(国网安徽省电力公司潜山县供电公司,安徽 潜山 246300)

1 引言

随着国民经济的飞快发展和社会的进步，科学技术和信息化水平的提升，人们生活水平的不断提高，电力用户对供电可靠性和电能质量的要求也不断提高。

因此，依托现代信息、通信和控制技术来提高智能电网的水平是未来的发展趋势。为了实现减少越级跳闸、最小化故障停电范围、缩短停电时间的目标，本文提出一种新型10kV配电网综合故障隔离装置。此装置能够解决现有通用断路器户外工作电源技术问题，准确检测单相接地故障点，实时在线检测配网开关的运行工况(电流、电压、闭/合状态、故障情况)，使管理人员可在线获取线路运转状态以及线路故障情况下故障区段的判定和解除， 同时，通过设置合理的保护定值，可以减少配电网的跳闸，提高供电的可靠性和质量。

2 综合故障隔离装置的构成

2.1 综合故障隔离设备产品组成

在现有配电网中，实现馈线自动化与信息化，投运的断路器主要是基于普通真空断路器，需安装电源模块(主要在电磁变压器和太阳能电池板)、电流互感器、自动数据采集设备接口等，涉及的设备数量比较复杂，组织协调难度大，导致现场安装工程量大。

为了解决这种问题，设计了断路器本体、能量接收单元、测量单元和前端采集装置的一体化设计方案。基于zw-32型断路器进行开发，在原有基础上延长底座，并且在延长的底座上端加装能量接收单元，以及信号分析单元，信号分析单元通过标准电缆和前端采集装置相连接。

结构如图1所示。

图1 配电网综合故障隔离设备结构图

配电网综合故障隔离设备是由能量接收单元、信号分析单元、柱上断路器和信号采集单元4部分构成。

2.2 网运行管理系统组成及功能

2.2.1 系统组成及结构

配网运行管理系统由三部分组成：

● FTU

●主站系统(容量5000点,可扩容)

●GPRS通讯网络

系统结构图如图2所示。

图2 系统结构示意图

2.2.2 系统主要功能

●故障判断，根据前端装置采集的故障信息，快速判断故障区段；

●故障隔离，短路故障，实时故障隔离，减少越级跳闸；

●故障报警，通过故障推图、声光报警、告警短信等方式，迅速将故障信息上报；

●运行监控，实时监测负荷电流、线路电压、开关状态等运行量；

●运行异常立刻告警，过载，缺相运行，三相不平衡，限位报警等；

●主站开通远程调整保护设定值，包括速断定值(I段保护)、过流定值(II段保护)、零序定值等功能。

3 保护定值整定

随着各地配电自动化系统的实施，FTU逐渐取代涌流控制器，实现线路断路器的短路保护功能。FTU相比于涌流控制器有两个显著优势:首先，FTU可以在允许范围内任意设置保护参数，解决了涌流控制器参数设置不能连续调节的问题；其次，FTU可以在线路带电运行的情况下，远方设定保护参数，解决了涌流控制器参数调整困难的问题。FTU的出现，为变电站出线保护和线路断路器保护之间的配合提供了很好的条件，我们在这个基础上，可以针对线路的实际运行情况，制定适合农村配电网的保护整定方法。

城郊及农村10kV配网线路主要是设计为架空线路，具有几个显著的特点：一是线路长，覆盖面广，地形复杂;二是普遍导线较细，线路电阻较大；三是线路分段较少。图3中展示的是一个典型的农村配电网结构，该配电线路在干线上安装了2台断路器，支线1上安装了2台断路器，支线2上安装了1台断路器。这些断路器全部安装了FTU，并且FTU可以通过GPRS通讯方式与配电自动化后台进行通讯。

下面我们结合上图中的配电线路，介绍一下农村配电网的保护整定原则：

原则1：基于拓扑关系的保护分级。

配电线路的保护整定，必须要考虑变电站出线保护，将它和线路断路器保护综合考虑，可以认为变电站出线保护为第一级。线路断路器保护可以按照干线和支线分级，例如干线为第二级，支线为第三级，这种分级方法简单明了，但在实际应用中可能会导致定值设置时的不合理。我们按照线路断路器的拓扑关系分级，以变电站为源节点向下搜索，使用广度优先搜索，可以得到以下结果：变电站出线保护为第一级，01#断路器保护为第二级，02#、03#05#断路器保护为第三级，04#断路器保护为第4级。

图3 典型配电网结构图

原则2：以时延级差配合为主，定值级差配合为辅。

线路断路器保护分为速断保护和过流保护两级，他们分别对应变电站出线保护的I段和III段。因为出线保护I段的时延为0s，所以线路断路器的速断保护时延只能为0s，并且在定值上要小于出线保护I段的定值才有配合的可能。出线保护III段的时延一般为0.6～1s，线路断路器的过流保护可以在时延和定值两方面和出线保护形成配合。

