12 kV用戶分界開關(guān)在河北省南部電網(wǎng)的應(yīng)用及問題分析

景 皓，龐先海，張智遠，馬天祥

(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021)

2017-04-18

景 皓(1983-)，女，高級工程師，主要從事配電網(wǎng)設(shè)備試驗及技術(shù)監(jiān)督工作。

12 kV用戶分界開關(guān)在河北省南部電網(wǎng)的應(yīng)用及問題分析

景 皓1，龐先海1，張智遠2，馬天祥1

(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021)

介紹12 kV用戶分界開關(guān)在河北省南部電網(wǎng)的應(yīng)用情況及存在的問題，詳細分析不同中性點接地方式下保護定值的設(shè)置情況，針對單相故障保護定值設(shè)置、相間短路保護定值設(shè)置、設(shè)備選型和設(shè)備質(zhì)量管控等提出具體的處理措施。

配電網(wǎng)；用戶分界開關(guān)；保護定值

12 kV高壓交流自動用戶分界開關(guān)(簡稱“用戶分界開關(guān)”)因其智能化程度高、能夠快速準(zhǔn)確隔離故障點而在配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。然而，配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一個開閉所或變電站往往帶有多條配電線路，一條配電線路可能帶有多個用戶負荷，這為用戶分界開關(guān)正確動作增加了難度[1-2]。如果用戶分界開關(guān)無法正確隔離(切除)單相接地或相間故障，將擴大故障范圍，影響非故障區(qū)段用戶的正常用電。因此，積極發(fā)現(xiàn)并處理用戶分界開關(guān)在配電網(wǎng)應(yīng)用中存在的問題，確保用戶分界開關(guān)正確動作，對于提高電網(wǎng)供電可靠性具有重要意義。

1 用戶分界開關(guān)功能及結(jié)構(gòu)

用戶分界開關(guān)可分為分界負荷開關(guān)和分界斷路器，分界負荷開關(guān)具有一定的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定能力，能夠開斷負荷電流和因單相接地故障產(chǎn)生的接地電流，不能開斷相間短路電流，但能夠在電源側(cè)斷路器跳閘停電后實現(xiàn)分閘，以隔離故障點。分界斷路器一般可設(shè)置單相接地保護動作跳閘功能，也可設(shè)置速斷保護和過流保護跳閘功能，即能夠開斷負荷電流、單相接地故障電流和相間短路電流[3]。

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)柱上開關(guān)比較，用戶分界開關(guān)在功能上具有較多特點：可實現(xiàn)自動切除單相接地故障，避免對變電站及饋線上的其他分支用戶造成影響；可自動隔離或切除相間短路故障，快速定位故障點；可監(jiān)控用戶負荷，實現(xiàn)對用戶負荷的遠方實時數(shù)據(jù)監(jiān)控；可實現(xiàn)遠方操作功能，通過手機短信或計算機后臺方式操作用戶分界開關(guān)分合閘[1-3]。

用戶分界開關(guān)主要包括開關(guān)本體、控制器、內(nèi)置零序電流互感器、線路電流互感器和電壓互感器等元件。開關(guān)本體可分為負荷開關(guān)和斷路器2種，控制器實現(xiàn)微機信號采樣及保護控制功能。

2 用戶分界開關(guān)的應(yīng)用情況

截至2017年3月，用戶分界開關(guān)在河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)共安裝625臺，主要分布在滄州、保定、邢臺和石家莊配電網(wǎng)，其中裝有手機卡實現(xiàn)“四遙”功能的開關(guān)有35臺。用戶分界開關(guān)主要安裝點為10 kV線路分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)，10 kV分支線路與主線路連接點，用戶與公司設(shè)備的產(chǎn)權(quán)分界點等。

