新型配電網綜合故障隔離裝置在農配網中改進越級跳閘的應用

(國網安徽省電力公司潛山縣供電公司,安徽 潛山 246300)

1 引言

隨著國民經濟的飛快發展和社會的進步，科學技術和信息化水平的提升，人們生活水平的不斷提高，電力用戶對供電可靠性和電能質量的要求也不斷提高。

因此，依托現代信息、通信和控制技術來提高智能電網的水平是未來的發展趨勢。為了實現減少越級跳閘、最小化故障停電范圍、縮短停電時間的目標，本文提出一種新型10kV配電網綜合故障隔離裝置。此裝置能夠解決現有通用斷路器戶外工作電源技術問題，準確檢測單相接地故障點，實時在線檢測配網開關的運行工況(電流、電壓、閉/合狀態、故障情況)，使管理人員可在線獲取線路運轉狀態以及線路故障情況下故障區段的判定和解除， 同時，通過設置合理的保護定值，可以減少配電網的跳閘，提高供電的可靠性和質量。

2 綜合故障隔離裝置的構成

2.1 綜合故障隔離設備產品組成

在現有配電網中，實現饋線自動化與信息化，投運的斷路器主要是基于普通真空斷路器，需安裝電源模塊(主要在電磁變壓器和太陽能電池板)、電流互感器、自動數據采集設備接口等，涉及的設備數量比較復雜，組織協調難度大，導致現場安裝工程量大。

為了解決這種問題，設計了斷路器本體、能量接收單元、測量單元和前端采集裝置的一體化設計方案。基于zw-32型斷路器進行開發，在原有基礎上延長底座，并且在延長的底座上端加裝能量接收單元，以及信號分析單元，信號分析單元通過標準電纜和前端采集裝置相連接。

結構如圖1所示。

圖1 配電網綜合故障隔離設備結構圖

配電網綜合故障隔離設備是由能量接收單元、信號分析單元、柱上斷路器和信號采集單元4部分構成。

2.2 網運行管理系統組成及功能

2.2.1 系統組成及結構

配網運行管理系統由三部分組成：

● FTU

●主站系統(容量5000點,可擴容)

●GPRS通訊網絡

系統結構圖如圖2所示。

圖2 系統結構示意圖

2.2.2 系統主要功能

●故障判斷，根據前端裝置采集的故障信息，快速判斷故障區段；

●故障隔離，短路故障，實時故障隔離，減少越級跳閘；

●故障報警，通過故障推圖、聲光報警、告警短信等方式，迅速將故障信息上報；

●運行監控，實時監測負荷電流、線路電壓、開關狀態等運行量；

●運行異常立刻告警，過載，缺相運行，三相不平衡，限位報警等；

●主站開通遠程調整保護設定值，包括速斷定值(I段保護)、過流定值(II段保護)、零序定值等功能。

3 保護定值整定

隨著各地配電自動化系統的實施，FTU逐漸取代涌流控制器，實現線路斷路器的短路保護功能。FTU相比于涌流控制器有兩個顯著優勢:首先，FTU可以在允許范圍內任意設置保護參數，解決了涌流控制器參數設置不能連續調節的問題；其次，FTU可以在線路帶電運行的情況下，遠方設定保護參數，解決了涌流控制器參數調整困難的問題。FTU的出現，為變電站出線保護和線路斷路器保護之間的配合提供了很好的條件，我們在這個基礎上，可以針對線路的實際運行情況，制定適合農村配電網的保護整定方法。

城郊及農村10kV配網線路主要是設計為架空線路，具有幾個顯著的特點：一是線路長，覆蓋面廣，地形復雜;二是普遍導線較細，線路電阻較大；三是線路分段較少。圖3中展示的是一個典型的農村配電網結構，該配電線路在干線上安裝了2臺斷路器，支線1上安裝了2臺斷路器，支線2上安裝了1臺斷路器。這些斷路器全部安裝了FTU，并且FTU可以通過GPRS通訊方式與配電自動化后臺進行通訊。

下面我們結合上圖中的配電線路，介紹一下農村配電網的保護整定原則：

原則1：基于拓撲關系的保護分級。

配電線路的保護整定，必須要考慮變電站出線保護，將它和線路斷路器保護綜合考慮，可以認為變電站出線保護為第一級。線路斷路器保護可以按照干線和支線分級，例如干線為第二級，支線為第三級，這種分級方法簡單明了，但在實際應用中可能會導致定值設置時的不合理。我們按照線路斷路器的拓撲關系分級，以變電站為源節點向下搜索，使用廣度優先搜索，可以得到以下結果：變電站出線保護為第一級，01#斷路器保護為第二級，02#、03#05#斷路器保護為第三級，04#斷路器保護為第4級。

圖3 典型配電網結構圖

原則2：以時延級差配合為主，定值級差配合為輔。

線路斷路器保護分為速斷保護和過流保護兩級，他們分別對應變電站出線保護的I段和III段。因為出線保護I段的時延為0s，所以線路斷路器的速斷保護時延只能為0s，并且在定值上要小于出線保護I段的定值才有配合的可能。出線保護III段的時延一般為0.6～1s，線路斷路器的過流保護可以在時延和定值兩方面和出線保護形成配合。

