10 kV自动更换式跌落熔断器控制系统的研究

吴远密，彭俊臻，许守东

（1.云南电网有限责任公司西双版纳供电局，云南 景洪 666100；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650000）

0 前言

熔断器通常用于电力系统，为变压器、电压互感器、电容器组、配电馈线等提供过流保护，保险丝价格使宜，使用方便，有多种形式。跌落式熔断器作为熔断器主要的一种类型，广泛应用于配网台区，跌落式熔断器在运维过程常见于熔丝故障熔断情况，其原因众多，行业内也有很多关预防及治理熔丝故障熔断的研究[1-4]。当电力系统发生接地、电磁谐振、过负荷等时熔断器的熔丝快速熔断，隔离故障、保护电力主设备。然而，这些故障大多数是瞬时故障，可自行恢复，但需要人工排查故障点、并停电更换熔丝才能恢复供电。为了解决这一重大问题，现研究一种自动更换式熔断器，能实远程一键熔断器分合闸、一键熔断器熔丝更换，能实现系统故障后装熔断器自动分合闸、自动更换熔丝备件，即系统故障自愈。

1 特性理论分析

1.1 熔丝特性

熔断器熔丝本质上是一种电流响应元件，当电流低于其额定电流值时，元件的温度保特隐定。如果流经该元件的电流高于某个阈值，则该元件将被加热、熔化并断开电路路径。熔断器熔丝在故障期间的操作本质上受到其熔断特性和电弧特性的控制，其熔断特性表明熔丝熔断时间与流经它的电流平方成反比。

其中T为熔丝熔断时间，I为流经熔丝的电流，k为熔丝材料特性系数。

熔断器熔丝融化热能值使熔丝融化，使熔丝熔断所需的最小热能值。

其中Q1指从熔体融化到飞弧开始瞬间所需的能量，Q2指飞弧开始瞬间到飞弧最终熄灭所需的能量。

熔断器的选择应根据使用环境和负载性质选择适当类型的熔断器，熔断器的额定电压必须大于或等于线路的额定电压，熔断器的额定电流必须等于或大于线路的额定电流，熔断器的分断能力应大于电路可能出现的最大短路电流，熔断器在电路中上、下两级的配合应有利于实现选择性保护，一般上一级熔断器的熔断时间应为下一级熔断器的3 倍以上。所配置的熔断器额定电流一般为所保护设备额定电流的1.5～2 倍[5-9]。以上熔丝特性作为本文熔断器仿真模型搭建的基础。

1.2 操作要求

低落熔断器一般配置在变压器高压侧，停电操作顺序一般为先拉开负荷侧的低压开关，再拉开电源侧的高压跌落式熔断器，送电顺序相反。按顺序停送电可以防止变压器反送电，减少冲击起动电流，减少电压波动，保证设备安全运行。也可以避免开关切断较大的电流量，减少操作过电压的幅值、次数。为确保人身、设备、电网安全，操作中应尽量避免带负荷拉合跌落式熔断器。

停电操作时，应先拉中间相，后拉两边相。送电时则先合两边相，后合中间相。原因主要是考虑到中相切断时的电流要小于边相，因而电弧小，对两边相无危险。操作边相跌落式熔断器时，电流较大，而此时中相已拉开，另两个跌落式熔断器相距较远，可防止电弧拉长造成相间短路。

电力配网系统中操作逐渐使用一些自动化控制方法来实现，配电网自动化方式也渐渐被推广运用，如通过FTU 控制配网真空断路器。而通信技术在配网自动化应用中尤为关键，一般分为有线通信技术和无线通信技术两种。而在实际使用中，无线方式较为简单、造价较低、持续能力比较强等，有线通方式工作效率比较高、抗外界干扰能力比较强等，但投资比较高。本文将通过自动更换式跌落熔断器控制系统的设计实现10 kV 配网自动化功能，弥补配网自动化空白[10-12]。本文的跌落熔断器控制系统设计在自动操作逻辑控制方面遵循以上操作要求。

2 控制系统的设计

装置控制系统设计如图1 所示，控制系统主要包括自动更换式跌落熔断器、视频摄像头、控制箱、远方控制电脑、低压电操空气开关等，其应用在变压器场景，具备远程人为控制操作、远程系统自动决策操作（自动重合）、就地一键电动操作、就地人工机械操作功能。

图1 控制系统设计

跌落熔断器自动控制操作逻辑要求三相熔断器独立、不联动，三相分合逻辑为停电先中后边，送电先边后中。变压器停电遵循先低后高、送电先高后低逻辑，即熔断器与低压侧空开形成逻辑控制。熔丝备件更换在跌落熔断器停电状态下进行，后台自动决策控制实现熔断器熔丝更换后自动重合。熔断器分合闸状态检测、熔丝状态检测、熔丝备件数量检测、传动能量电池检测等。系统通过物联卡对设备进行操作、监控，能较好的在户外、面广、分散的电网环境中应用。装置具备4 种操作模式，具备4 种基本功能，如表1 所示。