從運行狀況看，河北南網(wǎng)用戶分界開關(guān)跳閘記錄44次正確動作，其中開斷相間短路故障18次，單相接地故障26次，按故障原因分類，用戶變壓器故障10次，電纜故障6次，支撐瓷瓶故障4次，架空線路故障20次，其他設(shè)備故障4次；誤動7次，包括無故障誤動作4次，區(qū)外故障判斷錯誤動作3次；拒動3次，均為區(qū)內(nèi)故障用戶分界開關(guān)未動作。從使用效果看，目前正常使用用戶分界開關(guān)547臺，50臺未設(shè)置接地保護動作跳閘功能，僅投入短路和過流跳閘功能；28臺用戶分界開關(guān)因其誤動率高將其二次保護搭死處理，設(shè)備不具備開斷功能。

由運行情況可見，用戶分界開關(guān)不正確動作(誤動或拒動)比重高達18.5%，正確動作率明顯偏低。分析用戶分界開關(guān)誤動或拒動原因可知，保護定值設(shè)置存在問題是用戶分界開關(guān)誤動作的主要原因，設(shè)備選型存在問題和設(shè)備質(zhì)量問題是次要原因。

3 保護定值設(shè)置問題分析

3.1 中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障

對于中性點不接地系統(tǒng)，發(fā)生用戶區(qū)內(nèi)單相接地故障時電路原理如圖1所示。

圖1 中性點不接地系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障原理示意

接地故障點處的電流可由公式(1)計算

I0=I01+I02

(1)

式中：I01為單相接地故障時電源側(cè)零序電流；I02為單相接地故障時負荷側(cè)零序電流。I01、I02計算公式如式(2)、(3)所示。

I01=3ωU0C1

(2)

I02=3ωU0C2

(3)

式中：C1為電源側(cè)(用戶區(qū)外)線路的相對地電容值的總和；C2為負荷側(cè)(用戶區(qū)內(nèi))線路的相對地電容值的總和；U2為電源相電壓；ω為頻率。

一般電源側(cè)線路相比負荷側(cè)線路長很多，因此C1遠大于C2，所以I01比I02大很多，即在中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障時接地點電源側(cè)能夠檢測出較大的零序電流，而負荷側(cè)零序電流較小。可見，中性點不接地系統(tǒng)通過設(shè)定適當(dāng)?shù)牧阈螂娏鞅Ｗo定值，用戶分界開關(guān)可準(zhǔn)確判定故障在用戶區(qū)外或區(qū)內(nèi)。當(dāng)判定故障在用戶區(qū)內(nèi)時保護動作，故障切除。

3.2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障

對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，發(fā)生用戶區(qū)內(nèi)單相接地故障時電路原理如圖2所示。

圖2 中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障原理示意

接地故障點處的電流I0L可由公式(4)計算

I0L=I01+I02-IL

(4)

式中：I01、I02含義及計算公式如式(1)-(3)所示；IL為單相接地故障時消弧線圈補償電流。用戶發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障時流經(jīng)用戶分界開關(guān)的故障電流I1L如公式(5)所示

I1L=I01-IL

(5)

根據(jù)圖2可知，發(fā)生用戶區(qū)內(nèi)單相接地故障時流經(jīng)用戶分界開關(guān)的電流為I1L,發(fā)生用戶區(qū)外單相接地故障時流經(jīng)用戶分界開關(guān)的電流為I02。電源側(cè)線路相比負荷側(cè)線路長很多，因此C1遠大于C2，所以I01遠大于I0L。消弧線圈補償電流I1L的大小及方向由補償方式?jīng)Q定，一般情況下，接地補償應(yīng)保證5%～10%以上的脫諧度，可見I01比IL大很多。因此I1L明顯大于I02，將保護定值設(shè)置在I1L、I02之間，用戶分界開關(guān)可準(zhǔn)確區(qū)分發(fā)生區(qū)外或區(qū)外單相接地故障。

3.3 中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障

對于中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，發(fā)生用戶區(qū)內(nèi)單相接地故障時電路原理如圖3所示。

圖3 中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)區(qū)內(nèi)故障原理示意

接地故障點處的電流I0R可由公式(6)計算

I0R=I01+I02-IR

(6)

