景 皓，庞先海，张智远，马天祥

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.国网河北省电力公司，石家庄 050021)

2017-04-18

景 皓(1983-)，女，高级工程师，主要从事配电网设备试验及技术监督工作。

12 kV用户分界开关在河北省南部电网的应用及问题分析

景 皓1，庞先海1，张智远2，马天祥1

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.国网河北省电力公司，石家庄 050021)

介绍12 kV用户分界开关在河北省南部电网的应用情况及存在的问题，详细分析不同中性点接地方式下保护定值的设置情况，针对单相故障保护定值设置、相间短路保护定值设置、设备选型和设备质量管控等提出具体的处理措施。

配电网；用户分界开关；保护定值

12 kV高压交流自动用户分界开关(简称“用户分界开关”)因其智能化程度高、能够快速准确隔离故障点而在配电网中得到广泛应用[1]。然而，配电网网架结构复杂，一个开闭所或变电站往往带有多条配电线路，一条配电线路可能带有多个用户负荷，这为用户分界开关正确动作增加了难度[1-2]。如果用户分界开关无法正确隔离(切除)单相接地或相间故障，将扩大故障范围，影响非故障区段用户的正常用电。因此，积极发现并处理用户分界开关在配电网应用中存在的问题，确保用户分界开关正确动作，对于提高电网供电可靠性具有重要意义。

1 用户分界开关功能及结构

用户分界开关可分为分界负荷开关和分界断路器，分界负荷开关具有一定的动稳定和热稳定能力，能够开断负荷电流和因单相接地故障产生的接地电流，不能开断相间短路电流，但能够在电源侧断路器跳闸停电后实现分闸，以隔离故障点。分界断路器一般可设置单相接地保护动作跳闸功能，也可设置速断保护和过流保护跳闸功能，即能够开断负荷电流、单相接地故障电流和相间短路电流[3]。

与传统配电网柱上开关比较，用户分界开关在功能上具有较多特点：可实现自动切除单相接地故障，避免对变电站及馈线上的其他分支用户造成影响；可自动隔离或切除相间短路故障，快速定位故障点；可监控用户负荷，实现对用户负荷的远方实时数据监控；可实现远方操作功能，通过手机短信或计算机后台方式操作用户分界开关分合闸[1-3]。

用户分界开关主要包括开关本体、控制器、内置零序电流互感器、线路电流互感器和电压互感器等元件。开关本体可分为负荷开关和断路器2种，控制器实现微机信号采样及保护控制功能。

2 用户分界开关的应用情况

截至2017年3月，用户分界开关在河北省南部电网(简称“河北南网”)共安装625台，主要分布在沧州、保定、邢台和石家庄配电网，其中装有手机卡实现“四遥”功能的开关有35台。用户分界开关主要安装点为10 kV线路分段开关、联络开关，10 kV分支线路与主线路连接点，用户与公司设备的产权分界点等。

从运行状况看，河北南网用户分界开关跳闸记录44次正确动作，其中开断相间短路故障18次，单相接地故障26次，按故障原因分类，用户变压器故障10次，电缆故障6次，支撑瓷瓶故障4次，架空线路故障20次，其他设备故障4次；误动7次，包括无故障误动作4次，区外故障判断错误动作3次；拒动3次，均为区内故障用户分界开关未动作。从使用效果看，目前正常使用用户分界开关547台，50台未设置接地保护动作跳闸功能，仅投入短路和过流跳闸功能；28台用户分界开关因其误动率高将其二次保护搭死处理，设备不具备开断功能。

由运行情况可见，用户分界开关不正确动作(误动或拒动)比重高达18.5%，正确动作率明显偏低。分析用户分界开关误动或拒动原因可知，保护定值设置存在问题是用户分界开关误动作的主要原因，设备选型存在问题和设备质量问题是次要原因。

3 保护定值设置问题分析

3.1 中性点不接地系统单相接地故障

对于中性点不接地系统，发生用户区内单相接地故障时电路原理如图1所示。

图1 中性点不接地系统区内故障原理示意

接地故障点处的电流可由公式(1)计算

I0=I01+I02

(1)

