10kV高可靠性配电室保护装置的研究及应用

梁 涛

（北京华航智测勘察设计有限公司）

0 引言

近年来， 随着国家经济的快速发展和居民生活水平的不断提升， 负荷侧对电能质量及供电可靠性的要求越来越高， 在一些对供电可靠性要求高的地区甚至达到99.999%的供电可靠率， 10kⅤ配电室作为配电网中的重要环节， 主要负责用户侧的电力能源供应，为满足配电网的供电可靠性， 对配电室内保护装置的研究及应用是十分必要的。

1 技术分析

对10kⅤ进馈线单元的保护无论是环网供电单元配置负荷开关， 还是配置负荷开关+熔断器组合接线方式， 如果馈线单元发生电流过载或者出现相间短路、 单相接地短路电流故障时， 保护配电装置切除故障满足可靠性快速性的要求， 对10kⅤ高压开关设备的保护非常重要。由于负荷开关不能开断短路电流，一般采用以下两种保护方式： 一种是通过断路器本身具特性具备开断电流的能力， 另一种方案是通过负荷开关配合具备高遮断容量的后备式限流熔断器组合（以下简称： 负荷开关+熔断器组合） 。通常认为在环网柜中， 采用技术性能好的断路器更为合适， 但断路器投资比较高， 操作较为复杂， 切除故障较慢， 广泛的应用比较困难； 采用负荷开关+熔断器组的方式，投资较低， 可以断开短路电流， 故障切除快， 又可满足实际运行的需要。但是当负荷开关和熔断器配合不当时， 或者短路电流未达到负荷开关额定熔断电流时， 负荷开关无法断开故障电流， 供电的可靠性就大大降低。如果断路器采用主保护为光纤纵联差动保护， 后备保护为完整三段相间电流保护、 两段零序电流保护、 线路过负荷保护， 并配备三相一次重合闸功能， 保护动作于跳开本断路器， 在切除故障速度及可靠性上将得到质的飞升。

首先， 我们来梳理一下进馈线单元出现过载或短路故障的情况 （如表1所示） 。

表1 馈线单元出现过载或短路故障的情况

在负荷开关配合熔断器组合中， 把分别具备操作功能和保护功能的不同性质的电力元器件组合到一起， 即开断负载电流或转移电流由负荷开关实现， 同时具备开断短路电流能力， 熔断器用于过载电流和短路电流的开断， 对设备起保护作用， 两种各具特色的电器结合， 具有明显的特点。

2 负荷开关+熔断器组合优势

通过对进馈线单元保护分析， 采用负荷开关配合熔断器组的方案比采用普通断路器保护效果更好， 甚至个别时候断路器保护不能起到有效作用。当进馈线单元内部发生短路故障时， 电弧产生的压力随短路状态继续升高， 压力进一步上升， 进馈线单元箱体变形或者爆炸。为了不破坏馈线单元箱体， 须在极短的时间内切除故障。当采用断路器时， 断路器的全分断时间由以下三部分之和组成， 既继电保护的动作时间、断路器固有的动作时间以及燃弧时间， 通常需要三个周波大约60ms， 导致不能更佳有效地保护进馈线单元。而具有速断功能及限流作用的熔断器， 切除故障并且可以将限制短路电流的时间控制在10 ms 之内，能够有效地保护馈线单元。因此， 相较于普通断路器， 熔断器保护动作时间更短。

从继电保护上下级电源之间的配合分析， 常规情况下， 也没必要采用环网柜配置断路器方案， 原因主要是环网结构中的电源侧断路器 （即开关站侧的10千伏侧馈线回路开关） 的保护整定时间一般为： 速断保护时间整定为0 s， 过电流保护时间整定为0.5s， 零序保护整定时间0.5s。若环网柜内采用断路器配置方案， 即使整定的保护动作时间为0s， 断路器受本身固有动作时间分散的限制， 难以保证下级环网单元断路器首先动作而不出现越级跳闸的情况发生。因发生短路时熔断器不受压降影响， 从而切除故障的时间极短， 防止越级跳闸的情况发生。

熔断器具备对其后面所接的电流互感器、 电缆等设备提供保护的功能， 其保护范围在最小熔化电流到最大开断容量之间。熔断器的电流时间特性通常为陡峭的反时限曲线， 短路发生后通过熔断器熔丝熔断切除故障的时间很短。

3 负荷开关+熔断器组合存在的风险

3.1 风险

有必要指出， 在采用负荷开关+熔断器组合实际应用中， 是存在风险的， 因为：

负荷开关+熔断器组合方案分工如下， 负荷开关负责工作电流的开断， 短路保护由熔断器负责， 开断电流和短路保护之间存在过电流区域， 存在两个元件同时动作的可能性， 导致由熔断器灭弧， 或者故障电流较小时 （未达到熔断器额定电流） 熔断器灵敏度较差， 熔断器不动作， 不能起到保护作用而使故障继续扩大， 详细参数如表2和表3所示。

