農村配電網10 kV線路重合閘成功率的影響因素研究

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(1.國網成都供電公司，四川 成都 610041；2.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；3.國網四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

目前，農村配電網發生的故障主要有兩類：永久性故障和瞬時性故障。其中瞬時性故障約占故障總數的80%以上。當線路發生瞬時故障時，斷路器通過過流保護會跳閘，線路處于停電狀態，如果線路未裝設重合閘裝置，線路不再送電，大大影響了供電可靠性。因此重合閘對配電網的持續供電和穩定運行起到重要的作用。

目前，影響重合閘成功率的研究多針對更高電壓等級的輸電網[1-6]，對農村配電網領域的研究較少。現在大部分的農村配電網普遍裝設了重合閘裝置但重合成功率卻不高。因此有必要對農村配電網重合閘成功率的影響因素進行深入分析和研究。

首先總結了10 kV線路重合閘整定原則及相關規定，然后對影響農村配電網10 kV線路重合閘成功率的相關因素進行了詳細的分析，最后依據短時停電的定義和要求，梳理了幾點建議，為電力企業在提高農村配電網10 kV線路重合閘成功率方面提供參考。

1 重合閘整定原則及相關規定

1.1 《3～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》規定

《3～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》DL/T 584-2007[7]對單電源線路的三相重合閘整定時間進行了規定。

根據規程要求，單電源線路的三相重合閘時間應該同時大于短路點斷電后電弧的去游離時間以及線路斷路器及其操作機構具備再次動作條件的時間。

因此，規程認為單側電源線路的三相一次重合閘動作時間宜大于0.5 s，同時為提高線路重合成功率，可酌情延長重合閘動作時間。

1.2 《電力系統繼電保護與安全自動裝置整定計算》規定

《電力系統繼電保護與安全自動裝置整定計算》[8]中對線路單電源供電負荷重合閘整定原則進行了如下規定：

當線路短路故障引起斷路器跳閘后，負荷中無法自啟動的設備應自動跳閘。而負荷中允許重新帶電的設備，則可以在斷路器重合成功后恢復供電。重合閘時間的整定主要取決于短路點電弧的去游離時間。用戶負荷中不能參加自啟動的設備須自動跳閘。允許重新帶電的負荷，在斷路器重合后恢復供電，重合閘時間主要決定于故障點去游離時間。

因此，在重合閘動作時間的整定方面，可考慮如下兩種情況：

1)對于不對應起動方式，其重合閘動作時間tch1整定為

tch1=txyl+ty-th

(1)

式中：txyl為故障點電弧消弧及去游離時間；ty為裕度，一般可取為0.1～0.15 s；th為斷路器合閘時間。

2)對于保護起動方式，其重合閘動作時間還應包括斷路器跳閘時間，其具體整定公式為

tch2=ts+txyl+ty-th

(2)

式中，ts為斷路器跳閘時間。

相關整定示意如圖1所示，圖中tch2是考慮斷路器分閘時間的重合閘動作時間。

然而，式(1)和式(2)在使用過程中，卻面臨故障點電弧消弧及去游離時間txyl難以確定的困難。大多僅能依靠經驗，在現場工程中為了提升斷路器重合閘成功率，保證在斷路器重合閘后瞬時性故障已經可靠消除，單側電源線路重合閘動作時間一般取0.8～1 s。

圖1 重合閘整定示意

1.3 小結

根據《3～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》DL/T 584-2007 和《電力系統繼電保護與安全自動裝置整定計算》可以發現，考慮到保護動作時間、斷路器動作時間以及斷路器斷口熄弧特性相對固定，10 kV配電網線路重合閘時間主要與故障點斷電熄弧去游離時間緊密相關。如果在斷路器重合前，非永久性故障點已經成功熄弧，重合閘操作即可成功，否則重合閘將失敗。

