10 kV自動更換式跌落熔斷器控制系統的研究

吳遠密，彭俊臻，許守東

（1.云南電網有限責任公司西雙版納供電局，云南 景洪 666100；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650000）

0 前言

熔斷器通常用于電力系統，為變壓器、電壓互感器、電容器組、配電饋線等提供過流保護，保險絲價格使宜，使用方便，有多種形式。跌落式熔斷器作為熔斷器主要的一種類型，廣泛應用于配網臺區，跌落式熔斷器在運維過程常見于熔絲故障熔斷情況，其原因眾多，行業內也有很多關預防及治理熔絲故障熔斷的研究[1-4]。當電力系統發生接地、電磁諧振、過負荷等時熔斷器的熔絲快速熔斷，隔離故障、保護電力主設備。然而，這些故障大多數是瞬時故障，可自行恢復，但需要人工排查故障點、并停電更換熔絲才能恢復供電。為了解決這一重大問題，現研究一種自動更換式熔斷器，能實遠程一鍵熔斷器分合閘、一鍵熔斷器熔絲更換，能實現系統故障后裝熔斷器自動分合閘、自動更換熔絲備件，即系統故障自愈。

1 特性理論分析

1.1 熔絲特性

熔斷器熔絲本質上是一種電流響應元件，當電流低于其額定電流值時，元件的溫度保特隱定。如果流經該元件的電流高于某個閾值，則該元件將被加熱、熔化并斷開電路路徑。熔斷器熔絲在故障期間的操作本質上受到其熔斷特性和電弧特性的控制，其熔斷特性表明熔絲熔斷時間與流經它的電流平方成反比。

其中T為熔絲熔斷時間，I為流經熔絲的電流，k為熔絲材料特性系數。

熔斷器熔絲融化熱能值使熔絲融化，使熔絲熔斷所需的最小熱能值。

其中Q1指從熔體融化到飛弧開始瞬間所需的能量，Q2指飛弧開始瞬間到飛弧最終熄滅所需的能量。

熔斷器的選擇應根據使用環境和負載性質選擇適當類型的熔斷器，熔斷器的額定電壓必須大于或等于線路的額定電壓，熔斷器的額定電流必須等于或大于線路的額定電流，熔斷器的分斷能力應大于電路可能出現的最大短路電流，熔斷器在電路中上、下兩級的配合應有利于實現選擇性保護，一般上一級熔斷器的熔斷時間應為下一級熔斷器的3 倍以上。所配置的熔斷器額定電流一般為所保護設備額定電流的1.5～2 倍[5-9]。以上熔絲特性作為本文熔斷器仿真模型搭建的基礎。

1.2 操作要求

低落熔斷器一般配置在變壓器高壓側，停電操作順序一般為先拉開負荷側的低壓開關，再拉開電源側的高壓跌落式熔斷器，送電順序相反。按順序停送電可以防止變壓器反送電，減少沖擊起動電流，減少電壓波動，保證設備安全運行。也可以避免開關切斷較大的電流量，減少操作過電壓的幅值、次數。為確保人身、設備、電網安全，操作中應盡量避免帶負荷拉合跌落式熔斷器。

停電操作時，應先拉中間相，后拉兩邊相。送電時則先合兩邊相，后合中間相。原因主要是考慮到中相切斷時的電流要小于邊相，因而電弧小，對兩邊相無危險。操作邊相跌落式熔斷器時，電流較大，而此時中相已拉開，另兩個跌落式熔斷器相距較遠，可防止電弧拉長造成相間短路。

電力配網系統中操作逐漸使用一些自動化控制方法來實現，配電網自動化方式也漸漸被推廣運用，如通過FTU 控制配網真空斷路器。而通信技術在配網自動化應用中尤為關鍵，一般分為有線通信技術和無線通信技術兩種。而在實際使用中，無線方式較為簡單、造價較低、持續能力比較強等，有線通方式工作效率比較高、抗外界干擾能力比較強等，但投資比較高。本文將通過自動更換式跌落熔斷器控制系統的設計實現10 kV 配網自動化功能，彌補配網自動化空白[10-12]。本文的跌落熔斷器控制系統設計在自動操作邏輯控制方面遵循以上操作要求。

2 控制系統的設計

裝置控制系統設計如圖1 所示，控制系統主要包括自動更換式跌落熔斷器、視頻攝像頭、控制箱、遠方控制電腦、低壓電操空氣開關等，其應用在變壓器場景，具備遠程人為控制操作、遠程系統自動決策操作（自動重合）、就地一鍵電動操作、就地人工機械操作功能。

圖1 控制系統設計

跌落熔斷器自動控制操作邏輯要求三相熔斷器獨立、不聯動，三相分合邏輯為停電先中后邊，送電先邊后中。變壓器停電遵循先低后高、送電先高后低邏輯，即熔斷器與低壓側空開形成邏輯控制。熔絲備件更換在跌落熔斷器停電狀態下進行，后臺自動決策控制實現熔斷器熔絲更換后自動重合。熔斷器分合閘狀態檢測、熔絲狀態檢測、熔絲備件數量檢測、傳動能量電池檢測等。系統通過物聯卡對設備進行操作、監控，能較好的在戶外、面廣、分散的電網環境中應用。裝置具備4 種操作模式，具備4 種基本功能，如表1 所示。

