張良，張新慧，王濤，孫溪，宋國棟

（1.山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心，山東淄博255049；2.國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博255000；3.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟南250061）

·試驗研究·

架空配電網(wǎng)分支線保護選配方案研究

張良1，張新慧1，王濤2，孫溪3，宋國棟1

（1.山東理工大學(xué)智能電網(wǎng)研究中心，山東淄博255049；2.國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東淄博255000；3.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟南250061）

分析了我國當(dāng)前配電網(wǎng)分支線保護配置方案及其對用戶年平均停電損失的影響，為降低用戶年平均停電損失，提出一種分支線保護選配方法。該方法將分支線路分為3類，綜合考慮分支線路負荷容量、長度等因素，通過比較配置不同保護時的用戶年平均停電損失，選取最優(yōu)配置方案，為現(xiàn)場選配分支線保護提供技術(shù)支持。為方便現(xiàn)場使用，對選配方法進行合理的簡化處理，并通過實例分析驗證了該選配方法能夠有效減少用戶年平均停電損失。

配電網(wǎng)；分支線；保護；用戶停電損失

0　引言

合理選配架空配電網(wǎng)分支線（簡稱分支線）保護是提高供電可靠性、降低用戶年平均停電損失的重要措施。目前我國分支線保護配置方案主要有3種，即熔斷器保護、斷路器保護和自動分界開關(guān)。各種保護方案均有優(yōu)缺點，對用戶年平均停電損失的影響取決于具體的分支線路特點（如分支線路位置、長度、負荷容量等）。若不結(jié)合具體的分支線路進行選配往往無法最大限度地減少用戶的停電損失，甚至使停電損失增加。因此根據(jù)分支線的特點進行分支線保護選配具有十分重要的意義。

我國對于分支線保護選配的研究較少，文獻［1-3］提出在分支線安裝熔斷器、裝設(shè)自動分界開關(guān)的保護方案，但均未結(jié)合具體的分支線路計算配置該類型保護時能否最大限度地降低用戶年平均停電損失。文獻［4-5］介紹了國外分支線保護的配置方法，給出了各種保護的整定方法，但未涉及具體的選配方案。目前國內(nèi)外還沒有綜合考慮分支線路類型與保護特點，合理選配分支線保護的相關(guān)文獻。

根據(jù)干線出口保護配置情況與分支線的位置，將分支線路分為3類，并針對不同的類型給出了基于降低用戶年平均停電損失的分支線保護最優(yōu)選配方案及原則。

1　分支線保護配置方案現(xiàn)狀

配電網(wǎng)分支線保護配置如圖1所示，虛線內(nèi)為分支線路，支線首端開關(guān)處保護為分支線保護。

1.1熔斷器保護

熔斷器是一種具有反時限特性的電氣元件，在短路電流較大時能在50 ms內(nèi)開斷電路。當(dāng)上級保護添加100 ms以上的延時，只要選配合理，能夠在時限上很好地與上下級保護配合，達到選擇性的要求。但是由于其額定電流的限制（最大為200 A）只能用于負荷容量較小的分支線路。熔斷器保護最大的缺點在于沒有重合閘功能，當(dāng)保護區(qū)內(nèi)發(fā)生瞬時性故障時，也將造成長時停電。

1.2斷路器保護

分支線斷路器保護一般配備階段式電流保護，同時配備自動重合閘。由于配電線路短，短路電流相差不大且保護級數(shù)較多，斷路器保護一般只能通過時限保證動作的選擇性。斷路器保護之間應(yīng)有0.25s以上的級差才能實現(xiàn)時限上的配合，如果分支線位于干線出口Ⅰ段保護范圍之內(nèi)，顯然無法滿足選擇性的要求。

位于干線出口Ⅰ段保護范圍之外時，若干線出口Ⅱ段保護時限為0.3 s，則為滿足與上級保護的配合，分支線保護能添加的最大延時為0.05 s，無法與下級保護配合。因此當(dāng)配變發(fā)生故障時，勢必造成分支線非故障負荷的瞬時性停電。

1.3自動分界開關(guān)

