基于FTU的配網(wǎng)線路分級(jí)保護(hù)研究

吳長(zhǎng)江，盛俊英，陳 晟，張 博，吳晨飛

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司黃山供電分公司，安徽黃山 245000）

0 引言

配網(wǎng)線路位于電網(wǎng)末端，與用戶設(shè)備直接關(guān)聯(lián)，用戶側(cè)設(shè)備故障極易引起配網(wǎng)線路故障[1-3]。根據(jù)歷年資料統(tǒng)計(jì)，超過85%的故障停電是由于配網(wǎng)線路故障引起的[4]。對(duì)配電線路投入保護(hù)能夠及時(shí)切除故障設(shè)備，防止停電范圍擴(kuò)大。傳統(tǒng)的配網(wǎng)線路為減少建設(shè)成本往往采用邏輯簡(jiǎn)單，成本較低的電流保護(hù)[5]，經(jīng)常導(dǎo)致同時(shí)跳閘或越級(jí)跳閘的發(fā)生，與縮小停電范圍初衷相違背，為提高供電可靠性，合理選擇開關(guān)裝設(shè)位置及其保護(hù)方式已成為配網(wǎng)改造的必然要求。

采用配電線路開關(guān)分級(jí)保護(hù)能夠減少同跳故障的發(fā)生，但當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)配電網(wǎng)分級(jí)保護(hù)的研究相對(duì)較少，文獻(xiàn)[6]研究了根據(jù)線路所在變電站的不同采用的分級(jí)整定原則，給出了詳細(xì)的計(jì)算方法，但在實(shí)際應(yīng)用中該方法計(jì)算復(fù)雜，使用不便。文獻(xiàn)[7]探討了在配網(wǎng)線路支線投入保護(hù)對(duì)提高供電可靠性的重要性，但未提出定值整定具體實(shí)施方案。文獻(xiàn)[8]籠統(tǒng)地介紹了在農(nóng)網(wǎng)配電線路投入分級(jí)保護(hù)的原理，但文章所提方法大多基于傳統(tǒng)的漏電保護(hù)設(shè)備，應(yīng)用于線路分級(jí)保護(hù)效果不佳。

基于以上問題，本文針對(duì)近年來頻繁出現(xiàn)的10 kV配網(wǎng)線路同跳故障，研究了配網(wǎng)分級(jí)保護(hù)的整定原則，并結(jié)合配電自動(dòng)化建設(shè)，基于配自終端FTU的安裝，根據(jù)柱上開關(guān)所處位置設(shè)置不同的保護(hù)定值，并給出了具體整定方法。根據(jù)方案實(shí)際效果，對(duì)比分析了分級(jí)保護(hù)整定前后停電范圍的大小，以此說明基于FTU的分級(jí)保護(hù)能夠提高供電可靠性。

1 配網(wǎng)保護(hù)現(xiàn)狀分析

配網(wǎng)線路建設(shè)初期大多對(duì)線路保護(hù)的投入不足，且線路切改頻繁、設(shè)備種類較多，無法形成統(tǒng)一的保護(hù)投退及定值設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。以往配網(wǎng)線路柱上開關(guān)大多依靠自身帶有的保護(hù)切斷故障，選擇范圍較小，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)投入400 A、600 A，其定值選擇顯然無法應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的線路負(fù)荷。

由于定值選擇混亂，且未根據(jù)開關(guān)類型及所處位置對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行統(tǒng)一整定。在實(shí)際運(yùn)行中，支線出現(xiàn)故障可能導(dǎo)致主線開關(guān)與支線開關(guān)同時(shí)跳閘，下游線路出現(xiàn)故障導(dǎo)致主線路多個(gè)分段開關(guān)同時(shí)跳閘，甚至出現(xiàn)越級(jí)跳閘等情況。圖1為某市城區(qū)2019年1至5月配網(wǎng)跳閘次數(shù)及同跳次數(shù)統(tǒng)計(jì)，從圖1中可以看出，絕大多數(shù)月份同跳次數(shù)占總跳閘次數(shù)比例超過20%，分段開關(guān)及分支開關(guān)沒有很好地起到隔離故障與縮小停電范圍的作用，為提高供電可靠性與搶修工作帶來了麻煩。因此，有必要借鑒輸電線路保護(hù)的整定方法對(duì)配網(wǎng)線路投入分級(jí)保護(hù)。

