10 kV配电网快速切断故障分支的研究

梁华钦

广西电网有限责任公司钦州供电局，广西 钦州 535000

0 引言

目前，地方电网正在建设配电网自动化系统，根据配电网安全可靠性、配电网系统结构和系统本身现有条件的要求，可选择不同的故障处理方式、终端配置和通信方式，以提高供电的稳定性和供电质量。传统的配电自动化有电压-时间型和电压-电流型，其中，电压-时间型配电自动化在发生故障时只能将配电系统的开关先全部跳开停电，再通过变电站出线开关的二次重合功能再重合再跳开隔离故障区，让一些非故障供电区域采用“先停后供”的原则，同时二次重合让整个配电系统再次受故障冲击，影响稳定性，使开关设备多受一次故障冲击降低使用寿命[1]。

由于传统开关速度和保护动作的影响，当前配电网自动化的时差保护达到150 ms。配电网自动化开关的保护不应与变电站输出开关形成多级协调和选择性，在发生故障时，往往同时运行至多个级别或绕过该级别，无法精准隔离故障区域或扩大停电区域，不能直观有效发挥配电自动化的作用，导致配电网的安全可靠性受到一定限制[2]。目前，兼备高速自动自愈功能的配电自动化主要是体现在集中控制类型的配电自动化，但是集中控制类型的配电自动化往往都是依赖通信来执行主操作台的集中分配，并基于无线通信和以太网通信执行配电自动化。这在很大程度上要取决于通信质量，具有如下问题：投建光纤通信成本高，只能在一些有条件的城镇地区达到，而非光纤通信反应时间较慢；在通信网出现故障时，将可能导致配电自动化系统瘫痪或崩溃；广泛普及通信设施及运维耗资量较大。

1 基于永磁双稳态机构的开关智能化集成

文章基于永磁双稳态原理，建立了一套独有的双稳态永磁高速机构，能够在3 ms内断开开关，将其与无通道保护相结合，并优化算法进行故障排除，可在20 ms内完成分离和故障修复。由于兼备保护的选择性和速断性，且分段开关不会越级跳闸，故障点上端供电电源没有断开，因此供电电源的安全可靠性得到大幅提升[3]。

永磁双稳态真空断路器可以取代传统的ZW32和ZW20型号的普通断路器，该真空断路器可以从根本上解决普通断路器动作慢、隔离快、故障后恢复快的问题，最大限度地保证用户的人身和财产安全，主要用于城乡配电网，可以确保配电线路支路故障后的高速自愈能力和恢复非故障区域供电的可靠性。

2 无通道保护和高速自愈断路器概述

2.1 无通道保护原理

配电线路无通道保护是一种基于SDH传输机制的保护，其原理简单，易于实现，目前主要与现有的时限过流保护配合使用。利用线路故障跳闸后故障线路一端的断路器感接收电压差的变化，可以提高保护动作灵敏性，加速故障分支切除时间。在继电器离供电电源越近位置，反应效果越明显。其不需要设置专门的通道，可以实现通道保护功能，更经济可靠。

2.2 高速自愈断路器本体

高速自愈断路器由高速磁力机构真空断路器、智能控制器和外置储能PT三部分组成。真空断路器本体又由高速磁力机构和真空灭弧室极柱组成；智能控制器核心单元及机箱、后备电源等与开关本体集成一体化，无连接电缆；外置储能PT为智能极速自愈开关提供微型交流电源，必要时可以加装户外隔离开关上，此外开关本体与隔离开关具有可靠的机械联锁装置。高速自愈断路器性能技术规范如表1所示。

表1 高速自愈断路器性能技术规范

高速自愈断路器具体功能如下。

（1）开关本体构造采用三相立柱结构和座式安装方式，具有分断性能稳定可靠、无燃烧爆炸危险、安全可靠性高、体积小、重量轻、使用寿命长、免维护的特点。电力变压器（电压PT）可与开关并排放置或置于开关上方。

（2）开关具有手动、电动分合闸功能，内置Wi-Fi通信模块可以执行就近遥控分合闸和远端通信控制分合闸。同时，可以通过智能移动终端配置保护功能和修改保护定值及整定。

（3）内置专有无通道保护算法及自愈控制软件模块，快速有选择保护跳闸隔离故障和恢复非故障区段供电，实现配网高级自愈。

（4）操作机构采用高速电磁吸力机构，该机构基于电磁感应原理，通过线圈产生的吸力作用直接驱动真空灭弧室运动到相应的位置，并利用高性能永磁体所提供的磁场能量，使之保持在极限位置。

（5）高速磁力直动式操动机构省去了传统机构易损的储能、锁扣等机械装置，可以大幅提高操动机构的可靠性和使用期限。

（6）采用专用电容器作为工作电源，避免了辅助电流波动对机构有效性能的影响。具有优异性能的斥力式工作机构通常可以长时间工作，使用寿命为10万余次，真正达到永久免维护。

3 智能高速断路器在配电网中的应用

高速自愈开关分别安装于用户侧、母线段、出线分段处。若是瞬时性故障自动避开恢复非故障区域供电；若是永久性故障执行再次跳闸。线路短路故障高速自愈开关原理演示图如图1所示。在配电网支路发生相间或短路故障时，智能高速自愈开关有选择性地快速切除故障并隔离故障、快速恢复非故障段供电；对于对称故障，先瞬时无选择性地隔离故障再逐一重合，确认故障区域、并恢复非故障区供电；在线路发生单相短路故障时，智能高速开关内置零序互感器感受故障电流差后快速有选择切除故障。

图1 线路短路故障高速自愈开关原理演示图

3.1 安装于用户侧

当用户侧发生故障时，智能高速开关感受到故障电流，在10 ms内切除故障，保证配电主干网的正常供电，变电站出口保护及主干线、分支线保护不会动作，不影响上述区域正常连续供电，快速切除故障不会引起电压波动。

3.2 安装于母线分段处

智能高速开关作为分段开关时，为了保证保护动作的选择性，高速开关的保护应与其他分段开关进行阶梯时间配合，按照相继动作原理快速选择性切除故障；变电站出线保护无须任何改动。同时，无须借助通信手段实现主干线故障就地快速隔离和转供电，事后由配网主站控制高速开关实现负荷分配优化。

3.3 安装于出线分段处

当出线断路器下端发生故障时，智能高速开关感受到故障电流，先于上端分段断路器动作跳闸切除故障，保证配电主干网的正常供电，变电站出口保护、分段保护返回，不会动作，出线还可以再分段，按阶梯可增加2级保护。

4 结束语

10 kV配电网应用无通道配电自动化自愈技术的综合高速智能开关，基于开关高性能技术指标，即故障隔离时间小于80 ms，能量恢复时间小于1 s，降压时间小于0，速断保护动作时间小于2 ms，整个保护组和速断开关动作时间小于5 ms，可以高速切除配电网线路分支故障和快速自动自愈恢复供电，实现一种先进的无缝自愈技术。这种配电自动化自愈综合高速智能开关仅利用单端信息，无须通信，可以快速、有选择性切断10 kV配电网故障分支；集成备用电源自动投入及重合闸功能，并快速恢复非故障区域供电，具有一定的推广使用价值。