（电力系统及其自动化专业论文）低功耗馈线终端负荷开关的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 为提高配电网终端的供电可靠性，防止用户侧的事故波及其他正常线路，本文 采用一种新型的终端分界负荷开关作为馈线分支线路故障处理方案。 文中利用永磁机构和真空丌关的结合，实现了一次侧开关元件的低功耗；利用 c m o s 技术及新型的线路故障检测单元，大幅度降低电能消耗，实现二次侧智能控制 器的低功耗，以及用内置电池取代以往供电方式( 例如线路取电或蓄电池等) 的预期 设想。该内置电源能维持长时间无需更换，极大提高了开关的小型化和免维护等性 能，很好满足了配电网终端的特殊要求。 关键词：馈线终端，负荷开关，电浊，低功耗 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t e dn e t w o r kt e r m i n a l s ，a n dp r e v e n tt h e w h o l en e t w o r kf r o mt h es p r e a do fu s e r s i d ef a i l u r e s ，t h et h e s i sp r o v i d e sas o l u t i o n f o rd e a l i n gw i t hf a i l u r e so nt h eb r a n c hf e e dl i n e s ，a n dr e c o m m e n d san e wt y p eo f d i v i d i n gl o a ds w i s h e si nt h i ss o l u t i o n f o rt h ep u r p o s eo fl o wp o w e rc o n s u m p t i o no np r i m a r ys w i t c he l e m e n t s ，t h ec o m p o s i t i o no f m a g n e t i co p e r a t i n gm e c h a n i s ma n dv a c u u mc i r c u i tb r e a k e ra r eu s e di no u rs o l u t i o n ； w h i l ec m o st e c h n i q u e sa n dn e wl i n et e s t i n gu n i t sa r eu s e df o rd e c r e a s i n gt h ep o w e r n e e d sf r o ms e c o n d a r yi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r t h e r e b yt h e o l dp o w e rs u p p l y i n g r e s o u r c e s ，l i k ep o w e rl i n eo ra c c u m u l a t o r s ，w i l lb er e p l a c e dw i t hi n n e rb a t t e r i e s t h ei n n e rb a t t e r i e sc a nw o r kf o ral o n gt i m ew i t h o u tm a i n t e n a n c eo rr e c h a r g e t h i s a p p r o a c hi sv e r ys u i t a b l ef o rs w i t c h e st h a th a v et of i ts o m es p e c i a lr e q u i r e m e n t s ，f o r e x a m p l e ，s m a l ls i z ea n df r e e m a i n t e n a n c e ，i nd i s t r i b u t e dn e t w o r kt e r m i n a l s k e yw o r d s ：f e e dl i n et e r m i n a l ，l o a di n t e r r u p t e rs w i t c h ，b a t t e r i e s ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n w uz h e n x u e ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f q i nl i j u n 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、= ：j i 二向有关 部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学 位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学 位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 电力工业是国民经济的一个重要部门。