圖1 某市城區(qū)2019年1-5月配網(wǎng)跳閘情況

2 配電自動(dòng)化終端FTU

配電自動(dòng)化是基于一次線路及設(shè)備，綜合利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)、通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，并通過與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的信息集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)的檢測(cè)、控制和快速故障隔離[9]。FTU是配電自動(dòng)化終端設(shè)備的一種，其中箱式FTU的安裝圖及控制面板圖分別如圖2、圖3所示。該裝置安裝于配網(wǎng)架空線路電桿上，具有遙測(cè)、遙信、遙控等功能，監(jiān)控對(duì)象為柱上開關(guān)，配置了分合閘操作按鈕、參數(shù)調(diào)整按鈕及顯示屏，通過航空插頭與柱上開關(guān)連接，能夠方便地調(diào)整柱上開關(guān)保護(hù)定值參數(shù)。FTU可根據(jù)需要投退過流I段、II段、III段保護(hù)、重合閘，零序保護(hù)等功能，且可選擇動(dòng)作于跳閘或發(fā)告警信號(hào)。

圖2 FTU安裝圖

圖3 FTU控制面板

3 配網(wǎng)線路分級(jí)保護(hù)整定原則

3.1 配網(wǎng)線路柱上開關(guān)分類

柱上開關(guān)根據(jù)所處位置及功能的不同可分為出站口開關(guān)，分段開關(guān)，分支開關(guān)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)，用戶分界開關(guān)等[9]，如圖4所示。其中出站口開關(guān)一般安裝于變電站出口，位于該線路的第一根電桿上，位于線路主干線上。分段開關(guān)為線路主干線上的開關(guān)，將配網(wǎng)線路分為若干部分，當(dāng)某一段發(fā)生故障時(shí)，可切斷該負(fù)荷上一級(jí)分段開關(guān)，從而達(dá)到減小停電范圍的目的。但分段開關(guān)無法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)供，此時(shí)可借助聯(lián)絡(luò)開關(guān)的作用，將另一條線路的電倒至故障范圍下一級(jí)開關(guān)處，從而盡可能縮小停電范圍。分支開關(guān)位于配網(wǎng)線路的支線上，支線發(fā)生故障時(shí)能夠?qū)⒐收细綦x在支線范圍內(nèi)，減少對(duì)主線路的影響。而用戶T接開關(guān)是將用戶設(shè)備與線路隔離開，將用戶設(shè)備故障隔離在用戶界內(nèi)。

圖4 配網(wǎng)線路開關(guān)分類

3.2 整定原則

3.2.1 出站口開關(guān)

以往線路投運(yùn)時(shí)往往將出站口開關(guān)投入保護(hù)，但出站口開關(guān)一旦投入保護(hù)，當(dāng)下游線路出現(xiàn)故障導(dǎo)致電流增大時(shí)，可能直接導(dǎo)致出站口開關(guān)跳閘。變電站出線開關(guān)往往具有重合閘功能，如果變電站出線開關(guān)重合成功，而出站口開關(guān)已跳閘就會(huì)造成帶空線路運(yùn)行的狀況，同時(shí)導(dǎo)致故障點(diǎn)查找范圍擴(kuò)大，不利于及時(shí)恢復(fù)供電。因此出站口開關(guān)保護(hù)宜停用，利用變電站出線開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)上游線路的保護(hù)。對(duì)于已經(jīng)投入保護(hù)的出站口開關(guān)，可配合停電檢修計(jì)劃將保護(hù)退出。

3.2.2 分段開關(guān)

對(duì)于分段開關(guān)的保護(hù)，需根據(jù)變電站出線開關(guān)過流I段的保護(hù)范圍進(jìn)行整定，保護(hù)范圍內(nèi)的開關(guān)僅需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際投入個(gè)別開關(guān)的保護(hù)，一般在長(zhǎng)線路的中間位置選擇投入，該保護(hù)定值需結(jié)合負(fù)荷電流的大小進(jìn)行整定，躲過最大負(fù)荷電流，并且小于上一級(jí)開關(guān)的定值，動(dòng)作時(shí)間小于上一級(jí)。

對(duì)于末端的開關(guān)，應(yīng)投入保護(hù)，定值需躲過最大負(fù)荷電流，并且需充分考慮變壓器的勵(lì)磁涌流，定值小于上一級(jí)開關(guān)。一般主干線路上游分段開關(guān)投入保護(hù)時(shí)可通過FTU進(jìn)行保護(hù)設(shè)置，第一個(gè)開關(guān)投入過流I段動(dòng)作于跳閘和重合閘，其余開關(guān)投入過流I段僅需動(dòng)作于發(fā)信號(hào)。

3.2.3 分支開關(guān)

