基于快速分閘的開關(guān)和智能控制器的故障隔離

1技術(shù)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(zhì)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(shè)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(shè)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(shè)的方案,提出:到2020年,將逐步完善中心城市(區(qū)）智能化建設(shè),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(zhì)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(shù)方案提出了更高要求,需要有更多的技術(shù)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(guān)和智能控制器的故障隔離配網(wǎng)自動化技術(shù)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(nèi),而不波及"墻"外的供電用戶）。

2"配電防火墻"技術(shù)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(nèi)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(guān)內(nèi)側(cè)但其保護動作時限與變電站出線開關(guān)保護配合不當時,均會造成變電站出線開關(guān)保護掉閘。如果此故障性質(zhì)是長期的,就會導致它的變電站出線開關(guān)重合失敗,那么,此次單個用戶界內(nèi)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(shù)方案是應(yīng)用一種能快速分閘的開關(guān)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(nèi)快速反應(yīng),并先于變電站出線開關(guān)動作反應(yīng)時間切除隔離故障,不使本條線路上的出線開關(guān)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(nèi)的故障限制在了很小的供電范圍內(nèi),從而提高了供電可靠率。

2.2方案組成及實現(xiàn)的技術(shù)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(guān)(斷路器或環(huán)網(wǎng)箱）:因為一個變電站的出線開關(guān),按電網(wǎng)公司的規(guī)程規(guī)定,其對故障作出判斷的反應(yīng)時間一般為60～80ms之間,一旦變電站出線開關(guān)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(guān)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(gòu)的戶外架空線柱上開關(guān)或者彈簧操動機構(gòu)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(shù)方案里要用到一種新型的永磁操動機構(gòu)開關(guān),此類型開關(guān)其操動機構(gòu)采用電磁線圈驅(qū)動開關(guān)的合分閘,并使用永磁鐵的吸力來保持開關(guān)合或分的狀態(tài)。永磁機構(gòu)組成零件非常少,只有同類型彈簧操動機構(gòu)的10%,且其動鐵芯直接和開關(guān)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(gòu)開關(guān)能將分閘時間控制在很小的范圍內(nèi)。本文探討的技術(shù)方案要求開關(guān)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(chǔ)數(shù)據(jù)來源于高精度的采樣數(shù)據(jù)。本文探討的技術(shù)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(guān)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(guān)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(guān)完成分閘,其時間會在46ms以上,這樣時間會太長。所以本技術(shù)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(nèi)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(guān)的動作時間和變電站出線開關(guān)動作時間之間的配合設(shè)定關(guān)系。通常按配網(wǎng)自動化規(guī)程要求,變電站出線開關(guān)的全斷開時間可設(shè)定為72=120ms,故障判斷及輸出分閘信號的時間設(shè)定在60～80ms之間。因變電站出線開關(guān)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(guān)必須在≤60ms的時間內(nèi)完成全斷開,以隔離故障,才不會導致出線開關(guān)分閘造成整條線路停電。所以,設(shè)定"配電防火墻"開關(guān)在≤36ms內(nèi)完成分閘,并在經(jīng)最長10ms燃弧后完成全開斷,切除界內(nèi)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(shù)方案的時間設(shè)定參考圖。

2.4"配電防火墻"方案應(yīng)用舉例

以架空線路為類,"配電防火墻"技術(shù)方案可根據(jù)應(yīng)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(guān)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(nèi)、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(chǔ)上增加方向性判定,對于界內(nèi)故障做到有選擇的跳閘。

(3）過負荷保護:根據(jù)界內(nèi)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(jié)語

當前,國家提出了建設(shè)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(shù)方案百花齊放。選擇怎樣的技術(shù)方案,跟各大、小配電網(wǎng)絡(luò)的實際運行情況相關(guān)。文中所論述的"配電防火墻"自動化方案具有組成結(jié)構(gòu)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(luò)使用:其投入比較小,但可靠性高,值得配網(wǎng)用戶應(yīng)用推廣。