式中：I01为单相接地故障时电源侧零序电流；I02为单相接地故障时负荷侧零序电流。I01、I02计算公式如式(2)、(3)所示。

I01=3ωU0C1

(2)

I02=3ωU0C2

(3)

式中：C1为电源侧(用户区外)线路的相对地电容值的总和；C2为负荷侧(用户区内)线路的相对地电容值的总和；U2为电源相电压；ω为频率。

一般电源侧线路相比负荷侧线路长很多，因此C1远大于C2，所以I01比I02大很多，即在中性点不接地系统单相接地故障时接地点电源侧能够检测出较大的零序电流，而负荷侧零序电流较小。可见，中性点不接地系统通过设定适当的零序电流保护定值，用户分界开关可准确判定故障在用户区外或区内。当判定故障在用户区内时保护动作，故障切除。

3.2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障

对于中性点经消弧线圈接地系统，发生用户区内单相接地故障时电路原理如图2所示。

图2 中性点经消弧线圈接地系统区内故障原理示意

接地故障点处的电流I0L可由公式(4)计算

I0L=I01+I02-IL

(4)

式中：I01、I02含义及计算公式如式(1)-(3)所示；IL为单相接地故障时消弧线圈补偿电流。用户发生区内单相接地故障时流经用户分界开关的故障电流I1L如公式(5)所示

I1L=I01-IL

(5)

根据图2可知，发生用户区内单相接地故障时流经用户分界开关的电流为I1L,发生用户区外单相接地故障时流经用户分界开关的电流为I02。电源侧线路相比负荷侧线路长很多，因此C1远大于C2，所以I01远大于I0L。消弧线圈补偿电流I1L的大小及方向由补偿方式决定，一般情况下，接地补偿应保证5%～10%以上的脱谐度，可见I01比IL大很多。因此I1L明显大于I02，将保护定值设置在I1L、I02之间，用户分界开关可准确区分发生区外或区外单相接地故障。

3.3 中性点经小电阻接地系统单相接地故障

对于中性点经小电阻接地系统，发生用户区内单相接地故障时电路原理如图3所示。

图3 中性点经小电阻接地系统区内故障原理示意

接地故障点处的电流I0R可由公式(6)计算

I0R=I01+I02-IR

(6)

式中：I01、I02含义及计算公式如式(1)-(3)所示；IR单相接地故障时经小电阻接地电流。

用户发生区内单相接地故障时流经用户分界开关的故障电流I1R如公式(7)所示

I1R=I01-IR

(7)

根据图3可知发生用户区内单相接地故障时流经用户分界开关的电流为I1R,发生用户区外单相接地故障时流经用户分界开关的电流为I02。经小电阻接地系统较多采用中性点经10 Ω接地电阻，一般金属性接地故障电流为300～500 A，因此I1R远大于I01、I02。将保护定值设置在I1R和I02之间，用户分界开关可准确区分发生区外或区外单相接地故障。

3.4 相间短路故障

选用分界断路器线路，发生区内相间短路故障时，分界断路器根据过流速断保护整定情况，自动将短路故障切除；发生区外相间短路故障时，分界断路器未流过短路电流，不动作。

选用分界负荷开关线路，发生区内相间短路故障时，分界负荷开关的零序电流互感器检测不到相间短路故障，零序电流保护不动作，单相电流互感器检测到短路故障电流后进行记忆，上级开关跳闸后进行自动分闸，隔离故障点，然后上级开关重合闸。发生区外相间短路故障时，分界负荷开关未流过短路电流，不动作。

3.5 故障处理方式及保护设置

当发生区内(负荷侧)单相接地故障时，用户分界开关测得零序电流超过保护定值，经延时判定永久性接地后跳闸；当发生区外(电源侧)单相接地故障时，用户分界开关测得零序电流不超过保护定值，不动作。发生区内相间短路故障时，过流速断保护动作；发生区外相间短路故障时，不动作。用户分界开关动作逻辑及保护设置见表1所示，其中Iu为保护定值电流，其他符号与公式(1)-(7)相同。