电力不仅为工业，农业，现代科学技术 和现代国防提供必不可少的动力，而且与现代社会生活有着e l 益密切的联系。 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力需求越来越 大，这促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量和供电可靠性要求 越来越高，甚至连发生电源的瞬时中断也不能忍受。“电力法”和承诺制的公布和 贯彻执行，更要求电力供应部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。传统的技 术和管理手段已经无法适应新的形式，配电自动化就是为了这一目的而提出来的。 配电自动化( 又称配电网自动化或配网自动化) 的重点是馈线自动化，国外配 电自动化的内容首先是围绕着馈线自动化展开的。因此，国外的配电自动化也往往 称为馈线自动化。并且一般实现配网自动化主要是指1 0 于伏配电网实现馈线自动 化( f a ) 。馈线自动化是配电网建设高水平发展的结果。在配电网的建设与发展中 为了减少占地面积和投资，提高供电质量，提高供电可靠性和灵活性，供电部门愈 来愈多地采用安装在户外馈电线路上的柱上开关、分段器、重合器、无功补偿电容 器、环网柜及环网分段开关等设备。早期这些线路上的设备自动化程度低，一般都 是人工操作控制。随着现代计算机技术、电子技术，尤其是通信技术的巨大进步， 以及人们在变电站综合自动化系统和无人值班中所获得的经验与效益，使得人们研 究如何应用这些最新成果对配电线路上的设备进行远方实时监测、协调和控制，这 样就产生了馈线自动化技术1 1j 。 馈线自动化，是指变电站出i z i 到用户用电设备之间的馈线线路自动化。按照国 际电气电子工程协会i e e e 对配电自动化的定义，馈线自动化系统( f a s f e e d e r a u t o m a t i o ns y s t e m ) 是对配电线路上的设备进行远方监视、协调及控制的集成系 统。内容可归结为二个方面：一是正常情况下的状态检测、数据测量和进行优化及 调j 玉；二是事故状态下的故障检测、故障隔离、负荷转移和恢复供电。 然而由于我国电力工业的发展一直是“重发，轻供”，配电网的发展远远滞后， 由此带来一系列问题： 1 ，中低压配电网容量不足，变电容载比低。因此在夏季用电高峰期，配电网 设备严重过载，不得不采取高峰期限制负荷或拉路限电措施； 2 ，供电可靠性不高。由于电网网架脆弱，配电网设备陈旧，使得供电质量差， 故障频繁。同时由于配电网自动化程度低，切除故障时间短，恢复故障时间长，供 乜可靠性不高； 华北电力大学硕士学位论文 3 ，电压质量不高。综合电压合格率不足9 3 。主要原因在于负载增长过快， 缺乏无功调节手段及配电变压器布局不合理。 因此配电网的改造势在必行。近几年来供电部门对配电网的设备进行了大量的 技术改造和更新，选用了新型的配电设备，如真空，六氟化硫型开关设备，调度自 动化设备，自动控制测量装置等。但这些设备多数在变电站中采用，而对户外的配 电线路是事故的发源点，并没有引起足够的重视，也有许多供电部门已将户外柱上 六氟化硫断路器或真空断路器安装在配电线路上，但只是作为一般的分断开关使 用，并没有充分发挥柱上真空开关的作用。 提高供电可靠性不仅是供电部门的极为重要的任务，也是馈线自动化所要追求 的主要目标。配网发生异常或故障时，要迅速切除故障段，使非故障用户尽快恢复 供电，这就是要求故障范围缩短越小越好，非故障范围恢复供电越快越好。馈线自 动化的主要价值、主要效益也在这里。因此，对故障的自动隔离是馈线自动化的重 点，是首先需要解决好的问题。 我国供电部门近几年来在城乡电网建设与改造中进行了大量的技术改造和更 新，选用了新型的配电设备、综合6 1 动化和调度自动化设备、自动控制测量装置等， 但这些设备目前大多数仅限于在变电站和调度室内采用。而大量的统计资料表明， 配电网中户外的配电线路是事故的发源点，电网中9 5 的故障发生在配电网，其中 9 0 的故障属于瞬时故障。因此，花费大量人力和资金从事变电站综合自动化和调 度自动化产品的开发与推广，并不能解决配电网事故处理的根本问题，而实现配电 网自动化更具有实用价值【2 j 。 1 2 馈线自动化普遍模式以及本课题的意义 1 2 1 馈线自动化模式 作为配电网改造与建设的重要内容，配电自动化技术已引起了人们的极大重视。 远方终端( r t u ) 是配电自动化系统的基本单元，它的功能、数据采集的数量及精 度、可靠性直接影响着配电自动化系统的功能及其可靠性。目前，国外已有较为成 熟的配电自动化系统远方终端产品，国内许多研究单位、厂家也积极地开展该类产 品地研制工作，国产化地装置也已经挂网运行。 配电自动化远方终端主要用于配电系统中变压器、断路器、重合器、分段器、 柱上负荷开关、环网柜、调压器和无功补偿电容器等设备的监视与控制，与配电自 动化主站通信，提供配电系统运行控制及管理所需的数据和信息，执行主站给出的 对配电设备的控制调节指令。 