式中：I01、I02含義及計算公式如式(1)-(3)所示；IR單相接地故障時經(jīng)小電阻接地電流。

用戶發(fā)生區(qū)內(nèi)單相接地故障時流經(jīng)用戶分界開關(guān)的故障電流I1R如公式(7)所示

I1R=I01-IR

(7)

根據(jù)圖3可知發(fā)生用戶區(qū)內(nèi)單相接地故障時流經(jīng)用戶分界開關(guān)的電流為I1R,發(fā)生用戶區(qū)外單相接地故障時流經(jīng)用戶分界開關(guān)的電流為I02。經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)較多采用中性點經(jīng)10 Ω接地電阻，一般金屬性接地故障電流為300～500 A，因此I1R遠大于I01、I02。將保護定值設(shè)置在I1R和I02之間，用戶分界開關(guān)可準(zhǔn)確區(qū)分發(fā)生區(qū)外或區(qū)外單相接地故障。

3.4 相間短路故障

選用分界斷路器線路，發(fā)生區(qū)內(nèi)相間短路故障時，分界斷路器根據(jù)過流速斷保護整定情況，自動將短路故障切除；發(fā)生區(qū)外相間短路故障時，分界斷路器未流過短路電流，不動作。

選用分界負荷開關(guān)線路，發(fā)生區(qū)內(nèi)相間短路故障時，分界負荷開關(guān)的零序電流互感器檢測不到相間短路故障，零序電流保護不動作，單相電流互感器檢測到短路故障電流后進行記憶，上級開關(guān)跳閘后進行自動分閘，隔離故障點，然后上級開關(guān)重合閘。發(fā)生區(qū)外相間短路故障時，分界負荷開關(guān)未流過短路電流，不動作。

3.5 故障處理方式及保護設(shè)置

當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)(負荷側(cè))單相接地故障時，用戶分界開關(guān)測得零序電流超過保護定值，經(jīng)延時判定永久性接地后跳閘；當(dāng)發(fā)生區(qū)外(電源側(cè))單相接地故障時，用戶分界開關(guān)測得零序電流不超過保護定值，不動作。發(fā)生區(qū)內(nèi)相間短路故障時，過流速斷保護動作；發(fā)生區(qū)外相間短路故障時，不動作。用戶分界開關(guān)動作邏輯及保護設(shè)置見表1所示，其中Iu為保護定值電流，其他符號與公式(1)-(7)相同。

表1 用戶分界開關(guān)動作邏輯及保護設(shè)置

故障性質(zhì)及位置保護處理保護設(shè)置中性點不接地系統(tǒng)用戶區(qū)內(nèi)單相故障經(jīng)延時判定永久性接地后跳閘I01>>Iu>>I02中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)用戶區(qū)內(nèi)單相故障經(jīng)延時判定永久性接地后跳閘I01>>IL>>Iu>>I02中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)用戶區(qū)內(nèi)單相故障先于變電站保護動作跳閘I01>>IR>>Iu>>I02中性點不接地系統(tǒng)用戶區(qū)外單相故障不動作I01>>Iu>>I02中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)用戶區(qū)外單相故障不動作I01-IL>>Iu>>I02中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)用戶區(qū)外單相故障不動作I01-IR>>Iu>>I02相間短路用戶區(qū)內(nèi)故障跳閘過流速斷相間短路用戶區(qū)外故障不動作過流速斷

4 處理措施

4.1 單相接地零序電流保護定值整定

用戶分界開關(guān)根據(jù)電流的幅值大小及持續(xù)時間判斷故障情況，無論純金屬接地或者經(jīng)高阻接地，單相接地故障時零序電流保護定值決定其動作靈敏度。在設(shè)置零序電流保護定值時需重點考慮以下因素。

a. 零序電流整定值應(yīng)大于用戶分界開關(guān)內(nèi)置零序TA在最大負荷條件下的不平衡輸出。考慮留有必要的裕度，一般情況下零序電流定值不應(yīng)小于0.2 A。

b. 用戶分界開關(guān)零序電流保護定值應(yīng)大于單相接地故障時負荷側(cè)零序電流。為確保用戶分界開關(guān)正確動作，建議用戶分界開關(guān)零序電流保護定值應(yīng)不小于負荷側(cè)零序電流的2倍。