表2 负荷开关——熔断器配合开断功能表

表3 负荷开关——熔断器组合主要技术参数

电路中电流大小影响负荷开关和熔断器配合之间的配合， 并且操作过程较为复杂。

（1） 当Ⅰ<Ⅰn： 小故障电流存在于系统中， 小故障电流值小于熔断器额定电流值， 熔断器保护不动作。

（2） 当Ⅰ=2Ⅰn： 此电流为熔断器2 倍的额定电流，即熔断器的最小动作电流。由于过电流的产生使熔断器熔丝缓慢熔化， 通过撞针使负荷开关动作并断开三相电流。

（3） 当Ⅰ=3Ⅰn=Ⅰmin： 此电流为熔断器3 倍的额定电流， 即熔断器最小灭弧电流。此时熔断器首先断开A相电流， 然后其使负荷开关断开B、 C两相电流。

（4） 当Ⅰ= ⅠTC： 此电流是熔断器与负荷开关配合时的额定转移电流。首先熔断器断开A 相电流， 然后由熔断器与负荷开关同时负责开断B、 C两相的电流。

（5） 当Ⅰ=Ⅰ4： 此电流理论上A、 B、 C 三相均不会由负荷开关开断， 而应由熔断器负责， 此时电流为负荷开关的最大开断电流， 因配合之间存在误差， 即实际上电流值在ⅠTC与Ⅰ4之间时， B相、 C相电流仍然存在由负荷开关开断的可能性， 在选择其参数时应使ⅠTC小于Ⅰ4， 可能会导致负荷开关无保护的情况发生。

（6） 当Ⅰ>Ⅰ4： 熔断器开断A、 B、 C 三相电流， 撞针被触发之后负荷开关脱。

可见转移电流的值是判断负荷开关——熔断器组合是否可靠的一个关键， 熔断器开断低于该值的首开相电流， 其它两相电流由负荷开关开断， 大于该值时， 三相电流仅能由熔断器开断。随着电网容量不断的扩大， 熔断器的额定电流也从原来的几十安培发展到如今的几百安培， 这就导致负荷开关与熔断器配合后， 转移电流ⅠTC 大于Ⅰ4， 即不管多大的故障电流，永远都是负荷开关在开断故障电流， 负荷开关就失去了熔断器保护， 供电的可靠性就大大降低了。

3.2 问题

另外， 负荷开关——熔断器方案还带来的问题是：

1） 为了防止三相电流缺项运行的情况发生， 当熔断器出现非三相熔断时， 负荷开关应通过熔断器撞针立即联跳。

2） 由于许多产品因负荷开关与熔断器配合不当，开断转移电流能力较差， 结果是引起开关的爆炸。

3） 开关柜内部短路时， 熔断器起不到保护作用。当开关柜内部发生短路故障， 短路电流也是缓慢上升的， 可能在熔丝未熔断的时候开关柜的内部就已经产生了故障， 这就需要其他的保护设施来切断故障回路与电网的连接。也就是说熔断器并未起到保护馈线单元的功能， 而且即便发生了开关柜内部的相间短路，熔断器熔断后， 需要再更换熔丝， 这就要很长的更换时间， 也因此增加了每个用户每年在断电期间内的损失。

4 解决措施

对于前文所提及的负荷开关熔断器组合的缺点通过以下措施能解决后顾之忧， 配电室进馈线回路采用断路器配置光纤纵差保护， 光纤差动保护装置的基本原理是电路中流入和流出节点电流的矢量和为零。正常时被保护电气设备作为一个节点差动电流矢量和为零。当被保护设备发生电气故障时差动电流不等于零。当差动电流达到其整定值时， 保护动作跳开断路器。对于馈线回路的轻微匝间故障保护， 由于光纤纵差保护的短路电流计算精度很高， 能够很容易满足保护要求， 断路器动作达到隔离故障的目的， 避免引起上级开关站进线断路器保护动作， 影响非故障线路的供电， 保护配置示意图如图1所示。

图1 保护配置示意图

10kⅤ开关站馈线至配电室进线配置光纤纵联电流差动保护， 包含相电流差动保护和零序电流差动保护， 保护采用专用光纤通道， 能够实现配电环网内所有进出线发生故障时的全线速动， 满足快速并有选择性的隔离故障点的需求。

同时随着中压开关设备技术性能的不断提高，断路器可以满足3s 至4s 的短时耐受电流， 在1000ms以内， 断路器早以切断了线路， 所以无需对中压开关设备耐受几十ms 的短路电流担心。

在配电室具备条件的情况下， 还可以增加具备方向电流保护功能的网络拓扑保护， 通过各站室GOOSE 网络实时通信， 获取开关站馈线和配电室电源进线两侧开关的电流矢量关系GOOSE 信息， 自动适应网络拓扑结构变化， 当区域内任一线路或多线路发生区内故障时， 自动完成故障区线路两侧开关跳闸， 当线路光差保护通道故障造成光差保护拒动时， 10kⅤ网络拓扑保护可经延时配合线路光差保护实现故障隔离， 可作为线路光纤纵差保护的快速后备保护。

5 综合分析

无论从技术分析， 还是从经济分析来看， 对于供电可靠性要求高的用户或电源侧来说， 配备光线纵差保护的断路器取代负荷开关加熔断器组合的方案来保护馈线回路都是可行而且是必要的。首先从电网的可靠性来说， 断路器比熔断器更加可靠， 而且30ms 的故障隔离时间， 完全能满足馈线保护要求。其次断路器方案更适合于“坚强”智能电网的建设， 为电网的自愈提供了可能性， 方便实现配网自动化， 增长了免维护运作寿命。最后， 站在用户的角度， 断路器仅需要在前期设备本体有所投入， 后期运行过程中不需要过多维护， 而且通过光纤通信技术能实现故障点的自动隔离， 保证非故障区供电恢复时间小于3s， 大大减少了用户的各种成本及停电时间。

6 结束语

10kⅤ进馈线主要采用断路器配置微机保护或者熔断器与负荷开关组合保护方式， 从综合经济技术以及运行管理方面考虑， 10kⅤ环网进馈线柜和用户高压配电单元中， 采用配备光纤纵差保护的断路器， 既能有效保护进馈线回路， 同时也是非常经济的， 为此， 在对停电时间和环保要求较高的区域， 大型城市的A+和A 类地区。推荐采用配备光线纵差保护断路器的保护配置作为进馈线保护的保护方式。