2 华北屯力大学硕士学位论文 根据应用对象的不同，配电自动化r t u 可分为两类，一类用于变电站、开闭所， 称为站内r t u ：另一类安装在户外线路上，用于柱上开关、环网柜等设备的监视及 控制，称为线路r t u 或f t u ( f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 。 馈线自动化的意义在于正常情况下监视馈线负荷并优化运行方式，当故障发生 后，及时准确地确定故障区段，迅速隔离故障区段并恢复健全区段供电。目前有两 类馈线自动化系统，一种是采用重合器或断路器与分段器、熔断器的配合使用的馈 线自动化系统；另一种为基于馈线终端设备( f t u ) 的馈线自动化系统。在实际使 用中，究竟该系统适用哪种模式需要根据系统规模，通讯网络及资金成本投入等系 列因素考虑。 国外的馈线自动化是逐步发展起来的，即使在曰本这样配电自动化发展得比较 快的国家，全国的大部分馈线也仅实现了基于重合器和分段器配合的馈线自动化， 仅有少部分在基于重合器和分段器配合的馈线自动化基础上实现了基于f t u 的馈 线自动化。这个现象是值得我国馈线自动化的建设者认真思考的。在国家加大城网 和农网改造力度的今天，切莫盲目投资，而不顾是否能带来效益。在追求先进性的 同时，一定要注意所上系统的实用性。馈线自动化的发展应走循序渐进，逐步发展 的道路，基于重合器和分段器配合的馈线自动化系统结构简单，建设费用低廉，因 此能够以有限的资金尽快提高较大面积馈线普遍的自动化水平，显著地提高供电可 靠性。城网中对于供电可靠性有较高要求的负荷密集区，可以在基于重合器和分段 器配合的馈线自动化系统的基础上实现基于f t u 的馈线自动化。当然，在建设基于 重合器和分段器配合的馈线自动化系统时，应妥善处理好今后与f t u 的接口问题， 以便能够随着配电自动化的深入发展，逐步升级为基于f t u 的馈线自动化系统。与 f t u 的接口一般应考虑留有开关的操作控制接点，留有测量电流，电压和功率的互 感器输出口，留有反映开关位置和储能完成情况等的接点，以及有关f t u 和通信设 备的工作电源和通信电缆或光缆的敷设或无线通信的路由的考虑等。即使在实现了 基于f t u 的馈线自动化的系统中，仍应将基于重合器和分段器配合的馈线自动化系 统作为后备，以便于当通信网络终端或f t u 故障或f t u 和通信设备的工作电源未 能可靠提供时，通过重合器和分段器的配合仍能实现馈线自动化的大部分功能，从 而进一步确保供电可靠性1 3 】。 在户外分断开关处安装柱上r t u ，并建立有效而且可靠的通信网络将其和配电 网控制中心的s c a d a 计算机系统连接起来，从而构成一种高性能的配电网自动化 系统，这的确是目前馈线自动化的发展方向。但这种系统保护是一种建立在相邻保 护装置之间相互通信基础上的故障处理模式，这必然要求配电网具有比较理想的通 信条件。然而在不具备通信条件或者通信可靠性较低的配电网馈线端中，显然无法 利用此模式来完成故障处理；并且由于我国用户终端数量庞大且分布繁散，多为遥 华北电力大学硕士学位论文 远且较为偏僻的地区，在每个馈线终端都采用这种智能设备对于我国目前经济而言 还未能达到，所以就地保护仍是十分重要的。 1 2 2 论文来源及意义5 本文是基于北京四方华能电网控制系统有限公司和北京供电局合作丌发的一个 项目一一馈线终端分界负荷开关，也称用户进线侧分段器，研究在不具备通信条件 的情况下，如何对分支线路即用户进线侧的故障进行处理的问题。 在我们的生活中，2 4 小时不问断供电已成为现代社会中正常的事情。然而在配 电网中，一个高压用户的事故往往会波及到整条配电线路，造成全线停电，从而产 生较大的社会影响。 研究表明，供电故障事故中约1 0 是由用户设备故障引起的波及事故，而用户 事故中主开关电源侧的事故约占7 0 ，而且，电源侧事故的7 0 是接地事故，而 其中也多为暂时性故障。但即使是暂时性的对人们造成的影响还是极大的。在馈线 端国内目前还是基本处于配电变电所出口配自动重合闸+ 分支线路配负荷开关或分 段器，以实现故障点自动隰离，自动恢复等配电自动化功能。这种模式虽然建设费 用低，易于安装，但线路故障时，分断开关不立即分断，而是要依靠重合器或位于 主变电所的出线断路器的保护跳闸，导致馈线失j 盖，各支路分段开关才能分断，这 不仅增大了故障影响范围，对出现断路器的可靠性要求高，而且还使得同一主线上 的没有故障的其他分支线路的分段器也相继分断，增大了各设备损耗。 因此，在日本的配电系统中，广泛采用了g 型高压交流负荷开闭器来对用户进 线侧的故障进行处理。它一般装设在用户主开关和线路责任分界点之问，或者在靠 近责任分界点不怕事故波及的地方。但是这种g 型高压交流负荷开闭器并未在我国 得到广泛应用。 根据用户进线侧线路故障的特点，这种新型的用于用户与供电网络之间的负荷 分段丌关一般装设在各条分支线路上的配电变压器和线路责任分界点之间，同样可 完成对用户进线侧故障的处理功能。 用户进线侧分段器俗称“看门狗”，它是用来隔离用户侧的内部故障、有效地 防止系统故障扩大、提高供电可靠性的一种特殊的分段器。它所完成的基本功能是： 当用户侧发生单相接地时该分段器自动断开；发生相间短路时，该分段器自动闭锁 并记忆故障事件，在变电站出口断路器跳闸之后、重合之前，自动断开，从而完成 用户侧的故障隔离工作。