得以快速隔离，非故障供电线路不会停电，实现配电系统高速自愈，提高了供电可靠性。

1 无通道保护的原理和断路器的组成

1.1 保护原理

由于正、负、零序故障分量在线路发生不对称性故障时，可通过对称分量进行变换，在故障切除后，线路随即恢复对称运行状态，运用检测序分量的方法可判断线路是否对称运行，从而确定断路器的动作与否[2]。有多个电源供电的配电网系统，若某一支路发生故障时，需要切断两个断路器，但断开两个断路器存在时间差的问题，无通道保护可通过对端断路器动作的电气分量，运用算法算出正、负、零序分量的有效值，对有效值进行比较，判断线路的运行状态，从而识别线路的故障区域，加快本端断路器动作。

线路的运行状态方程式为RI=(S,+S,,)/S,式中S为正序分量的有效值；S,为零序分量的有效值；S,,为负序分量的有效值。当零序、负序分量的和值与正序分量存在某一差值时，判断线路发生了故障。文中所研究的一体式断路器是通过短路电流瞬时值和电流变化率作为判据，采用3取2的表决方式进行识别（图1）。

图1 短路故障的快速识别技术

1.2 断路器的组成

文中基于短路故障的快速识别技术设计了一种改进型的双稳永磁操作机构快速断路器（图2），其本体由高速吸力机构和真空灭弧室极柱组成，配备电磁式电流互感器；智能控制器核心单元及机箱、后备电源等与断路器本体集成一体化，无连接电缆；外置PT 为智能极速自愈断路器提供交流电源，小型化。可应用于馈线分段处、分支处、用户分界处，快速就地隔离故障点，不依赖任何通信手段，实现有选择性地快速保护和相继自愈控制，从而提高供电可靠性和电能质量；不需要架设专门的通道，就能实现通道保护的功能，更加经济可靠。

图2 双稳永磁操作机构快速断路器

2 工程运用及试验结果

2.1 工程运用

某地区配电网主要以35kV 作为主要的电压等级，通过变电站、线路构建了一个完备的35kV 网架，再通过降压变压器经由10kV 线路将电能输送至客户端。根据日常的运行经验，此供电方式存在35kV 线路仅承担输送电能的作用，沿途的负荷需降压后再通过10kV 线路接入，造成迂回供电的现象，不仅35kV 线路未能得到有效利用，同时耗费大量资源在相同区域重复架设10kV 线路，造成投资的浪费；同时该地区地处大石山区，人口密度较小，电网负荷分散，交通不方便。

10kV 系统供电半径大，10kV 线路分支较多，当10kV 线路某处或分支发生故障时，只能通过变电站出线断路器继电保护跳闸切除故障，由于无法精确判断故障点，运维人员巡线时间长、疲于抢修，特别是雷雨季节和节假日故障多，停电频繁、时间长，是用户投诉的重点，直接影响客户对供电的满意程度，为此选择在该地区南丹县10kV 新马线、东兰县香河线安装6台此型断路器作为试点。

2.2 试验结果

通过检测该型断路器的分闸动作时间、保护装置（FTU）故障判别时间与标准值对比，对其做出评价。通过4次手动分合闸试验，4次试验中A 相、B 相、C 相分闸动作时间平均值分别为7.875、5.550、7.725，小于标准值（10），全部合格。FTU 故障判别时间如表1，机构动作准确。从试验数据可看出：该型断路器分闸时间小于10ms,FTU 故障判别时间小于5ms，断路器动作时间加上FTU 故障判别时间远低于半波傅氏算法[3]25ms 的故障识别时间。

表1 FTU 故障判别时间

3 社会经济效益评估

该一体化快速断路器与无通道保护技术相结合，并优化故障判别的算法，让该快速断路器能够在10ms 的时间内完成故障隔离与恢复。由于其具备优秀的保护选择性、快速性，快速断路器的应用使配网通过保护定值整定实现上下多级精准配合具备了可行性，使整定时间不再受传统时间级差限制。最大限度地挖掘断路器高速动作潜能，具备了传统断路器不具备的快分快合优势。同时，本项目的研究与应用还让新型快速断路器实现了对线路中的各种负荷特性及暂态扰动有针对性的分析和仿真，在保证安全性和可靠性的前提下，实现了中压配网断路器多级精准选择性，使得故障区得以快速隔离，非故障区快速恢复。

经济效益：假设一条10kV 配电线路一年少停电20小时，每年可避免售电损失可按式W=×U×A×η×t×m×p×μ×n 计算，式中：W 为费用总数；U 为线电压，取10kV；A 为线电流，取10kV 线路为300A；η 为功率因数，取0.8；t 为停电时间，取20h；m 为线路回路数，10kV 线路取6回；P 为电能单价，取0.23元/kwh；μ 为线损率，95%。将数据带入上式评估测算，可知节省费用10.8万元。

社会效益：对于配电网尤其是地广人稀、交通不方便的农村电网来说，采用基于智能永磁快速断路器的配电自动化技术，将让配电网具备了精准切除故障区恢复非故障区正常供电，极大地缩小了停电范围、缩短了停电时间，很大地提高供电可靠性和供电水平，同时大大地节省了排查故障及故障抢修的人力和物力，产生了巨大的社会效益。

综上，基于短路故障的快速识别技术，设计了一种改进型的双稳永磁操作机构快速断路器。长期运行结果表明：保护装置越靠近电源处，效果越明显。可在城市和农村10kV 低压配电网中推广运用。