表1 自动更换式跌落熔断器控制功能设计表

控制系统通信模式如图2 所示，在传输信息过程中，采用的是MQTT 协议，实现了一对多，以及一对一通信方式，可以实现远程控制熔断器的功能。模块采用UART 接口实现MCU与模块的通信，并以AT 指令的方式配置模块的相应模式。

图2 控制系统通信模式

元件自检主要为运行熔断器熔丝及备用熔断器熔丝好坏的检测，自检原理如图3、图4 所示。

图3 运行熔丝状态监测模块逻辑示意图

图4 备件熔丝状态监测模块逻辑示意图

双确认指电气设备操作后位置检查以实际位置为准，无法现场直接确认位置的可以通过间接方式确认位置，间接方式确认位置至少有两个非同样原理或非同源的指示同时发生对应的位置变化，本文设计采用系统动作反馈和视频监控系统两个非同样原理来确认设备操作位置。同理，远程系统一样通过系统动作反馈和视频监控系统监测熔断器故障相的跌落情况。

当电网发生故障、谐振等导致高压侧自动更换式跌落熔断器熔丝熔断时，4 种模式下的操作逻辑是：断开低压侧空气开关，依序拉开高压跌落熔断器B 相、A 相、C 相，台变隔离故障。然后，自检哪相熔丝损坏需更换，等待延时1 分钟，跌落熔断器自动完成损坏相熔丝备件更换。等待延时1 分钟，依序合上高压跌落熔断器A 相、C 相、B 相，合上低压侧空气开关，若为瞬间故障则电网恢复正常运行，若为永久故障则熔断器再跌落，转为人工现场故障抢修处理。

3 电网故障中的应用仿真及分析

将自动更换式跌落熔断器整套系统应用于10 kV 配网台变中进行仿真分析，验证其控制系统设计的可行性。假设故障点设置在图5 所示位置处，搭建RTDS（即实时数字仿真系统）模型进行系统仿真，模型如图6 所示。Dyn11 型变压器低压侧A 相发生单相接地短路时高压侧熔断器电流监测如图7 所示，熔断器自动更换、重合成功后高压侧熔断器电流监测如图8 所示，熔断器自动更换、重合于故障后高压侧熔断器电流监测如图9 所示，熔断器熔丝熔断相自动更换、重合于故障时的电压、电流监测如图10、11 所示。

图5 配电网系统中应用故障等效图

图6 实时数字仿真系统仿真模型图

图7 故障时仿真系统仿真结果

图8 瞬间故障重合成功仿真结果

图9 永久故障重合不成功仿真结果

图10 重合于故障之后的电压波形

图11 重合于故障之后的电流波形

由仿真结果可知，A 相发生单相接地短路时，A 相存在故障电流、电压降为零，BC 相电流基本不变、电压基本不变。故障感应于高压侧后，A、B 相存在故障电流且A 相熔丝熔断，C 相电流基本不变。在初次故障和重合故障时熔断器熔断相存在故障电流和瞬间过电压。

在不对称短路时，使用对称分量法计算短路电流，将短路电流分为正序，负序，零序三部分，按照不同序电流在系统中流经的部分确定系统的各序阻抗，最后在利用短路点的边界条件将各序电路组合起来，计算出短路电流。Dyn-11 型变压器低压侧发生单相接地短路时，短路电流计算公式为：

其中Ua为A 相电压，为回路正序阻抗值，为回路负序阻抗值，为回路零序阻抗值。

根据自动更换式跌落熔断器装置在10 kV电网中仿真结果可知，其故障短路电流结果与不对称短路电流计算理论基本相符，验证了该装置控制系统设计在电网应用中可控、可行。

4 结束语

本文提出一种10 kV 自动更换式跌落熔断器控制方法，按照操作要求设置跌落熔断器系统自动操作逻辑，能自动实现瞬间故障、永久故障情况的隔离处理。装置的系统控制设计通过仿真验证可行，系统电流、电压在可控范围且与电力系统理论相符。自动更换式跌落熔断器在控制系统的支撑下实现远程、就地的电网故障处理，自动更换、重合功能可以自愈瞬间故障、自动隔离永久故障，实现了保护、控制、检修的元件最优化。自动更换式跌落熔断器装置系统可以快速保护变压器、快速恢复电网运行、明显隔离故障设备，能有效提高用户供电可靠性，降低企业运维成本。