自動分界開關(guān)俗稱“看門狗”，是一種可自動判別和隔離用戶支線故障的智能開關(guān)，其工作原理是分支線路故障時，干線出口保護跳閘，自動分界開關(guān)感受到失壓后斷開，通過干線出口重合閘恢復(fù)非故障線路的供電，且在干線重合閘動作的同時，非故障部分的線路負荷因低電壓脫口裝置動作而造成短時停電。

自動分界開關(guān)相對于熔斷器保護的優(yōu)點是不受分支線負荷容量的限制，但無法通過時限配合達到選擇性的要求，只能通過重合閘恢復(fù)供電。因此，分支線發(fā)生故障時必然造成非故障線路的短時停電和故障線路的長時停電。

2　分支線保護對用戶年平均停電損失影響

根據(jù)上述分析，按干線出口保護配置方案和分支線位置的不同將分支線路分為3類。第一類：分支線位于干線出口Ⅰ段保護范圍之內(nèi)，且Ⅰ段保護無延時；第二類：分支線位于Ⅰ段保護范圍之內(nèi)，且Ⅰ段保護有延時；第三類：分支線位于Ⅰ段保護范圍之外。

假設(shè)某分支線負荷容量為P1，饋線總負荷容量為P0，分支線外其他線路負荷容量為P2=P0-P1；分支線長度l，線路故障率為x，其中瞬時性故障率xs，永久性故障率xy，配變故障率xT；短時停電損失fs，長時停電損失fy。

不配分支線保護時造成的用戶年平均停電損失F0為

下面分別計算不同類型的分支線路配置各類保護時對用戶年平均停電損失的影響。

2.1第一類分支線配置不同保護分析

1）配置熔斷器保護。

配置熔斷器保護無法滿足選擇性要求，無論瞬時性故障還是永久性故障都造成非故障線路的瞬時性停電和故障線路的永久性停電。但只能用于負荷容量800kVA以下的線路。配置熔斷器保護造成的用戶年平均停電損失F1，1為

其中：

2）配置斷路器保護。

第一類分支線上配置斷路器保護，分支線瞬時性故障將造成全線短時停電，永久性故障將導(dǎo)致干線出口保護重合閘不成功而造成整條饋線長時停電。另外配變故障時也將造成分支線上非故障用戶的瞬時性停電。單獨考慮每臺配變較為復(fù)雜，假設(shè)分支線上各配變?nèi)萘縫i相同為平均負荷容量，即。則配置斷路器保護時的用戶年平均停電損失F1，2為

其中：

3）配置自動分界開關(guān)。

配置自動分界開關(guān)在分支線故障時將造成非故障線路的瞬時性停電和故障線路的永久性停電。配置自動分界開關(guān)時的用戶年平均停電損失F1，3為

2.2第二類分支線配置不同保護分析

1）配置熔斷器保護。

在第二類分支線上配置熔斷器保護，由于有150 ms的延時，能保證選擇性的要求，故障時將造成故障線路的長時停電，對非故障線路沒有任何影響。配置熔斷器保護時的停電損失F2，1為

其中：

2）配置斷路器保護。

與第一類分支線相同，在第二類分支線上配置斷路器保護時也無法滿足選擇性的要求，配置斷路器保護時的停電損失F2，2為

3）配置自動分界開關(guān)。

由上述分析可知，無論在哪一類分支線上配置自動分界開關(guān)都無法與干線出口保護在時限上配合，因此，在第二類分支線上配置自動分界開關(guān)時的用戶年平均停電損失F2，3與在第一類分支線上配置時相同，即

2.3第三類分支線配置不同保護分析

1）配置熔斷器保護。

分支線位于Ⅰ段保護范圍之外，熔斷器保護時能與干線出口Ⅱ段保護配合，保證選擇性的要求。因此，配置熔斷器保護時用戶年平均停電損失F3.1與在第二類分支線上配置時相同，即

2）配置斷路器保護。

在第三類分支線上配置斷路器保護能夠?qū)崿F(xiàn)與干線出口保護配合，但當(dāng)配變故障時也將造成分支線上非故障用戶的瞬時性停電。配置斷路器保護時的停電損失F3，2為

