基于重合闸时序图的联络开关保护整定*

何洪流付 宇吴 鹏张锐锋肖小兵刘安茳

(贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550002)

随着配电网自动化技术的飞速发展，在馈线终端装置上配置配电自动化的紧急控制功能，实现独立、完整的故障诊断以及隔离功能，已然成为馈线自动化技术发展的主要趋势[1-4]。

目前，国内外研究学者对馈线自动化的原理分析以及改进控制技术研究已有一定的基础。黎锦荣等[5]提出应用遗传算法，提出了一种基于混合型分布式终端配置的快速故障定位馈线自动化控制策略，采用叠加查询的方法定位联络开关位置实现故障区段的快速定位以及非故障区段的快速恢复供电，仿真实验结果表明这种控制方法可在数百毫秒内完成故障定位、切断和恢复供电等一系列程序。嵇文路等[6]通过分析馈线自动化动作失败的常见原因，提出了一种递进式的馈线自动化功能检验策略，包括馈线自动化功能投运的全生命周期，保证了馈线自动化启动成功率、动作正确率，实际工程应用效果验证了所提方法的有效性。苏标龙等[7]基于现场实际应用情况，对当前国内配网馈线自动化线路的运行情况进行了分类统计分析，找到影响馈线自动化应用可靠性和准确性的重要影响因素，通过仿真测试探究配电网馈线自动化线路存在的问题，并对配电网可靠性进行评估，确保馈线自动化线路运行过程中的安全性和可靠性。张维等[8]提出了主干线采用基于网络拓扑的区域故障定位与隔离，分支线采用就地分界保护功能与变电站出口断路器级差配合的新型就地馈线自动化策略，并给出了相应产品的设计方案，工程应用情况证明了该方案的可靠性和准确性。覃朝云等[9]通过引入配电线路的静态拓扑模型与动态拓扑模型，作为实现配电线路拓扑自适应的基础，提出了主站系统与分布式馈线自动化以及终端之间的拓扑模型交互机制，实现配电线路拓扑变更自适应，并在南瑞配网静态模拟系统上验证了其可行性。凌万水等[10]提出了一种终端注入测试法，用于现场测试馈线自动化功能有效性的方案，以工程现场测试为案例，详细介绍了该测试法的测试步骤，并分析了现场应用存在的主要问题及其解决方案。凌万水等[11]在配网10 kV 线路的运行管理中将10 kV 线路馈线自动化和故障定位“二遥”这2 种系统的功能结合起来，提出了一种具备故障自动定位隔离，且具有遥测遥信功能的配网自动化综合系统。

结合上述研究文献来看，要使配电自动化成套设备正确动作，充分发挥馈线自动化技术的优越性，不仅要合理配置馈线终端，还要适当调整变电站出线断路器的保护定值，以满足自动化开关正确动作的要求。为此，基于重合闸时序图，对联络开关的失压合闸时限展开分析，提出了一种电压型柱上联络开关快速合闸延时的保护整定计算方法，以期能够缩短停电时长，提升配电网的供电能力。

1 电压-时间型馈线自动化联络开关

1.1 技术手段

电压-时间型柱上自动化负荷开关，简称为电压型柱上开关，是具备自动分闸、合闸及闭锁功能的柱上自动化成套设备，由负荷开关本体、馈线终端、电压互感器等组成，其结构示意图如图1 所示[12]。

电压型柱上开关通过其馈线终端预先设定好的电压-时间逻辑对线路运行情况进行检测，进而对动作逻辑进行检测，进而对动作逻辑进行整定，当线路两侧均断电时，则启动自动分闸功能；当线路一侧来电时，则启动延时合闸功能。电压型联络开关与上一级线路的断路器保护以及重合闸相互协作完成故障区段的快速隔离以及非故障区域的正常供电[13]。通常，将电压型柱上开关分成分段用柱上开关以及联络用柱上开关两种，即常闭型柱上开关和常开型柱上开关。

图1 电压柱上负荷开关结构图

对联络用柱上开关的保护整定方法进行研究，主要技术参数包括[14]:

(1)失压合闸时间，又称为XL时限，是柱上联络开关处于分闸位置时，检测到单侧失压后联络开关合闸的延时时间。

(2)合闸确认时间，又称为Y时限，是指开关上电合闸后，在该时限内失压，则启动自动分闸功能并将该开关正向闭锁合闸。

(3)分闸延时时间，又称为Z时限，是指线路失电后到启动开关分闸功能的延时时间。

1.2 馈线自动化配置方案

电压-时间型馈线自动化作为一种常见的就地控制型自动化控制方案，被广泛用于不同的配电线路中[15-17]。如图2 所示，为电压-时间型馈线自动化配置方案的典型接线。联络开关具有联络型电压-时间的时序逻辑诊断功能，可以对开关两侧的电压、电流信号进行采集，即当检测到联络开关单侧的失压信号时，启动延时合闸，当检测到联络开关两侧均有失压信号时，则启动闭锁合闸。

