基于快速分閘的開關和智能控制器的故障隔離

1技術方案提出的背景

配網(wǎng)是城市和農(nóng)村供電的載體,只有采用質量合格的配網(wǎng),才能確保用戶的供電安全,具有重要的經(jīng)濟價值和社會意義。在早期電網(wǎng)建設時,更加重視發(fā)電和輸電,而配電和用電環(huán)節(jié)往往被輕視。經(jīng)過幾輪的城、農(nóng)網(wǎng)改造,國家先后投入了幾百億的資金,主要用來完善配網(wǎng)系統(tǒng),完善配網(wǎng)的硬件升級。不過,配網(wǎng)自動化的建設還處于啟動階段,到2016年國家電網(wǎng)公司有一個統(tǒng)計:其配電自動化覆蓋率為18.9%,其中城網(wǎng)配電自動化覆蓋率為38.3%。城網(wǎng)的配電自動化水平稍高一些,但依然處于較低的水平。當前,為了保障經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,加上人民對用電可靠性的要求越來越高,國家能源局于2015年7月印發(fā)了配電網(wǎng)建設的方案,提出:到2020年,將逐步完善中心城市(區(qū)）智能化建設,進而保障供電可靠率為99.99%,以及所有居民和企業(yè)年均停電時間小于1h,從而使得我國供電質量處于一流的水平:將進一步完善城鎮(zhèn)地區(qū)供電能力,供電可靠率超過99.88%,以及所有居民和企業(yè)年均停電時間不超過10h:到2020年配電自動化覆蓋率要達到90%。為達到并實現(xiàn)上述目標,就對配網(wǎng)自動化技術方案提出了更高要求,需要有更多的技術解決方案來滿足不同條件下的配網(wǎng)自動化需求。本文提出了一種基于快速分閘的開關和智能控制器的故障隔離配網(wǎng)自動化技術方案,文中把它簡稱為"配電防火墻"方案(就像一道墻一樣,把故障隔離在"墻"內,而不波及"墻"外的供電用戶）。

2"配電防火墻"技術方案

2.1方案原理描述

10kV架空線路用戶或電纜線路T接用戶的界內出現(xiàn)故障時,如故障在其進線段,或故障雖發(fā)生在用戶進線開關內側但其保護動作時限與變電站出線開關保護配合不當時,均會造成變電站出線開關保護掉閘。如果此故障性質是長期的,就會導致它的變電站出線開關重合失敗,那么,此次單個用戶界內的故障會造成整條配電線路停電。此類配電網(wǎng)中常見的波及停電事故,會帶來供電可靠性和穩(wěn)定性的極大降低,對供電公司供電可靠性的考核及用電用戶都帶來很大的影響,也會影響電網(wǎng)公司在用戶中的聲譽。

"配電防火墻"技術方案是應用一種能快速分閘的開關和能迅速檢測并算出故障的智能控制器配合,在極短的時間內快速反應,并先于變電站出線開關動作反應時間切除隔離故障,不使本條線路上的出線開關跳閘,因此不影響本線路上其他非故障用戶的供電,把單個用戶界內的故障限制在了很小的供電范圍內,從而提高了供電可靠率。

2.2方案組成及實現(xiàn)的技術條件

要實現(xiàn)此"配電防火墻"方案,必備的基本條件如下:

(1）能快速分閘的開關(斷路器或環(huán)網(wǎng)箱）:因為一個變電站的出線開關,按電網(wǎng)公司的規(guī)程規(guī)定,其對故障作出判斷的反應時間一般為60～80ms之間,一旦變電站出線開關的微機保護完成故障判斷,并輸出分閘信號,該信號就是不可收回的,所以"配電防火墻"開關必須在60ms以前把故障切除并隔離。而現(xiàn)在電網(wǎng)公司大量使用的彈簧操動機構的戶外架空線柱上開關或者彈簧操動機構的環(huán)網(wǎng)箱,均不能滿足這一條件。因為它們的分閘時間基本都比較長,都在50～120ms之間,且每一次分閘的時間分散性比較大,不具備實現(xiàn)快速切除并隔離故障的能力。這個技術方案里要用到一種新型的永磁操動機構開關,此類型開關其操動機構采用電磁線圈驅動開關的合分閘,并使用永磁鐵的吸力來保持開關合或分的狀態(tài)。永磁機構組成零件非常少,只有同類型彈簧操動機構的10%,且其動鐵芯直接和開關動作端連接,減少了中間的傳動環(huán)節(jié),這些因素保證了永磁操動機構開關能將分閘時間控制在很小的范圍內。本文探討的技術方案要求開關分閘時間不超過26ms。

