浅谈快速断路器对提高配网可靠性的作用

杨鸿飞+毛敏+向松+吕宙

摘要：介绍了永磁操作机构型中压快速断路器的概念、基本原理、特性和基本组成，结合湖北省城市配网的应用情况阐述了其对提高配网可靠性的作用。

关键词：快速断路器 永磁操作机构 配网可靠性

随着电力市场的逐步完善，用户服务意识的逐步提高，用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高。如何提高城市配网自动化技术与可靠性已是城市电网改造亟待解决而且必须解决好的课题。从目前情况来看，湖北省城市配网现有网架结构和线路的供电能力对于大部分地区还不能满足N-1的要求，线路支线或一点故障引起全路停电、用户内部故障越级跳到变电站等等都严重影响配网可靠性的提高。目前，选择一种符合湖北省城市配网的实际情况，高可靠性又有较好经济性的配电方式是摆在我们面前的一项迫切任务。

1、 配网的现状和存在的问题

配电系统与主网系统相比而言，大多网架结构薄弱，运行条件复杂；直接面对客户，受环境的影响大，容易受到外界破坏。配网虽进行了大规模电网改造，但由于110kV、35kV变电所布点等原因，不少10kV配电线路存在着线路长、供电面广、T接多的特点；特别是农网线路，线路接线基本上是单电源树状结构，而且线路开关数量少，线路保护设备简陋，一般只设RW型跌落式熔断器，或没有设置，往往线路一处故障或者某一支线故障就会引起整条线路停电。同时低压配电系统建設技术标准也较低，线路布局不合理，也会影响到供电可靠性。

2、 快速断路器的概念

传统的断路器其固有的动作时间（从收到分合闸命令到灭弧室触头完全分开）一般在40ms左右，加上保护动作的时间一般要80-100ms，对于电网以及保护配合来说都是不利的。而配电变压器一般都采用高压交流熔断器来进行保护，其维护量大，停电时间长，不可重复使用，易造成缺相运行。随着断路器操动机构和计算机技术的发展，一种由永磁机构操作，计算机进行控制的新型快速户外真空断路器在配网中得到逐步运用。这种断路器由断路器本体和控制两部分组成，它可以在30ms内将故障电流快速切除。

3、 快速断路器的基本原理

快速断路器控制系统电路组成包括模拟量输入电路、开关量输入电路、数据采集与处理单元、开关量输出电路、本地人机接口、远程通讯接口、电源管理系统，其中数据采集与处理单元采用DSP高速数字信号处理技术或高速微控制器技术构成快速数据采集与处理单元，开关量输出电路中的分合闸驱动电路采用电子式分合闸驱动电路代替传统机械式触点继电器，并构成开关量快速输出电路。

断路器控制系统中有两项关键技术，其一是快速数据采集与处理中心应用高速数字信号处理技术，连续采集交流输入信号（每个周波都按同样采样点数采样），并运用半波对称原理与递推运算，在每个采样点都计算提取出前半个周波（10ms）时间内所需要的各种电气特征量，根据保护的投退、动作的整定值等来确定是否送出保护动作出口信号。如果每个周波采样点为64点，则快速数据采集与处理中心发出保护动作出口信号的延时不超过10.3ms。其二是开关量快速输出电路用电子式分合闸驱动电路来代替传统的机械式触点继电器，使其分合闸延时时间小于0.1ms，从而缩短保护控制延时时间，即快速保护控制系统从模拟量输入电路出现故障电流到给出分闸驱动信号，最慢时只有10.4ms的延时（当采样点为64点时）。因此减少了电网故障电流的保持时间，能够迅速隔离故障，从而实现快速保护控制。

4、 快速断路器的基本组成

AB-3S-12/x系列快速保护断路器由断路器本体、控制箱及专用电缆线组成。

a） 断路器本体

快速断路器本体主要工作部件：真空灭弧室、永磁操动机构、外绝缘浇铸体、电流互感器、电容式电压互感器及手动分闸机构、分/合位置指示器、辅助开关等。

快速断路器采用了新型永磁操动机构，其工作参数的设计与配合，使得开关本体分合闸动作速度得到大幅度提高。目前其分合闸时间可做到10ms左右，已满足配网线路的快速分断要求。