根據這一原則，下面將對重合閘成功與否的影響因素進行分析。

2 影響重合閘成功率相關因素

2.1 潛供電流對重合閘影響分析

潛供電流是影響較高電壓等級輸電網重合閘成功與否的主要因素[9-11]。對于10 kV配電網同桿并架線路可能會因為潛供電流存在影響重合閘動作。

農村配電網線路中存在同桿并架線路時，當某回線路上發生短路故障后，繼電保護將故障線路跳開，但同桿并架的另一回線路仍然處于正常運行狀態。此時，由于非故障線路與故障線路間的電容和互感，導致故障點電弧電流無法降低至0，增加電弧滅弧難度。在此狀態下，故障點電弧中流過的電流稱為潛供電流。由于潛供電流增加了故障點滅弧的難度，延長了故障點滅弧時間，可能導致自動重合閘后故障點絕緣未成功恢復，引發重合閘失敗。

然而，依托PSCAD仿真軟件對10 kV線路進行潛供電流計算發現，在典型參數下，5 km同桿并架10 kV線路出現兩相或三相短路時，故障線路上潛供電流不到3 A，感應電壓不超過300 V，難以形成穩定的弧道，不會對故障點熄弧產生影響。

2.2 異步電動機對重合閘影響分析

文獻[12-13]認為配電網末端異步電動機可能會對重合閘成功產生影響，主要有以下兩方面原因：

1)當異步電動機失電后，由于其轉速無法瞬間到0，電動機將在一段時間內呈現異步發電機狀態，向故障點注入電流，影響線路故障點熄弧。

2)由于異步電動機失電殘壓的存在，電源恢復時可能會引起大的沖擊電流，大的沖擊電流可能會危及配電線路保護裝置的工作可靠性，使繼電保護裝置誤動作，保護跳閘使重合閘重合不成功。

然而，大量調研發現，異步電動機負荷其實對10 kV配電網線路重合閘成功率影響不大。主要原因為目前工業電動機大多采用接觸器進行投切，對于常見型號的接觸器來說，當其電壓跌落至45%～55%UN時，接觸器將出現低壓脫扣釋放，延長釋放時間為15～40 ms。由此可見，當重合閘時間整定在秒級時，負荷電動機早已經脫扣，無法提供短路電流和沖擊電流，不會影響重合閘成功率。

2.3 配電系統勵磁涌流對重合閘影響分析

當配電系統中變壓器空載投運或故障切除后電壓恢復時，可能出現數值較大的勵磁涌流，其數值可達額定電流6～8倍。

配電線路一般裝設有電流速斷和定時過流保護。根據三段式電流保護的整定原則，定時過流保護只按照最大負荷電流進行整定，其動作整定值可能小于勵磁涌流電流值。特別是在配電線路發生瞬時性故障后，一旦重合閘裝置動作，斷路器經一定延時后會再次合閘，線路末端斷路器在重新上電后，將出現勵磁涌流。如果勵磁涌流大于定時過流保護整定值，開關將再次跳閘，導致重合閘不成功。

2.4 “滑落性延時故障”對重合閘影響分析

從10 kV配電線路故障統計發現，線路故障發生的主要原因為兩相線路同時與樹枝相碰出現的相間短路故障，或者當外力拋擲鐵絲等導體滑落于兩相導線間產生的相間短路。

此類故障并非永久性故障。然而，與傳統瞬時性故障不同，該故障不會因斷路器的觸頭滅弧而自動消失。它需要等待樹枝等物體從線路上滑落后，方能消除故障。工業界稱其為“滑落性延時故障”。

由于物體具體滑落沒有固定時間，一旦線路重合時，物體還沒有脫離輸電線路，保護裝置將視其為永久性故障，導致線路重合失敗。

綜上所述，10 kV配電網線路重合閘成功率主要受到滑落性延時故障的影響，因此需要對其重點分析。

3 重合閘時間整定原則

3.1 重合閘時間整定對滑落性故障的適應性

由于物體具體滑落沒有固定時間，難以據其進行精確整定。但是，對于過流保護而言，考慮到保護整定時間0.5 s、斷路器分閘時間0.13 s、合閘時間0.2 s，當重合閘整定時間由2 s增加至2.5 s時，允許滑落性故障的延時，將從2.83 s增加至3.33 s，這時對于滑落性延時故障來說，重合成功的可能性就非常大。

對于速斷保護而言，忽略保護動作時間，考慮斷路器分閘時間0.13 s、合閘時間0.2 s，當重合閘整定時間由2 s增加至2.5 s時，允許滑落性故障的延時，將從2.33 s增加至2.83 s，對于滑落性延時故障的重合成功率也有提升。