由于现在用户大多为电缆进线，暂时性故障少，大多数故 障为永久故障。因此，开关多次重合不仅不会消除故障，而且会使线路及其设备的 损失加大。这种回路的特点是重合器只需要进行一次重合闸，并且非故障线路的停 电时间短，故障线路受冲击的次数少，时间短，损失小。 4 华北电力大学硕士学位论文 它应具备的控制功能就是当负荷侧发生单相接地故障时，应按照控制器的整定 值及整定时间正确动作；系统侧发生接地故障时，不能动作。 当负荷侧发生相间短路故障时，记忆故障，闭锁跳闸出1 ：3 ，系统侧保护跳闸后， 检出停电状态后开始计时，当计时时间达到整定值时，解除跳闸闭锁，放开出口， 无压跳开负荷开关，隔离故障。 用户进线侧分段器由两部分组成：开关本体部分和控f n - 器( f t u ) 部分。 由于该分段器不开断大电流故障，所以开关无需用断路器，只需用负荷开关即 可，这就节省了经济开支。控制器可选用普通的f t u ，但在程序中应增加一些软件 模块，完成以下功能： ( 1 ) 对相间故障的处理： 当相电流大于闭锁电流值时，闭锁跳闸功能，同时记录过电流状态。在线路出 口断路器切断线路之后，会检测到失压，这时查找有无过电流闭锁信号，如有则延 时跳闸，如没有则不动作。 ( 2 ) 对单相接地故障的处理： 当用户侧发生单相接地故障时，需要与变电所的接地保护继电器在动作上进行 配合，即必须先于变电所的出口断路器而动作。 以上两项功能中，对相间故障的处理功能是普通分段开关就具有的功能，而且 易于实现。因此，其对单相接地故障的处理功能就成为研究和开发的关键。虽然它 不开断相间故障，但由于接地故障占主要部分，因此相对原模式而言结构上并没有 增加太大的复杂性，而建设费用也相对较低，符合我国目前的电网国情。 当用户侧发生单相接地故障时，使用用户进线侧分段器进行处理，与微机选线 装置相比有以下几个显著的优点： ( 1 ) 传统的微机选线装置的传感环节仅仅是零序c t ，只有零序电流可以得到。 而用户进线侧分段器由于还需要对相间故障进行处理，因此往往安装了三相c t 和 零序c t ，这就导致了电气特征量的选取上实现了多样化。除了零序电流外，我们 还可以考虑采用负序电流作为故障特征量。 ( 2 ) 在中性点不接地系统中，故障产生的零序电流是由各线路对地电容引起的 电容性零序电流。微机选线装置只是对各条线路出口处的零序电流进行比较，如果 某条线路较长，往往会出现该线路的零序电流与故障线的零序电流很接近的情况， 造成选线困难。而用户进线侧分段器都是安装在各条分支线路上的，分支线路一般 很短，产生的电容性零序电流也很小，而发生单相接地故障的分支线路的零序电流 是全网各条线路的零序电流之和，其值是很大的，因此只要选取合适的定值，完全 可以采用零序电流作为单相接地保护的判据。 5 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 在中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈的补偿作用，故障分支的 零序电流也会变得很小，这时使用零序电流来判断可靠性会降低。不过我们可以使 用5 次谐波电流或负序电流作为单相接地保护的判据。 ( 4 ) 微机选线装置选出故障线后，可以令该线路的出口断路器跳闸，但这样整 条线路都会停电。而用户进线侧分段器判断出是本条分支上发生单相接地时，自动 跳闸，这时仅仅使本支路停电，而对干线及干线上的其他分支线路的供电没有任何 影响，从而大大缩小了停电范围。 综合上面的分析比较，我们可以采取如下的单相接地故障处理方案： 中性点经小电阻接地系统：实质上仍是大电流接地系统，因此仍然可采用零序 过流原理构成保护判据。 中性点不接地系统：为消除三相负荷、三相c t 不平衡及噪声干扰的影响，可采 用零序电流突变量作为保护判据。 中性点经消弧线圈接地系统：可采用零序电流5 次谐波突变量和负序电流突变 量作为保护判据。 当用户侧发生单相接地故障时，使用用户进线侧分段器进行处理具有微机选线 装置无法相比的优势。而且，完成这些功能不依赖于通信。这不仅降低了设备的造 价，还同时提高了故障处理的可靠性。因此，用户进线侧分段器将来在中压配电网 中具有很好的应用前景，对单相接地故障的处理功能是用户进线侧分段器特有的一 项新功能，它也为中压配电网分支线路单相接地故障的处理提供了一条新的思路。 在配电自动化系统中，还将面临输电网自动化中难以遇到的一些问题，其中最 重要的是控制电源和工作电源的提取问题。对于输电网自动化系统中，可以通过所 在变电站的直流电池屏获取电源，这个办法也同样适用于配电自动化系统中，当地 有直流电池屏的远方站点。但对于诸如现场r t u 或者就地保护重合器，分段开关 的情况，就不行了。目前国内几乎所有的户外线路保护设备装置都是2 4 小时实时 采样。c p u 实时测量，功耗大，因此它们都需要在大功率供电电源下才能完成动作、 故障位置判断、隔离故障区段、恢复正常区域供电等。为实现这些功能就得必须确 保在故障期间，能够获取停电区域的信息，并通过远方控制跳开一部分开关，再合 上另一些开关。目前国内生产的保护设备大多采用以电流互感器( 或电压互感器) 线 路取电为主，即线路正常时经主回路相电流互感器取电流，再经逆变器交直流转换 供给装置能量；同时配备辅助备用电源的供屯模式。