分支開關(guān)投入保護(hù)能夠縮小故障停電范圍，便于故障點(diǎn)查找，這類開關(guān)保護(hù)的投入需結(jié)合所帶負(fù)荷和線路實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行選擇，具體定值可根據(jù)所帶負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，可根據(jù)負(fù)荷估算出經(jīng)過開關(guān)的額定電流，計(jì)算公式如式（1）所示：

式中，SB為所帶負(fù)荷的總?cè)萘浚籙B為線路的額定線電壓，一般取10 kV。

根據(jù)式（1）計(jì)算結(jié)果再結(jié)合變壓器的勵(lì)磁涌流，過流I段保護(hù)定值可設(shè)為大于4至8倍額定電流，動(dòng)作時(shí)間設(shè)為0 s。用戶T接開關(guān)的保護(hù)設(shè)置原則與分支開關(guān)類似。

3.2.4 聯(lián)絡(luò)開關(guān)

聯(lián)絡(luò)開關(guān)在線路正常運(yùn)行時(shí)一般處于分位，僅在配合線路檢修時(shí)處于合位，將線路部分負(fù)荷轉(zhuǎn)由其它線路供電。為防止合環(huán)操作時(shí)開關(guān)電流增大導(dǎo)致跳閘，此類開關(guān)一般退出保護(hù)或僅僅動(dòng)作于發(fā)出告警信號(hào)，重合閘退出。

4 配網(wǎng)分級(jí)保護(hù)實(shí)例分析

某市一條10 kV配電線路分布如圖5所示，為方便描述，對(duì)線路進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其中分支開關(guān)1112，聯(lián)絡(luò)開關(guān)1113及分段開關(guān)1111-1、1112-1上安裝了FTU，可方便地修改保護(hù)定值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各開關(guān)所帶負(fù)荷如圖5所示，根據(jù)以上整定原則可估算出整定值。

其中，出站口開關(guān)1111保護(hù)應(yīng)退出，聯(lián)絡(luò)開關(guān)1113由于存在負(fù)荷轉(zhuǎn)供的問題，一般不投入跳閘動(dòng)作，此處選擇投入1 000 A，動(dòng)作于發(fā)告警信號(hào)。各分支開關(guān)可根據(jù)所帶負(fù)荷利用式（1）計(jì)算出保護(hù)定值，則可計(jì)算出分支開關(guān)1111-1過流I段保護(hù)電流大小可設(shè)為1 000 A，時(shí)限為0s，分支開關(guān)1111-2保護(hù)電流大小可設(shè)為600A，時(shí)限為0s，均動(dòng)作于跳閘，為排除瞬時(shí)故障，重合閘均投入。對(duì)于分段開關(guān)，根據(jù)負(fù)荷電流大小進(jìn)行整定，分段開關(guān)1112保護(hù)電流大小設(shè)為1 000 A，保護(hù)動(dòng)作于跳閘，為保證保護(hù)的選擇性，將動(dòng)作時(shí)間設(shè)為0.15 s，重合閘投入。經(jīng)過整定，各開關(guān)的保護(hù)定值如圖6所示。

圖5 某市一條10 kV配電線路開關(guān)分布

圖6 各開關(guān)保護(hù)定值

從圖6的保護(hù)定值分布可看出，當(dāng)支線某設(shè)備故障時(shí)，分支開關(guān)將會(huì)動(dòng)作于跳閘，該故障不會(huì)對(duì)主線路造成影響。主線路故障時(shí)，分段開關(guān)保護(hù)動(dòng)作也將故障隔離，減小受影響范圍。同時(shí)，根據(jù)跳閘或發(fā)過流信號(hào)開關(guān)所處位置即能初步判斷故障點(diǎn)所處位置，檢修人員可迅速尋找到故障點(diǎn)，也為負(fù)荷轉(zhuǎn)供方案的制定節(jié)省時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合配電自動(dòng)化建設(shè)對(duì)配網(wǎng)線路進(jìn)行分級(jí)保護(hù)改造，能夠快速隔離故障，縮小停電范圍。配電自動(dòng)化終端FTU進(jìn)行參數(shù)整定簡(jiǎn)單方便，可操作性強(qiáng)，可根據(jù)需要選擇動(dòng)作于跳閘或信號(hào)，減少誤跳閘的發(fā)生。本文所提配網(wǎng)線路分級(jí)保護(hù)整定原則，能有效縮小故障停電范圍，避免出現(xiàn)越級(jí)跳閘或同時(shí)跳閘，極大提高供電可靠性，提升客戶滿意度，同時(shí)為配網(wǎng)線路的運(yùn)維檢修提供便利。