在線路上發生短路故障的時候，我們希望故障點前端最近的一個斷路器跳開，其余斷路器不動作，以控制故障的影響在一個最小范圍內。如上圖在支線1末端上發生短路故障，我們希望12#斷路器跳開，其余斷路器不動作。

但實際上可能有兩種情況：

(1)速斷故障。當短路電流超過出線過流I段(速斷)定值時，出線斷路器會跳開，01#、02#、03#、05#斷路器也會跳開，這時如果變電站有重合閘設置，則可以重合閘成功，恢復線路01#斷路器之前的供電。干線、支線2及支線1中04#斷路器之前的供電需要人工恢復。在變電站出線保護I段的時延不增加之前，對于此類故障，雖然配網自動化系統可以準確判定故障區段，但仍會造成非故障區段的短時停電。

(2)過流故障。當短路電流不超過出線過流I段(速斷)定值時，出線斷路器和01#、03#、04#斷路器中時延最小的一個會跳開，如果我們可以合理的設置斷路器保護的時延，就可以保證04#斷路器跳開而其他斷路器不動作，準確判定故障區段的同時將故障的影響控制在最小范圍內。

如果只按照干線和支線兩級設置時延，則干線上01#、02#斷路器的時延是相同的，支線1上03#斷路器和04#斷路器的時延也是相同的，這就可能會出現越級跳閘的問題。此次故障發生后，可能03#斷路器會先于04#斷路器跳閘，如果04#斷路器未跳閘，配電自動化系統會判斷故障區段在03#斷路器和04#斷路器之間，與實際故障區段不符。如果按照拓撲關系分級設置時延，04#斷路器延時小于03#斷路器延時，則可以保證04#斷路器先跳閘，準確判斷故障區段。

下面以前文所述的典型農村配電網為例，進行配電網保護的整定。

表1 變電站定值表

表1中，變電站出線保護的所有參數由變電站設置。

線路斷路器的速斷保護定值按照躲開線路最大勵磁涌流并且小于上一級速斷保護定值來整定：

Ii,I=Kk×Ii,cl

式中,Ii,I—i#斷路器的速斷保護定值；

Kk—可靠系數，取1.1～1.5；

Ii,cl—i#斷路器處的最大勵磁電流。

每一臺斷路器與緊鄰它的上一級斷路器之間的速斷保護定值之差至少為ΔI(級差電流)，以確保不會因電流測量精度的原因越級跳閘。

過流保護定值按照躲開線路最大負荷電流并且小于上一級過流保護定值來整定：

根據最大負載電流調整過流保護設定值，并且小于上一級過流保護定值來整定：

Ii.Ⅲ=Kk×Kzp×Ii,max

式中:Ii,Ⅲ—i#斷路器的過流保護定值；

Kk靠系數，取1.1～1.5；

Kzp—自啟動系數，取1～3；

Ii,max—i#斷路器處的最大負荷。

每一臺斷路器與緊鄰它的上一級斷路器之間的過流保護定值之差至少為ΔI(級差電流)，以確保不會因電流測量精度的原因越級跳閘。

因為農村配電網線路情況復雜，導線的老化問題也比較嚴重，導致在實際工作中很難得到準確的線路阻抗。所以，線路短路電流的準確計算難度很大，我們很可能無法整定出理想的保護定值級差配合。這也就是為什么農村配電網的保護整定要以時延級差配合為主，定值級差配合為輔。

只有在變電站出線保護I段的時延增加的前提下，才能給線路斷路器的速斷保護時延留下級差配合的空間。因此，在線路上報速斷故障時，通過有效的保護設置，可以準確地確定故障區段并且把故障控制在最低范圍內，以避免發生越級跳閘。

4 新型配電網綜合故障隔離裝置的應用情況

由于潛山縣地形條件復雜，老舊線路多，造成線路故障多發，2015全年共發生越級跳閘25次，如下圖藍色曲線所示，故障高發季節集中在7、8月份。安裝新型配電網綜合故障隔離裝置和實施TAS監控系統后，有效將故障隔離在區域范圍內，同期相比越級跳閘次數減小為3次，全線停電次數顯著降低，如下圖紅色曲線所示。

5 結論

新型配電網綜合故障隔離裝置與配網線路巡檢終端應用，系統效用明顯，為提高配電網管理水平和智能電網實施奠定了良好基礎。

本文介紹了一種新型配電網綜合故障隔離設備，該設備的最重要的特征為一體化設計，這既包括一次、二次設備的一體化安裝，也包括測量、保護、故障選線等多項功能的一體化集成。此類設備在電網中的應用表明，該設備具有對配電網進行在線監測的功能，并能對配電網故障情況進行監測，發生故障后立即隔離、研判，給線路運維人員提供了可靠的告警信息，縮小故障范圍，提高了工作人員效率，降低了運維成本，避免電網事故發生，提高供電可靠性。

圖4 TAS系統投運前后越級跳閘次數對比圖