它可以随着电网的接通自动开 始工作，是一种较为理想的供电方式。但这些供电模式都存在着缺陷。 首先由于电源能量来源于电流互感器，因此电网电路中电流较小时不足以供电； 其次当电网电路的电流缓慢上升时，自供电电源的电压也是缓慢上升的。这对 于模拟电路不会有问题，而对于微处理机和数字电路，应该有一个可靠的复位电路， 才能使其启动并正常工作； 6 华北电力大学硕士学位论文 并且由于电流互感器既要作为电流信号，又要提供电源能量，两者之间必然会 产生交叉影响。即智能化电路的工作电流会影响对电网电路电流的检测结果；同时 由于线路取电和备用电源的投入，不可避免的将增大设备箱体及成本开支。 而使用蓄电池供电的电源方式，由于蓄电池常常因充电时间较长，或在使用过 程中消耗电解液未及时补充，或未经常活化，电极生锈等原因，而达不到技术要求。 同时蓄电池的寿命较短，损坏周期不一样，一组电池内有一节损坏，就会影响其他 蓄电池的寿命，从而影响整个装置的使用。并且长期未进行深放电的蓄电池的性能 往往会受到很大的影响，而对于蓄电池的充放电，通常是不便进行控制的；并且后 备蓄电池的电源如果仍是供应系统正常运行的话根本没法持续几分钟，所以在断电 情况下都把大部分功能模块关闭，只把能源供给监控系统等待恢复供电合闸。 如今，随着永磁机构和真空断路器的完美搭配，c m o s 技术的飞跃发展，它们 的低功耗和高可靠性使人们开始研究使其能更进一步的降低功耗，甚至希望能只单 纯依靠锂电池作为唯一供电来源来完成开关动作所需能量。低功耗设计并不仅仅是 为了省电，更多的好处在于降低了电源模块及散热系统的成本，由于电流的减小也 减少了电磁辐射和热噪声的干扰。随着设备温度的降低，器件寿命则相应延长( 半 导体器件的工作温度每升高1 0 度，寿命则缩短一半) 。如这一设想能实现，将省 去降压取电变换器，逆变器等附属设备及引线操作等问题，从而能节约成本开销， 简化线路，实现装置具有操动灵活，动作可靠，体积小巧，免维护的特点，同时也 提高了负荷开关设备的供电性能和机械性能。 1 3 论文主要工作 本课题的特点在于研究低功耗设备来适应单纯利用内置锂电池供能，省去电压 p t 及交直流转换等设备，使_ 丌关小型化的这一构想，大幅度降低设备成本，从而 提高市场竞争力，并完善开关保护设备的可靠性。 对照目前国内外馈线终端柱上用户进线侧分段器进行比较分析，得出新的合理 的设计方案，提高了设备的可靠性和经济性，降低功耗，优化设备；利用先进的国 内外技术对装置软、硬件进行设计和开发。尤其控制器低功耗的实现方案，分析研 究在功耗方面原来设备的各项功能消耗功率，对其单元元件进行简化使其大部分模 块在正常状态下处于“休眠”状态而实时故障检测模块仍在运转；研究供电模块， 分析耗电单元，分析尝试用锂电池代替以往的供电方式；实现装置的小型化和便携 化。在基于可靠性和经济性，可行性的基础上设计得出合理的设计方案。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章配网自动化的故障处理模式 在配电网中，配电主站、配电子站、配电终端如何相互配合实现故障处理应由 配网自动化采用的控制模式决定，采用何种控制模式实现故障处理对配网自动化的 性能有很大影响。本章首先总结了配网自动化中现有的几种故障处理模式，然后在 分析比较它们优缺点的基础上，指出保护功能独立的基于用户进线侧分段器的保护 模式是十分优越可选的故障处理控制模式。这种新技术使得在系统结构、系统可靠 性、故障处理响应速度等方面有所提高。 2 1 馈线的典型供电结构 目前，我国的1 0 k v 馈线主要有两种供电结构：辐射网和环网。随着配网自动 化的发展，许多辐射网正逐步向手拉手供电的环网结构改造。所谓手拉手的线路结 构，也即闭环结构、开环运行，是指：一条出线经出线开关馈出后，经若干分段丌 关分段，到联络开关；联络丌关再经若干分段开关，经另一出线开关到另一段母线， 所谓闭环结构；正常情况下联络开关断开运行，所谓开环运行。如图2 1 所示即 为手拉手供电的环网结构。 s 3 b 0 图2 - 1 手拉手供电的配电网典型结构 在图中，a 和b 可以是两段不同的母线，也可以是同一段母线。b 1 、b 2 分别为 这两段母线的出线开关，f 常情况下处于闭合状态。s 1 、s 2 、s 3 、s 4 均为分段开 关，正常情况下也处于闭合状态。b 0 为联络开关，正常情况下处于断开状态。 这种手拉手供电的配网结构可使接入该网的用户具有两个或两个以上电源供电 的可能性。例如，某用户接在s 2 与b 0 之间的区段上，正常情况下由母线a 供电。 当f 1 点故障时，在s 1 和s 2 跳开将故障隔离后，可通过将联络开关b 0 闭合恢复 对该用户的供电，这时该用户由母线b 供电。 配网结构中的三种主要故障处理模式分别为：基于重合器的故障处理模式、基 于主站监控的故障处理模式以及基于系统保护的故障处理模式。但后两种都是要有 华北电力大学硕十学位论文 可靠的通信网络才能实现的，而本课题研制的设备是用于在不具备通信条件或者通 信可靠性较低的配电网馈线终端，基于重合器的就地故障保护的处理模式就适用于 此，下面将对此种模式进行进一步的分析研究。 