智能开关在10kV配电网自动化中的应用
发表时间：2018-06-19T15:31:05.130Z 来源：《电力设备》2018年第4期 作者： 陈楠
[导读] 摘要：随着配电网自动化系统建设的不断推进，智能开关设备得到了广泛应用，因此本文介绍了智能开关的内涵、类型，并结合柱上智能开关在10kV架空馈线自动化系统中的应用分析了其特点和效果。 (广东电网汕头潮阳供电局有限责任公司 515100)
摘要：随着配电网自动化系统建设的不断推进，智能开关设备得到了广泛应用，因此本文介绍了智能开关的内涵、类型，并结合柱上智能开关在10kV架空馈线自动化系统中的应用分析了其特点和效果。 关键词：智能开关；10kV；配电网自动化
配电网位于电力系统的末端，直接面向用电客户，运行可靠性对用户的用电体验具有显著影响。而且随着配电网规模持续的扩大，分布式电源的引入，配电网结构愈趋复杂和脆弱，使得基层供电企业生产经营压力不断增加。在这种情势下，加快配电网自动化建设成为必然之选，因为提高配电网自动化能提高电网自适应与自愈能力，实现高效集约管理，保证电网安全及供电可靠性[1]。配电网自动化对开关设备要求较高，智能开关是实现配电网智能化、自动化的重要基础[2]。因此，本文对智能开关在10kV配电网自动化中的应用进行探讨。 1 配网自动化系统中的智能开关 1.1智能开关概念与类型
智能开关是在传统开关设备基础上，实现智能感知并获取信息、智能处理信息、对信息智能判断、智能操作的开关设备。配电网应用开关设备的环节包括架空线路、电缆线路和配电房/开关站，所以本文将智能开关类型分为柱上智能开关、智能环网柜、智能箱变和智能开关柜。
图1显示智能开关在配电网自动化系统的位置关系。图中FTU（Feeder Terminal Unit）是馈线自动化终端，一般具有遥测、遥信、遥控“三遥”功能。TTU（Transformer Terminal Unit）是配电变压器终端，通常只有采集配变负荷信息的“一遥”功能。DTU（Distribution TerminalUnit）是配电自动化终端，也具有“三遥”功能。DTU与FTU结构较相似，但因FTU用于户外，防护等级必须达到IP65，而有较好防护条件的DTU只需满足IP54就行了（当然防护条件较差的DTU也要达到IP65）； 1个FTU监控1个开关，而1个DTU可同时监控2个或更多个开关；FTU具采集信息、保护逻辑和遥控等功能，而DTU通常无保护逻辑，需与主站双向通信才能实现故障定位和隔离故障。 1.2 柱上智能开关
配电网架空线路一般有断路器、隔离开关、负荷开关、分段开关、重合器、熔断器等开关设备，对应的柱上智能开关设备有智能断路器、智能负荷开关、智能重合器等[3]。智能断路器由开关本体、电子互感器、智能化保护单元和不间断电源组成，并根据使用场合分为干线型、分支型、分段型、分界型等不同种类，可实现过载时限保护、短路速断保护、短路定时保护、重合闸后加速保护等功能[4]。智能负荷开关由开关本体、电子互感器、控制单元等组成，根据使用场合分为主干线负荷分段型、分支线分界型和分支线用户分界型，可切断负荷电流和零序电流，用于自动隔离故障区域。智能用户分界开关安装于线路责任分界点处，可自动切除用户侧单相接地故障，不会将故障扩大到上一级线路，一般配备三相电流互感器和零序电流互感器，若配备无线通信模块，可定位故障位置。智能重合器主要用于配电所出线开关与自动配电开关/分段开关配合自动隔离故障和自动恢复供电，能检测故障电流并在设定时限内切断故障电流，开断功能类似断路器，但其可实现多次自动重合功能，保护功能比断路器更宽。 1.3智能环网柜与智能箱变
在城市10kV电缆线路中，一般要求每隔200～500m设置一个环网柜，配电自动化对智能环网柜有更高要求。智能环网柜是将中压开关单元、二次系统模块、操作电源、监测设备深度整合，并主要用于电缆环网系统的智能开关设备，其核心设备包括断路器、负荷开关、隔离开关、重合器和二次智能终端控制单元，以及电压互感器、电流互感器等，可实现“三遥”功能，并可自动监测和控制柜内温、湿度，通信方式可采用光纤通信和4G无线通信[5]。智能箱变是由高压柜、低压柜、变压器柜、无功补偿柜等组成，并通过智能终端设备、过程设备和管理站实现功能，在高压柜内设有断路器、负荷开关等智能开关设备，辅助电源可采用太阳能发电系统，能实现“四遥”功能[6]。 1.4智能开关柜