(2）高精度電流電壓傳感器:因為是否存在故障的判斷是在智能控制器上作出的,而其計算的基礎數(shù)據(jù)來源于高精度的采樣數(shù)據(jù)。本文探討的技術方案要求其電壓電流傳感器精度達到0.5級及以上。要求開關配套高精度電流電壓傳感器,而非傳統(tǒng)的電磁式電流電壓互感器,主要也是為了保證采樣數(shù)據(jù)的精度,同時能過濾掉傳統(tǒng)電磁式電流電壓互感器所具有的高頻諧波分量,避免對智能控制器算法程序產(chǎn)生干擾量。

(3）具備快速算法的智能控制器:因為開關的分閘時間已經(jīng)占去了約26ms時間,所以智能控制器的故障判斷算法不能按常規(guī)采用全波算法,原因是50Hz的系統(tǒng)一個完整波需要20ms時間,再作出分閘信號輸出,并讓開關完成分閘,其時間會在46ms以上,這樣時間會太長。所以本技術方案需要智能控制器處理器在故障出現(xiàn)的首半波即能快速算出故障并輸出分閘信號,并對內部的信號輸出采用IGBT而非繼電器方式,以保證從采樣到判斷輸出分閘信號的時間不超過10ms。

2.3方案動作時間的實現(xiàn)

圖1顯示了"配電防火墻"開關的動作時間和變電站出線開關動作時間之間的配合設定關系。通常按配網(wǎng)自動化規(guī)程要求,變電站出線開關的全斷開時間可設定為72=120ms,故障判斷及輸出分閘信號的時間設定在60～80ms之間。因變電站出線開關若已輸出分閘信號將會是不可收回的,所以"配電防火墻"開關必須在≤60ms的時間內完成全斷開,以隔離故障,才不會導致出線開關分閘造成整條線路停電。所以,設定"配電防火墻"開關在≤36ms內完成分閘,并在經(jīng)最長10ms燃弧后完成全開斷,切除界內故障并隔離,使本條線上其他用戶正常供電不受影響,從而提高供電的可靠性。

以上動作時間圖,可作為"配電防火墻"技術方案的時間設定參考圖。

2.4"配電防火墻"方案應用舉例

以架空線路為類,"配電防火墻"技術方案可根據(jù)應用場合分為分段型和分界型。

2.4.1分段型

如圖2所示,安裝于配網(wǎng)饋線主干線路,可采用集中式控制,也可采用分布式智能管理。

可實現(xiàn)的具體功能如下:可實現(xiàn)集中控制,安裝于饋線的各分段開關與配網(wǎng)自動化主站實時通信,將二遙信息與故障s0E實時上報主站,主站通過饋線自動化拓撲算法將故障隔離最優(yōu)方案通過遙控命令下發(fā),集中式控制適合負荷密集的中心城區(qū),通信方式建議采用光纖。

2.4.2分界型

如圖3所示,用于安裝在用戶分界點上,起到線路故障快速跳閘保護主干網(wǎng)的作用。

具體可實現(xiàn)的功能如下:

(1）相間保護:區(qū)別于傳統(tǒng)的分界相間保護需配合變電站重合閘來完成隔離故障,可直接通過過流方向判斷故障的界內、界外,從而選擇是否保護跳閘,以避免變電站重合閘對線路帶來的不必要沖擊。

(2）接地保護:在傳統(tǒng)零序保護基礎上增加方向性判定,對于界內故障做到有選擇的跳閘。

(3）過負荷保護:根據(jù)界內變壓器容量算出總負荷,對過負荷給變壓器以及用戶帶來的潛在危險進行保護。

3結語

當前,國家提出了建設智能電網(wǎng)的宏偉規(guī)劃,對于配電網(wǎng)而言,國家能源局也提出了提升配網(wǎng)自動化覆蓋率的要求,這促使了配網(wǎng)自動化技術方案百花齊放。選擇怎樣的技術方案,跟各大、小配電網(wǎng)絡的實際運行情況相關。文中所論述的"配電防火墻"自動化方案具有組成結構簡單、邏輯清楚、可靠性高、易實現(xiàn)等特點,特別適合區(qū)域性的縣級或城鎮(zhèn)級配電網(wǎng)絡使用:其投入比較小,但可靠性高,值得配網(wǎng)用戶應用推廣。