2 2 基于重合器的馈线故障处理【7 l 在图2 1 中，b 为重合器，s 为分段器，正常情况下b o 断丌，处于开环运行。 线路短路电流由重合器切除，分段器只能关合短路电流，没有切断短路电流的能力。 配电系统发生故障后，该模式通过安装在馈线上的重合器与分段器的动作配合 实现故障的判断、隔离与恢复非故障线路的供电，整个故障处理过程无需通讯与子 站主站系统的参与。根据故障判断原理的不同，该模式又可分为以下三种。 2 2 1 重合器与过流脉冲计数型分段器配合 在这种模式中，每台开关都预先设定好重合次数，当开关的实际重合次数达到 设定值并且开关处于分闸状态时，则闭锁自动合闸功能，将故障隔离。对于重合器 还设有重合间隔时间t 1 ，它是重合器每次分合操作的时间间隔；分段器的分合操作 决定于线路电压，开关失电即分闸，来电后则合闸。 对于图2 1 所示的配电网，b 1 和b 2 的重合次数设定为3 次，b 0 设为2 次， s 1 和s 3 设定为2 次，s 2 和s 4 为1 次。若f 1 处发生永久性故障，各开关的动作 时序如图2 2 所示。 凸n j r 刊 r 门 - _ - _ _ - _ _ - _ - i i s 1 s 2 b o 图2 2 方法1 开关动作时序图 当f 1 处发生短路故障时，b 1 首先分闸切断短路电流，使得s 1 、s 2 相继失压 分闸，同时b 1 开始计时。计时到1 1 ，b 1 第一次重合，s 1 得压后也重合，并记重 合1 次。因为是永久性故障，所以线路第_ 次出现故障电流。于是b 1 和s 1 进行第 二次分合操作，并记重合2 次。因为第三次出现故障电流，b 1 和s 1 再进行第三次 分闸。对于s 1 ，由于其处于分闸状态，并且它的重合次数已达到设定值2 ，符合闭 9 华北电力大学硕士学位论文 锁的条件，于是s 1 闭锁合闸，从而将故障隔离。b 1 再次重合，恢复b 1 s 1 段线路 的供电。经一段延时后，联络开关b o 重合，恢复s 2 b o 段线路的供电。 2 2 2 重合器与电压一时间型分段器配合 在这种模式中，每台开关都设有延时合闸时间t 3 和电流检测时间t 2 ( 此时间内下 级开关不合闸) 。每台开关在检测到电压信号后要延时t 3 才合闸；合闸后，开关在 时间段t 2 内检测电流：若没有检测到故障电流信号，则表明故障不在其辖区；反之 则说明故障在其辖区，开关置故障标志，并在随后的分闸之后闭锁合闸功能，从而 隔离故障。其中，该方法中开关配合需注意的是：下级开关的延时合闸时间1 3 应大 于上级开关的电流检测时间t 2 ，保证在上级开关的电流检测时间内下级开关不会合 闸。 如图2 1 所示，若f 1 处发生永久性故障，各开关的动作时序如图2 3 所示。 3 f 习厂一： 厂 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 圈2 3 方法2 开关动作时序图 故障发生后，短路电流由b 1 切除，接着s 1 、s 2 失压分闸，同时b 1 开始计时。 计时到t 3 后b 1 第一次重合( 此时s 1 检测到电压信号并延时t 3 合闸) ，然后进行t 2 时间内的电流检测：发现该时间段内无故障电流出现，表明故障不在其辖区内。随后 s 1 重合，因为出现故障电流，故s 1 置故障标志位。随即b 1 、s 1 第二次分闸，此 时s 1 符合闭锁条件而闭锁合闸，将故障隔离。b 1 经t 3 后第二次合闸，恢复b 1 - s 1 段线路的供电。经一段延时后，联络开关b o 重合，恢复s 2 一b o 段线路的供电。 以上两种方式都属于重台器和分段器相配合的方式。这种基于重合器和分段器 配合的系统具有结构简单、建设费用低廉的优点，而且不需要建设通信网络，所有 设备均是自具的。但是这种方式存在以下不足： 这种系统在线路故障时，分段开关不立即分断，而要依靠线路出口的重合器跳 闸，这样做是不理想的，主要表现为：切断故障的时间较长，且对设备冲击较大； 依靠线路出口的重合器保护整条馈线，降低了系统的可靠性；由于必须分断重合器， 因此实际上扩大了事故范围，若重合器拒分，会进一步扩大事故范围。 1 0 华北电力大学硕十学位论文 2 2 3 重合器与重合器配合 近年来，重合器的价格呈逐渐下降的趋势，与分段器的价格差距不断减小，这 就为馈线自动化的实现提供了一种新的可能：用重合器来代替分段器。重合器和重 合器的配合是通过它们的动作曲线时间差。这样就可以做到在发生故障时，由距其 最近的开关来切除，缩小了停电范围和停电时间。 此外，配网中的故障大多为瞬时性故障，一次重合成功率为8 5 ，二次可达9 0 左右。因此我们可以将重合器的重合次数整定为2 次，提高重合成功率。 在图2 1 中，所有分段开关都用重合器代替，假如永久性故障发生在f 1 处， 开关动作时序如图2 4 所示。 o n 几 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ 图2 4 方法3 开关动作时序图 故障发生时，s 1 首先分闸切除故障，s 2 失压而分闸。计时t 1 后s 1 重合到故 障上，随后第二次分闸。由于瞬时性故障的一次重合成功率仅为8 5 ，第二次重合 还能提高成功率，因此开关还应给予第二次重合的机会。s 1 第二次进行如上操作后 将故障隔离。