表1 自動更換式跌落熔斷器控制功能設計表

控制系統通信模式如圖2 所示，在傳輸信息過程中，采用的是MQTT 協議，實現了一對多，以及一對一通信方式，可以實現遠程控制熔斷器的功能。模塊采用UART 接口實現MCU與模塊的通信，并以AT 指令的方式配置模塊的相應模式。

圖2 控制系統通信模式

元件自檢主要為運行熔斷器熔絲及備用熔斷器熔絲好壞的檢測，自檢原理如圖3、圖4 所示。

圖3 運行熔絲狀態監測模塊邏輯示意圖

圖4 備件熔絲狀態監測模塊邏輯示意圖

雙確認指電氣設備操作后位置檢查以實際位置為準，無法現場直接確認位置的可以通過間接方式確認位置，間接方式確認位置至少有兩個非同樣原理或非同源的指示同時發生對應的位置變化，本文設計采用系統動作反饋和視頻監控系統兩個非同樣原理來確認設備操作位置。同理，遠程系統一樣通過系統動作反饋和視頻監控系統監測熔斷器故障相的跌落情況。

當電網發生故障、諧振等導致高壓側自動更換式跌落熔斷器熔絲熔斷時，4 種模式下的操作邏輯是：斷開低壓側空氣開關，依序拉開高壓跌落熔斷器B 相、A 相、C 相，臺變隔離故障。然后，自檢哪相熔絲損壞需更換，等待延時1 分鐘，跌落熔斷器自動完成損壞相熔絲備件更換。等待延時1 分鐘，依序合上高壓跌落熔斷器A 相、C 相、B 相，合上低壓側空氣開關，若為瞬間故障則電網恢復正常運行，若為永久故障則熔斷器再跌落，轉為人工現場故障搶修處理。

3 電網故障中的應用仿真及分析

將自動更換式跌落熔斷器整套系統應用于10 kV 配網臺變中進行仿真分析，驗證其控制系統設計的可行性。假設故障點設置在圖5 所示位置處，搭建RTDS（即實時數字仿真系統）模型進行系統仿真，模型如圖6 所示。Dyn11 型變壓器低壓側A 相發生單相接地短路時高壓側熔斷器電流監測如圖7 所示，熔斷器自動更換、重合成功后高壓側熔斷器電流監測如圖8 所示，熔斷器自動更換、重合于故障后高壓側熔斷器電流監測如圖9 所示，熔斷器熔絲熔斷相自動更換、重合于故障時的電壓、電流監測如圖10、11 所示。

圖5 配電網系統中應用故障等效圖

圖6 實時數字仿真系統仿真模型圖

圖7 故障時仿真系統仿真結果

圖8 瞬間故障重合成功仿真結果

圖9 永久故障重合不成功仿真結果

圖10 重合于故障之后的電壓波形

圖11 重合于故障之后的電流波形

由仿真結果可知，A 相發生單相接地短路時，A 相存在故障電流、電壓降為零，BC 相電流基本不變、電壓基本不變。故障感應于高壓側后，A、B 相存在故障電流且A 相熔絲熔斷，C 相電流基本不變。在初次故障和重合故障時熔斷器熔斷相存在故障電流和瞬間過電壓。

在不對稱短路時，使用對稱分量法計算短路電流，將短路電流分為正序，負序，零序三部分，按照不同序電流在系統中流經的部分確定系統的各序阻抗，最后在利用短路點的邊界條件將各序電路組合起來，計算出短路電流。Dyn-11 型變壓器低壓側發生單相接地短路時，短路電流計算公式為：

其中Ua為A 相電壓，為回路正序阻抗值，為回路負序阻抗值，為回路零序阻抗值。

根據自動更換式跌落熔斷器裝置在10 kV電網中仿真結果可知，其故障短路電流結果與不對稱短路電流計算理論基本相符，驗證了該裝置控制系統設計在電網應用中可控、可行。

4 結束語

本文提出一種10 kV 自動更換式跌落熔斷器控制方法，按照操作要求設置跌落熔斷器系統自動操作邏輯，能自動實現瞬間故障、永久故障情況的隔離處理。裝置的系統控制設計通過仿真驗證可行，系統電流、電壓在可控范圍且與電力系統理論相符。自動更換式跌落熔斷器在控制系統的支撐下實現遠程、就地的電網故障處理，自動更換、重合功能可以自愈瞬間故障、自動隔離永久故障，實現了保護、控制、檢修的元件最優化。自動更換式跌落熔斷器裝置系統可以快速保護變壓器、快速恢復電網運行、明顯隔離故障設備，能有效提高用戶供電可靠性，降低企業運維成本。