c. 用戶分界開關(guān)所帶線路較長且導(dǎo)致零序電流定值較大時，可造成區(qū)內(nèi)高阻接地故障時用戶分界開關(guān)拒動。

d. 零序電流保護定值根據(jù)架空線路截面和長度確定。在中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地故障，變電站出線保護不跳閘，只發(fā)出接地信號，允許短時間接地運行。為了便于判斷故障，此時分界開關(guān)的動作時限，應(yīng)大于接地延時判斷時限，并在變電站發(fā)出接地信號之后再動作跳閘。

4.2 相間短路保護定值整定

a. 對于分界斷路器，應(yīng)與上級斷路器和用戶斷路器保護動作時限相配合，確保發(fā)生用戶區(qū)內(nèi)故障時先于上級斷路器動作，切除短路故障。

b. 對于分界負荷開關(guān)，動作時限應(yīng)與變電站出線保護重合閘動作時間相配合，用戶區(qū)內(nèi)產(chǎn)生瞬時故障時，首先上級斷路器動作，然后負荷開關(guān)分閘，故障點切除，最后上級斷路器重合閘恢復(fù)供電。

4.3 用戶分界開關(guān)的選型應(yīng)考慮的因素

a. 根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)狀況和重要程度，來確定采用用戶分界斷路器或用戶分界負荷開關(guān)。

b. 采用分界斷路器會增加保護級差，使變電站出線保護增加時延，對設(shè)備和電網(wǎng)的安全運行不利。

c. 分界斷路器還必須與用戶進線斷路器進行保護配合，如配合不當(dāng)，會引起責(zé)任糾紛。

d. 分界斷路器性價比不如分界負荷開關(guān)。

4.4 用戶分界開關(guān)質(zhì)量管控

a. 對用戶分界開關(guān)開展設(shè)備到貨抽樣檢測，重點是設(shè)備材質(zhì)檢測。如開展開關(guān)觸頭鍍銀層、設(shè)備固體絕緣材質(zhì)、空氣絕緣距離等檢測項目。

b. 進行現(xiàn)場故障模擬試驗，檢驗用戶分界開關(guān)對短路故障的處理能力。

5 結(jié)束語

12 kV用戶分界開關(guān)因其能夠有效隔離故障點而在河北南網(wǎng)配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)場運行效果表明用戶分界開關(guān)受保護定值設(shè)置、設(shè)備選型等因素影響，不正確動作(誤動或拒動)率明顯較高。通過分析保護定值設(shè)置存在的問題，從單相接地故障、相間短路、設(shè)備選用和設(shè)備質(zhì)量等方面提出處理措施和建議，為提高用戶分界開關(guān)正確動作率，提升使用效果提供參考。

[1] 李建基．高壓開關(guān)設(shè)備實用技術(shù)[M]．北京： 中國電力出版社，2005．

[2] 林 莘．現(xiàn)代高壓電器技術(shù)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2011．

[3] 宋向東，劉 娜．10 kV配網(wǎng)用戶分界負荷開關(guān)的應(yīng)用[J]．華北電力技術(shù)，2010(7)：35-38．

Application and Problem Analysis of 12 kV Users Boundaries Switchgear in Hebei Southern Power Grid

Jing Hao1，Pang Xianhai1，Zhang Zhiyuan2，Ma Tianxiang1

(1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang 050021,China；2.State Grid Hebei Electric Power Corporation，Shijiazhuang 050021,China)

This paper introduces the application situation and existing problems of 12 kV users' boundaries switchgear on Hebei South Power Grid distribution network, and analyzes in detail the setting of protection setting under different neutral point grounding modes.Combined with analysis single-phase fault protection setting,interphase short circuit protection setting,equipment selection and equipment quality control,and the preventive measures have been proposed.

distribution network;user boundaries switchgear;preventive measures

TM564

B

1001-9898(2017)05-0047-04

本文責(zé)任編輯：齊勝濤