经一段延时后，联络开关b 0 重合，恢复s 2 一b 0 段线路的供电。 由此看出：采用这种方法，故障发生时不会影响线路健康段的供电连续性，停电 时间也最短，供电质量得到了很大的提高。 然而重合器和重合器配合的方式也存在以下不足： ( 1 ) 线路上重合器之间保护的配合靠延时实现，显然分段越多，保护的级差越 难配合。 ( 2 ) 为与重合器保护级差配合，变电站出线断路器是最后一级限时速断保护， 分段数越多，出线开关限时速断保护延时就越长，对配电系统影响也越大。 ( 3 ) 由于重合器的开关具有切断故障电流的能力，因此投资比较大。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 基于重合器+ 用户进线侧分段器的馈线故障处理 本文研究的是一种新型的用于用户与供电网络之间的负荷分段开关一一用户进 线侧分段器。它一般装设在各条分支线路上的配电变压器和线路责任分界点之问， 同样可完成对用户进线侧故障的处理功能，如图2 5 所示。 f k 4 用户用户 用户用户 图2 - 5 分界负荷开关切换线路示意图 用户进线侧分段器俗称“看门狗”，它是用来隔离用户侧的内部故障、有效地 防止系统故障扩大、提高供电可靠性的一种特殊的分段器。它所完成的基本功能是： 当用户侧发生单相接地时该分段器自动断开；发生相间短路时，该分段器自动闭锁 并记忆故障事件，在变电站出口断路器跳闸之后、重合之前，自动断开，从而完成 用户侧的故障隔离工作。图中d l 为变电所出口重合器，f k l 一f k 4 为分界负荷开关， 每一个负荷开关的后边是用户。负荷开关具有开断负荷电流，检测电源电压，检测 电源电流及零序电流的功能。当开关f k l 的用户发生短路故障时，重合器d l 与开 关f k l 同时检测到过流与失压，重合器动作，切断短路电流，经过一定的延时时间 后开关f k l 在无流失压的情况下分闸，并且闭锁。再经过一定的延时后，重合器重 合，f k 2 f k 4 等用户恢复供电。这种回路的特点是重合器只需要进行一次重合闸， 并且非故障线路的停电时间短，故障线路受冲击的次数少，时间短，损失小。因此 将能在今后市场上占据极为重要的作用。 戳册 冒l 华北电力大学硕士学位论文 第三章保护装置一次侧开关元件的选取 3 1 柱上开关的选取 开关是实现配电自动化的一次设备中的主要元件。对开关的基本要求是动作可 靠，运行稳定。为了实现配电自动化的基本功能，要求开关能通过开关控制器完成 测控等操作。这部分开关主要有柱上丌关和台式，多路组合开关柜两大类。由于本 课题研究的设备不开断大电流故障，所以开关无需用断路器，只需用负荷开关即可， 这就节省了经济开支。 本论文针对的是1 0 k v 户外馈线终端柱上开关的研究设计。柱上开关多用于架空 线路，主要有线路分段开关和联络开关。对柱上开关要求不检测，免维护，符合无 渗漏标准，尽可能采用无油开关，开关本体有较好的防绣能力。对操作机构要求有 一万次寿命，遥控操作的正确率应是1 0 0 。一般为负荷开关，要求能开断负荷电 流，不需要开断短路电流，但需要关合短路电流。 近2 0 年来，随着世界范围内中压领域无油化发展，真空开关得到了广泛应用， 特别是在3 5 k v 以下中压领域占主导地位：德国真空开关的市场占有率已经达到6 5 以上，日本则已达7 0 以上，在我国真空开关已经被正式确定为中压领域开关无 油化的替代产品。相较其他开关产品而言真空开关具有以下特点和优点： 熄弧过程在密封的真空容器中完成，电弧和炽热气体不会向外界喷溅，不会污 染周围环境； 真空的绝缘强度高，熄弧能力强，所以触头的行程很短，一般均在几个毫米内， 因此操动机构的操动功率小，整个断路器体积小，重量轻； 熄弧时间短，电弧电压低，电弧能量小，触头的电磨损小，因而电寿命长，适 合于频繁操作； 真空开关结构简单，维修和维护工作量小，在真空灭弧室的使用期限内，触头 部分不需要维修，检查： 真空开关的价格高，只是相对于油开关而言，对同容量开关，其价格比一般为3 4 ：1 ，但是与s f 6 断路器相比，真空开关并不算贵的； 真空开关价格高，主要是指一次性投资较大，但是其综合经济效益，实际是便 宜的。真空开关的检修，维护费用较低，故障率低，所以故障检修占用的供电时间 较少，投切电力电容器组及高压电动机节能都是油开关等无法比拟的，其综合社会， 经济效益高是公认的。 总之，真空开关之所以为众多厂家青睐，除产量大，覆盖面积广之外，首要原 因是由于真空技术，真空工艺，灭弧室制造技术的不断进步，使真空断路器具有优 华北电力大学硕十学位论文 异的电性能和机械性能，能满足不同用户的不同要求。另一个重要的原因，是它对 环境无污染，在人们普遍注重环保的今天，这点尤为重要。s f 6 气体是良好的灭弧 介质，但若用于频繁操作的低压电器中，由于频繁操作的电弧作用，金属蒸气与s f 6 气体分解物起反应，结合而生成绝缘性很好的细粉末( 氢氟酸盐、硫基酸盐等) ， 沉积在触头表面，并严重腐蚀触头材料，从而使接触电阻急剧增加，使充有s f 6 气 体的密封触头不能可靠地工作。因此对于频繁操作的低压电器不适宜用s f 6 作灭 弧介质。而在真空断路器中，就不会产生有害分解物，因为在这里开断时只产生金 属蒸汽。真空灭弧室绝对密封钎焊，不会与环境相互影响。