其中：

3）配置自動分界開關(guān)。

在第三類分支線上配置自動分界開關(guān)造成的停電損失F3，3與前兩類相同，即

3　分支線保護選配原則

3.1第一類分支線路保護選配原則

比較式（2）、（3）可知，對于第一類分支線配置熔斷器保護與安裝自動分界開關(guān)效果相同，鑒于熔斷器受負荷容量限制，只考慮自動分界開關(guān)。

1）自動分界開關(guān)與斷路器保護的比較。

計算F1，2與F1，3的差值，發(fā)現(xiàn)恒大于0，說明配置自動分界開關(guān)要優(yōu)于斷路器保護。

2）自動分界開關(guān)與不配分支線保護的比較。

計算不配分支線保護與配置自動分界開關(guān)時的用戶年平均停電損失之差并化簡得：

為方便現(xiàn)場使用，對原則進行簡化，由于短時停電損失一般遠小于長時停電損失，即。瞬時性故障率約占總故障率的85%，即。則此時。因此原則1可簡化為：當(dāng)此分支線負荷容量占總負荷容量比例小于15%時，配置自動分界開關(guān)；不小于15%時，不配保護。

3.2第二類分支線路保護選配原則

1）自動分界開關(guān)與斷路器保護的比較。

計算F2，2與F2，3之差，其值恒大于0，說明配置自動分界開關(guān)要優(yōu)于斷路器保護。

2）自動分界開關(guān)與熔斷器保護的比較。

計算F2，3與F2，1之差，其值恒大于0，說明熔斷器保護優(yōu)于自動分界開關(guān)，但熔斷器只適用于負荷容量不大于800 kVA的線路。

3）自動分界開關(guān)與不配保護的比較。

計算不配分支線保護配置自動分界開關(guān)與時的用戶年平均停電損失之差并化簡得：

4）熔斷器保護與不配保護的比較。

計算不配分支線保護與配置熔斷器保護時的用戶年平均停電損失之差并化簡得：

其中：

因此，原則2可簡化為：當(dāng)此分支線負荷容量占總負荷容量比例不小于15%時，不配保護；小于15%時，若分支線負荷容量不大于800 kVA配置熔斷器保護，反之配置自動分界開關(guān)。

3.3第三類分支線路保護選配原則

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)F3，3與F3，2之差、F0與F3，2之差均恒大于0，說明對于第三類分支線配置斷路器保護要優(yōu)于配置自動分界開關(guān)和不配分支線保護。

計算配置熔斷器保護與斷路器保護時的用戶年平均停電損失之差并化簡得：

其中：

為滿足工程需要，對原則進行簡化。假定線路永久性故障率為0.05次/（km·a），配變故障率為0.1次/a，短時停電損失為3元/kW，長時停電損失為40元/kW，則ρ3，1可簡化為

因此原則3可簡化為：當(dāng)分支線上配變的臺數(shù)在數(shù)值上小于7倍的分支線長度時，采用斷路器保護；反之采用熔斷器保護。

4　實例分析

圖2為某市配電線路接線圖，一共有A、B、C和D 4條分支線路，基本參數(shù)如表1～2所示。干線出口保護配置階段式電流保護，Ⅰ段保護有0.15 s的延時，保護范圍如圖中虛線所示，Ⅱ段保護保護線路全長，動作時限0.3 s。線路瞬時性故障率為0.05次/（km·a），永久性故障率為0.2次/（km·a），并假定長時停電時的平均修復(fù)時間為1 h；配變故障率為0.1次/a。分支線上統(tǒng)一安裝自動分界開關(guān)，此時的保護方案記為方案1。

按照提出的選配原則對分支線保護方案進行修改，記為方案2。

圖2　某市配電線路接線

表1　分支線上各配變?nèi)萘?/p>

表2　分支線路長度

1）分支線A位于干線出口Ⅰ段保護范圍之內(nèi)，且干線出口保護有0.15 s的延時，屬于第二類分支線路。A分支線負荷容量為400 kVA，占總負荷容量的9.43%。根據(jù)簡化原則2，應(yīng)配置熔斷器保護。