图2 馈线自动化配置方案

2 电压-时间型联络开关保护的整定计算

电压型分段开关在正常运行工况下处于分闸状态，在投入开关单侧失压延时合闸逻辑判断时，需要对Y时限、Z时限以及XL时限进行整定。通常，将电压型柱上开关的Y时限设定为5 s，Z时限设定为3.5 s，而XL时限的整定需要根据不同故障情况以及具体的网架结构对失压合闸时间配合问题进行分析。

2.1 联络开关失压合闸时限分析

以图3 所示的多分段单联络的配电网为例，CB1 为变电站出线断路器，A、B、C、D、E、F 均为电压型柱上分段开关，LS 为电压型柱上联络开关，在开关A 和开关B 间线路上存在两条分支线，且每条分支线上各配置一个分段开关D 和分段开关E，图中注明了各个分段开关的X 时限。

图3 多分段单联络的配电网示意图

基于图3 可知，若线路发生瞬时接地故障，出线断路器CB1 跳闸再进行第1 次重合闸后，各分段开关A、D、E、B、C 依次进行延时合闸，整个配电网恢复正常供电，此时，可以求得联络开关LS 从失压到复电所耗费的时长为:

式中:tg为出线断路器CB1 首次保护跳闸的动作时间；TCH1为首次重合闸时间；∑Xn为各分段开关得电合闸的时间总和，此时为35 s。假定tg＝2 s，TCH1＝5 s，则有＝42 s。

基于上述分析发现，若联络开关LS 失压时间大于42 s 后还未复电，则判定配电线路中存在永久性故障。假定永久性故障发生在E 开关所在支线，此时可通过二次重合闸的方式恢复非故障区域的供电[18]。假设第2 次重合闸时间TCH2＝30 s，图4 为整个故障处理的时序图，故障隔离分析详细过程如下:

(1)E 开关所在支线发生永久短路接地故障，线路失压，联络开关LS 开启失压计时，2 s 后出线断路器CB1 保护跳闸:

(2)5 s 后断路器CB1 进行首次重合闸；

(3)分段开关A、D、E 顺序合闸，时间间隔均为7 s，当E 开关合于永久短路接地故障时，出线断路器CB1 经过2 s 时长后再次保护跳闸，此时开关E失压分闸且启动闭锁合闸:

(4)30 s 后出线断路器CB1 进行第2 次重合闸；

(5)分段开关A、D、B、C 分别在t＝67 s、74 s、88 s、95 s 时刻顺序合闸，当C 开关得电合闸时，联络开关LS 得电停止计时，此时失压总时长达到了95 s。

图4 开关E 故障恢复逻辑图

由此可知，联络开关LS 的单侧失压自动合闸时间既要超过瞬时接地故障下的复电时间，又要大于非联络开关所在支线线路故障后的复电时间，如图3 案例中支线开关E 的故障复电时间95 s。

因此，柱上联络开关失压合闸时间的整定应考虑通过2 次重合闸，优先实现电源侧非故障区段的复电，再通过联络开关实现另一侧非故障区的复电，以提升合闸的可靠性。XL时限的计算方法为:

式中:ΔT为联络开关的可靠合闸延时时限，一般设置为2 s～3 s。进一步求得联络开关LS 的XL时限为:

2.2 联络开关的快速合闸策略

如2.1 节所述的供电恢复策略耗时较长，为减小非故障区域恢复供电的等待时间，对各分段开关的合闸时间及配电线路的规划建设提出了如下要求:

(1)合理整定分段开关的X 时限，优先启动联络开关所在支线分段开关的合闸逻辑。如图3 所示的配电网，设置联络开关所在支线的分段开关A、B、C 优先合闸，再合闸分段开关D、E，各开关的X 时限如图4 所示。

(2)在配电线路规划设计期间，就需确立好线路的联络开关所在的主干线配置方案，确保在线路发生改造、新增等工况下联络开关所在支线的分段开关依旧能进行优先合闸。

在符合以上要求的前提下，柱上联络开关的XL时限可整定为避开线路断路器首次或是第2 次重合后联络开关处复电的时长。此时，联络开关快速合闸延时时限XL的计算方法为:

在式(4)的计算过程中，需要注意的是，联络开关的合闸延时整定应配合开关两侧线路的重合送电过程，取两侧重合送电时间的最大值。若存在多个联络开关时，则选定具有较强转供性能的联络开关作为主联络开关，启动该联络开关的单侧失压延时自动合闸逻辑，而剩下的联络开关则经由人工操作进行合闸。

2.3 快速合闸延时的可靠性分析

以图5 所示的配电网为例，基于快速合闸策略对馈线自动化方案进行配置，基于式(4)计算得到其快速合闸延时为:

图5 快速复电的配电网

若联络开关另一端送电的合闸延时时限小于该合闸延时时限，那么联络开关LS 的快速合闸延时即为56 s。

研究分别从故障发生于主干线线路和分支线线路2 种工况下，验证所提快速合闸延时策略的可靠性:

(1)永久性接地故障存在于BC 段线路

若永久性接地故障发生在BC 段线路，则其故障处理的时序图如图6 所示。在t＝0 s 时刻，线路发生永久短路接地故障，线路失压，联络开关开始单侧失压计时；在t＝7 s 时刻，断路器进行首次重合闸；在t＝21 s 时刻，分段开关B 合于故障，线路再次失压，2 s 后线路再次跳闸，分段开关B 与分段开关C 启动合闸闭锁逻辑，联络开关LS 继续计时；经过30 s 后出线断路器启动第2 次重合闸，分段开关A、D、E 分别在t＝60 s、81 s、88 s 时刻顺序合闸，联络开关电源侧非故障区域恢复供电；在t＝56 s 时刻，TXL延时时限达到，联络开关合闸，联络开关另一侧非故障区域开始恢复供电。

图6 BC 段故障恢复逻辑图

由此可知，对于故障发生在联络开关所在支线的工况，联络开关的可靠合闸时间为断路器二次重合后3 s，大大缩短了两侧非故障区段的复电时间。

(2)永久性接地故障存在于开关E 负荷侧

假定永久性接地故障发生在分段开关E 的负荷侧，如图7 为该故障工况下的开关操作时序图。在t＝0 s 时刻，线路发生永久短路接地故障，线路失压，联络开关开始单侧失压计时；在t＝7 s 时刻，断路器进行首次重合；经过14 s 后，分段开关C 得电合闸，同时，联络开关得电而清零失电计时。在t＝42 s 时刻，分段开关E 合于故障，线路再次失压，2 s后出线断路器再次跳闸，分段开关E 启动合闸闭锁逻辑，联络开关LS 重新开始计时。经过30 s 后出线断路器启动第2 次重合闸，在t＝95 s 时刻，分段开关C 再次得电合闸，联络开关再次得电而清零失电计时，此时，联络开关累积计时时长为53 s，7 s 后分段开关D 开始合闸，恢复整条线路非故障区域的正常供电。

由此可知，对于故障发生在非联络开关所在支线的工况，快速合闸策略能够保障联络开关不发生误合闸，也证明了该策略的有效性。

图7 E 开关故障恢复逻辑图

3 案例分析

基于研究内容，将电压型柱上联络开关的XL时限整定方法分为可靠合闸时间整定和快速合闸时间整定2 种。以图8 所示的配电网为例，基于快速合闸策略对馈线自动化方案进行配置，图中，LS1 为电压型柱上主联络开关，启动单侧失压延时自动合闸逻辑，联络开关LS2 为一般用电压型柱上联络开关，经由人工操作进行合闸；出线断路器CB1、CB2 的最长保护动作时间tg为2 s，首次重合闸时长t1为5 s，第2 次重合闸时长t2为60 s，A、B、C、D、E、F 均为电压型柱上分段开关，各分段开关的X 时限在图中已标注出。

图8 多联络开关配置图

对L1的失压合闸时间进行计算。得到变电站1 出线断路器CB1 重合后主联络开关L1得电的最长等待时间为:

计算得到变电站3 出线断路器CB3 重合后主联络开关L1得电的最长等待时间为:

由此，可得主联络开关L1的快速失压合闸时间时限为:

4 小结

对出线断路器与馈线终端的保护配合方案展开重点研究，对联络开关的失压合闸时限保护配置方案进行分析，基于重合闸时序图，提出了一种电压型柱上联络开关快速合闸延时策略，并给出了相应的保护整定计算方法，算例验证结果充分证明了所提快速合闸延时保护整定方案能够有效减少停电时间，提高配电网供电水平。