快速断路器本体单元内置了三相高精度电流传感器、三相电容式电压互感器（CVT），无须外置电流互感器、电压互感器，即可实现三相电流的采集、三相电压的采集。

b） 断路器控制箱

快速断路器控制箱由快速保护控制器、分合闸驱动模块、电源管理系统、储能电容及GPRS调制解调器等工作部件组成。

该控制系统通过缩短测量与保护动作的时间，使保护控制系统从模拟量输入电路出现故障电流到给断路器发出分闸驱动信号的延时时间减少，从而缩短了故障电流对电网的冲击时间，达到快速保护的目的。

5、 快速断路器的应用

从2016年湖北省城网10kV配电线路故障和障碍统计数据看，影响10kV配电网安全可靠性运行的主要因素是用户内部故障（达37%）引起变电站间隔或主干线路跳闸，其次外力破坏占的比例也较大（达18%），除此之外，还有设备外绝缘积污后引起的闪络及各类过电压。使用快速断路器将故障快速隔离，可以较为有效地避免这些事故和障碍对主干配电网的影响，极大地提高供电可靠性。

a） 在树枝状线路主线上作为分段开关使用

把配电主干线路分成若干段和在分支线上安装分支开关是提高配网可靠性，缩小停电范围，保障客户连续供电的有效手段，但传统的分段开关（断路器或负荷开关）或配网自动化系统，由于开关动作时间的关系都只能先由变电站开关动作，然后再由故障点的开关判断（人工或自动）将其故障切除，这样既扩大了停电的范围又很难保证动作的准确性，同时上下级开关动作的匹配和逻辑关系也较为复杂。对于树枝状供电线路，可以利用快速保护断路器的动作时间只需要20ms左右的特性，采用时间和动作电流互相配合的方法，适当配合好时间和动作定值，对开关安装点以下的故障适时快速切断，保证非故障部分的连续运行。对于环状供电线路，因线路潮流随网络运行方式而变化，快速保护断路器之间无法整定匹配，因此其使用受到限制。

b） 作为用户的进线开关（看门狗）和分支线路的分支开关使用

对于树枝状分支线路和用户分支线采用加装快速保护断路器，及时切除分支线路故障和用户故障，可以显著降低分支线路故障和用户故障对主干线路的影响，有效提高线路供电可靠性。

c） 工程应用情况

湖北省城市配网仅2016年共安装790台，其中绝大部分在武汉市用户分支线路上。从近两年的运行情况来看，共动作144次，动作率18.2%。以往用户故障频发影响主干线路可靠供电，加装快速保护断路器后，主干线路供电可靠性立即提高，并且根据运行情况，在开关上加装遥控操作装置后，可有效避免了与用户的供电纠纷。还可加装GPRS模块，对开关的状态量进行无线传输，随时掌握开关的动作情况。

6、 结语

综上所述，快速保护断路器具有以下特点和应用前景：

a） 具备快速保护功能。采用永磁机构操作，计算机控制技术，可以先于变电站开关动作，在30ms内将故障电流快速切除。

b） 开关动作可靠。开关采用永磁操作机构，结构简单，开关本体可以实现免维护。

c） 扩充功能完善，可以加装遥控装置、远传装置等，逐步完善过渡到智能开关。

d） 可以在树枝状线路主线上作为分段开关使用，也可以作分支线路的分支开关和用户的进线开关（看门狗），隔离下级线路或分支线路故障，有效提高主干线路供电可靠性。

e） 目前还不适合在环网供电线路上使用，因线路供电潮流和保护整定的问题，在环网供电线路上的使用受到限制。

作者简介：杨鸿飞 （1976年），男，湖北武汉人，汉族，现职称：中级电力工程工程师，学历：本科，研究方向： 电力系统及自动化.endprint