2）分支線B位于干線出口Ⅰ段保護范圍之外，屬于第三類分支線。分支線路長度為0.6 km，配變臺數(shù)n=5，顯然在數(shù)值上7l＜n。分支線B負荷容量為750 kVA，根據(jù)原則3應(yīng)配置熔斷器保護。

3）分支線C屬于第三類分支線。分支線路長度l為1 km，配變臺數(shù)為2臺，顯然在數(shù)值上6l＞n。根據(jù)原則3應(yīng)配置斷路器保護。

4）分支線D屬于第三類分支線。分支線路長度l為0.7 km，配變臺數(shù)n=5，雖然在數(shù)值分別計算方案1與方案2當(dāng)分支線故障時造成的用戶年平均停電損失，如表3所示。顯然，提出的分支線保護配置方法能有效提高供電可靠性，減少用戶年平均停電損失。

上6l

表3　用戶年平均停電損失比較

5　結(jié)語

按照干線出口保護的配置與分支線路的位置，將分支線路分為3類，并根據(jù)分支線路長度、負荷容量、故障率以及分支線上配變數(shù)量給出了每類分支線路保護選配原則?？紤]到現(xiàn)場選配分支線保護時，需要一種簡單實用的方法，對所提出的原則進行簡化處理，得到簡化的原則，簡單實用。經(jīng)實例分析，提出的分支線保護選配方法能有效地提高供電可靠性，降低用戶年平均停電損失。

［1］吳日昇，張勇軍，何毅思，等.配電網(wǎng)增設(shè)分支線保護的方法研究［J］.高壓電器，2006，42（4）：281-283.

［2］劉虎，劉遠龍.10 kV配電網(wǎng)分界開關(guān)使用原則探討［J］.山東電力技術(shù)，2014，41（3）：34-43.

［3］李文升.重要用戶10 kV保護整定計算探討［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（9）：97-99.

［4］CAMcCarthy，MJMeisinger.Inteligennt Fuse-saving［J］.IEEE TRANSACTIONS ON SMART GRID，2012，5（3）：627-631.

［5］HFeshkiFarahani，MAsadi，AKazemi.Analysis of Thermal Behavior of Power SystemFuse Using Finite Element Method［C］.The 4rdInternational Power Engineering and Optimization Conference，2010：189-195.

［6］徐丙垠，李天友，薛永端.面向供電質(zhì)量的配電網(wǎng)保護問題［J］.供用電，2012，29（3）：13-21.

［7］DL/T 584—20073 kV～110 kV電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程［S］.

［8］王季梅.高壓交流熔斷器及其應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

Protection Scheme Selection for Branch Lines of Overhead Distribution Lines

ZHANG Liang1，ZHANG Xinhui1，WANG Tao2，SUN Xi3，SONG Guodong1
（1.Research Center for Smart Grid，Shandong University of Technology，Zibo 255049，China；2.State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255000，China；3.Electrical Engineering College，Shandong University，Jinan 250061，China）

Branch line protection configuration scheme of distribution protection is analyzed.A method of protection selection is proposed to reduce the customer interruption cost.Load capacity and length of the branch line are taken into account in this method，and branch lines are divided into three categories.Optimal protection scheme is selected by comparing the interruption cost when using different protection scheme.This method can provide technical support for field use.The method is legitimately simplified for the convenience of field use，and it is verified by example analysis in reducing the customer interruption cost.

distribution network；branch line；protection；customer interruption cost

TM77

A

1007－9904（2015）10－0001－04

2015-07-01

張良（1990），男，碩士研究生，主要從事配電網(wǎng)保護研究工作；

國家863高科技項目—智能電網(wǎng)新型量測、通信、保護技術(shù)研究與開發(fā)（2012AA050213）

張新慧（1971），女，教授，主要從事配電網(wǎng)故障檢測技術(shù)、配電網(wǎng)自動化技術(shù)方面的研究。