污秽，灰尘及潮气均不 能进入灭弧室，这就避免了任何的氧化。灭弧室的所有材料均以洁净的状态保持在 整个寿命期间。 由于真空开关能与永磁操动机构能进行完美匹配，突破了传统意义上的机构动 作原理，可进一步提高断路器的可靠性，满足了当今社会对高质量，高可靠性产品 的需求。这为研制真正免维护超长寿命的真空开关奠定了基础；同时由于其所具备 的体积小，重量轻，结构简单，免维护，使用寿命长的优势，可作为小型化变电所 、电网无油化改造、配电自动化等中应用的主要开关设备，具有广阔的发展前景。 因为我们要研制的是1 0 k v 户外柱上开关，并且希望尽可能降低功耗实现独立电池 供电，所以我们选用真空负荷开关来做为一次侧开关元件【8 】【9 1 。 3 2 操动机构的选取 由上述我们知道真空开关由于工作可靠无需维护等一系列优点，目前在中压开 关设备中已具有明显优势。目前，新一代真空断路器一般具有1 万次机械寿命，甚 至达到7 万次实验机械寿命。 西门子公司称它的真空断路器可开断短路电流1 0 0 次，开断额定电流3 万次。基于上述原因，沿用传统断路器操动机构来驱动真空断 路器显然很难体现出其高寿命、高可靠性的优点。运行经验表明：结构简单、寿 命长、可靠性高等，是真空开关对操动机构的理想要求。实现电子操作首要解决的 问题是能量转换问题。目前，真空断路器配用的操动机构包括：电磁操动机构、弹 簧操动机构和永磁操动机构。下面对这三种类型的操动机构进行比较。 早期设计的适合真空断路器的机构为电磁机构，开关合闸时，螺管式电磁铁逐 渐接近端面，产生的吸力会增加，这样就与真空断路器的机械特性相匹配，但它仍 需要保持合闸位置的机械锁扣，且需提供近百安培的直流电源。 弹簧操动机构以交流小功率储能，小功率电能供给脱扣线圈进行分，合闸操作， 己广泛应用于少油，s f 6 断路器。通过凸轮曲线及连杆传动变换，缓冲结构的改进， 以满足真空灭弧室的特殊要求，并且可以做到少维护甚至免维护的要求，它的操动 1 4 华北电力大学硕士学位论文 功可以从数十焦耳到数千焦耳，机械寿命可达到数千次到数万次。但是弹簧机构零 件数较多，特别是缩扣部分的复位和闭锁，仍存在不可靠因素。 由于弹簧操动机构和电磁操动机构均依靠机械连杆与缩扣保证操作的稳定状 态，传动环节多，累计运动公差大且相应缓慢，操动机构的相应时间分散性很大， 对于交流控制信号一般大于1 0 m s ，即使采用直流操作，控制时间的分散性也在毫 秒量级，控制时间分散性和不可控性决定了传统操动机构很难实现电子操作【1 0 】。 随着真空断路器在中压领域的发展，永磁材料性能的提高，先进的二次技术在 开关设备中的应用，永磁机构在柱上开关，中压断路器领域对传统的弹簧机构提出 了挑战。作为2 0 世纪9 0 年代世界最新技术，它采用一种全新的工作原理和结构， 通过将电磁铁与永久磁铁特殊结合，实现传统断路器操动机构的全部功能，并在一 定程度上实现智能化。永磁机构工作时运动部件很少，零件总数也比弹簧操动机构 大大减少，机构十分简单，大大提高了它的工作可靠性。在结构上与传统断路器操 动机构的最大区别在于无需脱，缩扣装置即可实现机构终端位置的保持功能，是一 种传统观念的突破，具有非常高的可靠性。同时，它的机械寿命可达1 0 万次，是 一般弹簧机构的5 1 0 倍；它动作速度快，时间精确，所需的操作电能非常小，并 可实现免维修运行，是一种非常适用于作为智能操作的操作机构，这正符合我们寻 求低功耗的智能馈线终端保护的设计想法。并且促进这想法成熟就实施的还有就 是永磁操动机构的吸力特性能与真空开关的负载特性很好对应，实现完美的结合。 如图3 1 所示真空断路器合闸过程的负载特性，弹簧机构及永磁机构的出力特性。 力n b 上x ! a a 一真空断路器的负载特性b - 弹簧机构的出力特性 c 一永碰带l 构的出力特性 图3 一i 永磁操动出力特性曲线 不难看出，弹簧机构是弹簧在断路器触头的合闸过程中释放能量，弹簧力的特 性与真空断路器的特性相反。真空断路器所要求的力与行程关系曲线是通过弹簧的 特性转换来的。这种力的转换伴随着连接机构的高速运动，不仅降低机构的效率和 华北电力大学硕十学位论文 可靠性，还减少了产品结构的刚性。为了使真空灭弧室触头保持在合闸位置上，弹 簧操动机构使用靠线圈脱扣的机械锁扣【1 2 】。 对于有些特殊的场合，可以优先考虑配永磁机构。例如，户外柱上真空开关断 路器。由于这些产品安装在柱上，不易检修，另外，由于户外恶劣的环境条件，往 往使得弹簧机构在长期运行中，润滑脂失效，零件生锈，动作不灵活。由于永磁机 构体积小，可以密封在充气的箱体内，免受恶劣环境的影响。对于柱上开关，弹簧 机构也要解决电源问题，尤其是配网自动化用的产品，同样也需要控制单元。因此， 柱上真空断路器应优先选用永磁机构。现在国外的柱上开关绝大多数都采用永磁机 构。户外用开闭所或者户外环网柜，由于大多数这样的产品都是采用充气柜( 充s f 6 气体) 的方式，如果采用弹簧机构，由于弹簧机构的体积大，零部件多，不能保证 不维修，因此必须放在气室外边，这就存在一个动密封的问题，增大了漏气的几率。 然而，永磁机构体积小，不需要维修，可以放在气室内，省去了一个动密封的环节， 而且机构在气室内，不会收到外部环境的侵蚀引起生锈或卡滞而影响其机械性能。 永磁机构