表1 用户分界开关动作逻辑及保护设置

故障性质及位置保护处理保护设置中性点不接地系统用户区内单相故障经延时判定永久性接地后跳闸I01>>Iu>>I02中性点经消弧线圈接地系统用户区内单相故障经延时判定永久性接地后跳闸I01>>IL>>Iu>>I02中性点经小电阻接地系统用户区内单相故障先于变电站保护动作跳闸I01>>IR>>Iu>>I02中性点不接地系统用户区外单相故障不动作I01>>Iu>>I02中性点经消弧线圈接地系统用户区外单相故障不动作I01-IL>>Iu>>I02中性点经小电阻接地系统用户区外单相故障不动作I01-IR>>Iu>>I02相间短路用户区内故障跳闸过流速断相间短路用户区外故障不动作过流速断

4 处理措施

4.1 单相接地零序电流保护定值整定

用户分界开关根据电流的幅值大小及持续时间判断故障情况，无论纯金属接地或者经高阻接地，单相接地故障时零序电流保护定值决定其动作灵敏度。在设置零序电流保护定值时需重点考虑以下因素。

a. 零序电流整定值应大于用户分界开关内置零序TA在最大负荷条件下的不平衡输出。考虑留有必要的裕度，一般情况下零序电流定值不应小于0.2 A。

b. 用户分界开关零序电流保护定值应大于单相接地故障时负荷侧零序电流。为确保用户分界开关正确动作，建议用户分界开关零序电流保护定值应不小于负荷侧零序电流的2倍。

c. 用户分界开关所带线路较长且导致零序电流定值较大时，可造成区内高阻接地故障时用户分界开关拒动。

d. 零序电流保护定值根据架空线路截面和长度确定。在中性点不接地或经消弧线圈接地系统中，发生单相接地故障，变电站出线保护不跳闸，只发出接地信号，允许短时间接地运行。为了便于判断故障，此时分界开关的动作时限，应大于接地延时判断时限，并在变电站发出接地信号之后再动作跳闸。

4.2 相间短路保护定值整定

a. 对于分界断路器，应与上级断路器和用户断路器保护动作时限相配合，确保发生用户区内故障时先于上级断路器动作，切除短路故障。

b. 对于分界负荷开关，动作时限应与变电站出线保护重合闸动作时间相配合，用户区内产生瞬时故障时，首先上级断路器动作，然后负荷开关分闸，故障点切除，最后上级断路器重合闸恢复供电。

4.3 用户分界开关的选型应考虑的因素

a. 根据配电网结构状况和重要程度，来确定采用用户分界断路器或用户分界负荷开关。

b. 采用分界断路器会增加保护级差，使变电站出线保护增加时延，对设备和电网的安全运行不利。

c. 分界断路器还必须与用户进线断路器进行保护配合，如配合不当，会引起责任纠纷。

d. 分界断路器性价比不如分界负荷开关。

4.4 用户分界开关质量管控

a. 对用户分界开关开展设备到货抽样检测，重点是设备材质检测。如开展开关触头镀银层、设备固体绝缘材质、空气绝缘距离等检测项目。

b. 进行现场故障模拟试验，检验用户分界开关对短路故障的处理能力。

5 结束语

12 kV用户分界开关因其能够有效隔离故障点而在河北南网配电网中得到广泛应用。现场运行效果表明用户分界开关受保护定值设置、设备选型等因素影响，不正确动作(误动或拒动)率明显较高。通过分析保护定值设置存在的问题，从单相接地故障、相间短路、设备选用和设备质量等方面提出处理措施和建议，为提高用户分界开关正确动作率，提升使用效果提供参考。

[1] 李建基．高压开关设备实用技术[M]．北京： 中国电力出版社，2005．

[2] 林 莘．现代高压电器技术[M]．北京：机械工业出版社，2011．

[3] 宋向东，刘 娜．10 kV配网用户分界负荷开关的应用[J]．华北电力技术，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

本文责任编辑：齐胜涛