3.2 重合閘整定時間的建議

電能質量國際標準IEEE 1159-1995規定：一相或多相電壓瞬時跌落到0.1 p.u.以下的事件統稱為中斷[14](interruption)。其中，如果中斷時間持續半個周波至3 s稱為瞬間中斷(momentary interruption)；持續時間范圍在3 s至1 min的為瞬時中斷(temporary interruption)；如果中斷持續時間超過1 min的事件稱為持續中斷。

電壓短時中斷對用戶負荷影響可按停電持續時間對負荷的影響劃分為4類[15-16]：1)一般敏感負荷，分鐘級的短時停電即暫時中斷就會對其造成影響和危害；2)敏感負荷，秒級的短時停電即瞬時中斷就會對其造成影響和危害；3)特別敏感負荷(幾十至幾百毫秒)，即瞬間中斷就會對其造成影響和危害；4)嚴格負荷(毫秒級，0.02 s內)，即短時停電就會對其造成影響和危害。

根據相關標準，由于重合閘重合的整個過程會造成秒級的短時停電，為了減少對一般敏感負荷和敏感負荷的影響，希望將短時停電控制為瞬間中斷的停電事件，所以故障跳閘不應超過3 s，建議重合閘時間整定為2.5 s較為合適。

3.3 延長重合閘整定時限的影響

建議將重合閘時間延長至2.5 s，因此，需要著重分析延長重合閘整定時限對照明負荷、電動機負荷兩類負荷的影響。

1)對于照明負荷，重合閘時間從1 s提升至2.5 s，均會導致照明中斷，但是時間上的差異對人體感受也沒有太顯著的區別，不會影響負荷的使用感受。

2)對于電動機負荷，由于農電企業中的電動機都有接觸器等低壓脫扣裝置，反應時間均在3個周波左右，因此當重合閘時間整定在秒級時，負荷電動機早已經脫扣，因此重合閘時間的延時對于電動機負荷而言沒有太多的影響。

綜上所述，延長重合閘的整定時限，對農電用戶而言不會有多大的影響。相反，如果重合時限取得過短，導致短路點絕緣來不及恢復，反而會引起重合閘重合失敗，增加停電時間，對用戶將造成更多不便。因此，適當地延長重合閘的重合時限，對于提高重合閘的重合成功率以及提高供電的穩定性與可靠性都有非常大的幫助。

4 結 語

1)從《3～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》DL/T 584-2007及重合閘時間整定原則可以發現，考慮到保護動作時間、斷路器動作時間以及斷路器斷口熄弧特性等相對固定，10 kV配電網線路重合閘時間的整定主要與故障點斷電熄弧去游離時間緊密相關。如果在斷路器重合前，非永久性故障點已經成功熄弧，重合閘操作即可成功，否則重合閘將失敗。但上述標準均未對整定時間作嚴格要求。

2)分析表明，勵磁涌流、潛供電流以及用戶中異步電動機均不會對重合閘成功率產生顯著的影響。影響重合閘成功率的主要因素為滑落性延時故障的延時長度。

3)對于過流保護而言，當重合閘整定時間由2 s增加至2.5 s時，允許滑落性故障的延時將從2.83 s增加至3.33 s。對于速斷保護而言，忽略保護動作時間，當重合閘整定時間由2 s增加至2.5 s時，允許滑落性故障的延時也將從2.33 s增加至2.83 s。此時對于滑落性延時故障來說，重合成功的可能性就非常大。

4)為了減少對一般敏感負荷和敏感負荷的影響，希望將短時停電控制為瞬間中斷的停電事件，所以重合閘時間不應超過3 s，建議整定為2.5 s較為合適。

5)由于農電企業中的電動機都有啟動設備，當重合閘時間整定在秒級時，負荷電動機早已經脫扣，因此重合閘時間的延時對于電動機負荷而言沒有太多的影響。同樣，對于照明等負荷而言，重合閘時間從2 s提升至2.5 s對人體感受也沒有太顯著的區別。因此，延長重合閘的整定時限，對農電用戶而言不會有多大的影響。相反，如果較短的重合時限引起重合閘重合失敗，再進行強送成功，致使停電時間也相應增加，對用戶將造成更多不便。