在线路上发生短路故障的时候，我们希望故障点前端最近的一个断路器跳开，其余断路器不动作，以控制故障的影响在一个最小范围内。如上图在支线1末端上发生短路故障，我们希望12#断路器跳开，其余断路器不动作。

但实际上可能有两种情况：

(1)速断故障。当短路电流超过出线过流I段(速断)定值时，出线断路器会跳开，01#、02#、03#、05#断路器也会跳开，这时如果变电站有重合闸设置，则可以重合闸成功，恢复线路01#断路器之前的供电。干线、支线2及支线1中04#断路器之前的供电需要人工恢复。在变电站出线保护I段的时延不增加之前，对于此类故障，虽然配网自动化系统可以准确判定故障区段，但仍会造成非故障区段的短时停电。

(2)过流故障。当短路电流不超过出线过流I段(速断)定值时，出线断路器和01#、03#、04#断路器中时延最小的一个会跳开，如果我们可以合理的设置断路器保护的时延，就可以保证04#断路器跳开而其他断路器不动作，准确判定故障区段的同时将故障的影响控制在最小范围内。

如果只按照干线和支线两级设置时延，则干线上01#、02#断路器的时延是相同的，支线1上03#断路器和04#断路器的时延也是相同的，这就可能会出现越级跳闸的问题。此次故障发生后，可能03#断路器会先于04#断路器跳闸，如果04#断路器未跳闸，配电自动化系统会判断故障区段在03#断路器和04#断路器之间，与实际故障区段不符。如果按照拓扑关系分级设置时延，04#断路器延时小于03#断路器延时，则可以保证04#断路器先跳闸，准确判断故障区段。

下面以前文所述的典型农村配电网为例，进行配电网保护的整定。

表1 变电站定值表

表1中，变电站出线保护的所有参数由变电站设置。

线路断路器的速断保护定值按照躲开线路最大励磁涌流并且小于上一级速断保护定值来整定：

Ii,I=Kk×Ii,cl

式中,Ii,I—i#断路器的速断保护定值；

Kk—可靠系数，取1.1～1.5；

Ii,cl—i#断路器处的最大励磁电流。

每一台断路器与紧邻它的上一级断路器之间的速断保护定值之差至少为ΔI(级差电流)，以确保不会因电流测量精度的原因越级跳闸。

过流保护定值按照躲开线路最大负荷电流并且小于上一级过流保护定值来整定：

根据最大负载电流调整过流保护设定值，并且小于上一级过流保护定值来整定：

Ii.Ⅲ=Kk×Kzp×Ii,max

式中:Ii,Ⅲ—i#断路器的过流保护定值；

Kk靠系数，取1.1～1.5；

Kzp—自启动系数，取1～3；

Ii,max—i#断路器处的最大负荷。

每一台断路器与紧邻它的上一级断路器之间的过流保护定值之差至少为ΔI(级差电流)，以确保不会因电流测量精度的原因越级跳闸。

因为农村配电网线路情况复杂，导线的老化问题也比较严重，导致在实际工作中很难得到准确的线路阻抗。所以，线路短路电流的准确计算难度很大，我们很可能无法整定出理想的保护定值级差配合。这也就是为什么农村配电网的保护整定要以时延级差配合为主，定值级差配合为辅。

只有在变电站出线保护I段的时延增加的前提下，才能给线路断路器的速断保护时延留下级差配合的空间。因此，在线路上报速断故障时，通过有效的保护设置，可以准确地确定故障区段并且把故障控制在最低范围内，以避免发生越级跳闸。

4 新型配电网综合故障隔离装置的应用情况

由于潜山县地形条件复杂，老旧线路多，造成线路故障多发，2015全年共发生越级跳闸25次，如下图蓝色曲线所示，故障高发季节集中在7、8月份。安装新型配电网综合故障隔离装置和实施TAS监控系统后，有效将故障隔离在区域范围内，同期相比越级跳闸次数减小为3次，全线停电次数显著降低，如下图红色曲线所示。

5 结论

新型配电网综合故障隔离装置与配网线路巡检终端应用，系统效用明显，为提高配电网管理水平和智能电网实施奠定了良好基础。

本文介绍了一种新型配电网综合故障隔离设备，该设备的最重要的特征为一体化设计，这既包括一次、二次设备的一体化安装，也包括测量、保护、故障选线等多项功能的一体化集成。此类设备在电网中的应用表明，该设备具有对配电网进行在线监测的功能，并能对配电网故障情况进行监测，发生故障后立即隔离、研判，给线路运维人员提供了可靠的告警信息，缩小故障范围，提高了工作人员效率，降低了运维成本，避免电网事故发生，提高供电可靠性。

图4 TAS系统投运前后越级跳闸次数对比图