在配电房/开关站内设有开关柜，配电网自动化同样要求开关柜智能化。与传统开关柜相比，智能开关柜结构紧凑、功能集成化、维护方便，而且采用更先进的“五防”功能。主要由一次开关设备、二次监控保护设备、先进传感设备等组成，可实时监控柜内环境（温湿度、压力）状态、断路器状态、绝缘状态，实现操纵机构自动化和“五遥”功能[7]。 2智能开关在10kV配电网自动化系统中的应用
下面以智能开关在10kV架空馈线自动化的应用为例分析。 2.1 线路正常状态
图2为10kV馈线自动化设备接线图。该线路采用了时间级差保护配合模式。由图可见，线路以W1为界分为两段，每段都有一条支路。C1为具有时限保护和二次重合功能的断路器，整定参数为过流保护0.3s，零序电流保护1s。W1同样为具有时限保护和二次重合功能的智能断路器，整定参数为过流保护0.15s，零序电流保护0.6s，第1次重合闸时间为5s，第2次重合闸时间为60s。F1、F2为主干线分段负荷开关，检测一侧有压将在延时5s后合闸，若合闸后无故障电流，将在3s后闭锁分闸。S1为支线分界断路器，功能及参数整定同W1。U1为电压型分支线分界负荷开关，检测一侧有压，将在延时5s后合闸。Y1～F3为分支线用户分界负荷开关。L1为联络开关。开关旁有智能分布式FTU，以实现“三遥”功能。 2.2 K1处发生故障 假如K1处发生永久故障，S1延时0.15s跳闸，由于C1存在更长延迟时间差，所以不动作。其后Y1、Y2因失压而自动分闸。S1在5s后重合闸，Y1、Y2检测有压，延时5s后合闸。Y1侧无故障电流，故在3s后闭锁分闸。因为是永久故障，S1再次跳闸，Y2分闸并闭锁分闸，但Y1保持合闸。60s后S1第二次重合闸，但Y2已隔离故障，Y1后面恢复供电。图3为隔离故障后的状态。 2.3 K2处发生故障 如果故障发生在K2处，S1两次重合闸后仍检测到故障，不再重合闸，故障区域被成功隔离。图4是故障隔离后的状态。 2.4 K3处发生故障 如果故障发生在K3处，C1将跳闸，重合闸2次将故障隔离。但F2后面并未发生故障，要恢复该段供电，可合上联络开关L1转供电。由于W1闭锁合闸，不会向故障区域供电。图5为故障隔离后的状态。 2.5 K4处发生故障 如果故障发生在K4处，情况与K1处有些类似，但这里采用了两级分界负荷开关，可在日后扩展负荷（T接）。图6为故障隔离后的状态。 2.6 小结 在上述事例中，将线路保护与变电站保护结合起来，发挥几个作用，即减少了变电站出线跳闸次数，提高了变电站出线开关重合闸成功率，减少了靠近电源侧开关动作次数，自动隔离了分支侧单相接地故障，可以灵活采用多种通信方式等。 对于变电站保护与线路保护时间级差分析如下：出线过流保护与线路过流保护时间差为0.3s-0.15s=0.15s，零序电流保护时间差为1s-0.6s=0.4s。由于时间继电器误差不超过±30ms，断路器分闸时间不超过60ms，可以计算时间裕度为：对相间故障为150-30-30-60=30ms，对接地故障为400-30-30-60=280ms，完全可以满足时间级差保护的配合要求。 3 结语 智能开关设备具有智能感知、判断、执行功能，可智能监测开关状态和评估寿命，并对电网和环境友好，具有广阔的应用前景和巨大的社会经济效益潜力，因此有必要加强研究和积极交流，让智能开关设备在配电网自动化建设过程中发挥更大、更有效的作用。 参考文献： [1] 张必熙，罗希. 地区配电网自动化系统的规划和建设[J]. 安徽电力，2014,31(1)：61-67. [2] 骆虎，刘宇. 配电智能开关设备的集成设计研究[J]. 中国电业（技术版），2014(6)：57-60. [3] 李艳龙. 基于柱上智能开关的架空馈线自动化故障处理的研究[J]. 电气应用，2015,34(5)：104-107，113. [4] 王喜乐. 电力系统一种户外智能开关研究与设计[D]. 郑州：郑州大学，2016. [5] 李镇鸿. 10kV一体化智能环网柜的研究与设计[D]. 广州：华南理工大学，2015. [6] 魏敏. 10kV智能箱式变电站的设计与研究[D]. 泉州：华侨大学，2013. [7] 郭云涛. 智能开关柜在变电站工程设计中的应用[J]. 电气自动化，2016,38(6)：47-50.
