張良，張新慧，王濤，孫溪，宋國(guó)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(guó)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(jì)南250061）

·試驗(yàn)研究·

架空配電網(wǎng)分支線保護(hù)選配方案研究

張良1，張新慧1，王濤2，孫溪3，宋國(guó)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(guó)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(jì)南250061）

分析了我國(guó)當(dāng)前配電網(wǎng)分支線保護(hù)配置方案及其對(duì)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(hù)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(fù)荷容量、長(zhǎng)度等因素，通過(guò)比較配置不同保護(hù)時(shí)的用戶年平均停電損失，選取最優(yōu)配置方案，為現(xiàn)場(chǎng)選配分支線保護(hù)提供技術(shù)支持。為方便現(xiàn)場(chǎng)使用，對(duì)選配方法進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化處理，并通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)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(hù)；用戶停電損失

0　引言

合理選配架空配電網(wǎng)分支線（簡(jiǎn)稱分支線）保護(hù)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(guó)分支線保護(hù)配置方案主要有3種，即熔斷器保護(hù)、斷路器保護(hù)和自動(dòng)分界開關(guān)。各種保護(hù)方案均有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)用戶年平均停電損失的影響取決于具體的分支線路特點(diǎn)（如分支線路位置、長(zhǎng)度、負(fù)荷容量等）。若不結(jié)合具體的分支線路進(jìn)行選配往往無(wú)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(diǎn)進(jìn)行分支線保護(hù)選配具有十分重要的意義。

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

根據(jù)干線出口保護(hù)配置情況與分支線的位置，將分支線路分為3類，并針對(duì)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(hù)最優(yōu)選配方案及原則。

1　分支線保護(hù)配置方案現(xiàn)狀

配電網(wǎng)分支線保護(hù)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(hù)為分支線保護(hù)。

1.1熔斷器保護(hù)

熔斷器是一種具有反時(shí)限特性的電氣元件，在短路電流較大時(shí)能在50 ms內(nèi)開斷電路。當(dāng)上級(jí)保護(hù)添加100 ms以上的延時(shí)，只要選配合理，能夠在時(shí)限上很好地與上下級(jí)保護(hù)配合，達(dá)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(fù)荷容量較小的分支線路。熔斷器保護(hù)最大的缺點(diǎn)在于沒有重合閘功能，當(dāng)保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，也將造成長(zhǎng)時(shí)停電。

1.2斷路器保護(hù)

分支線斷路器保護(hù)一般配備階段式電流保護(hù)，同時(shí)配備自動(dòng)重合閘。由于配電線路短，短路電流相差不大且保護(hù)級(jí)數(shù)較多，斷路器保護(hù)一般只能通過(guò)時(shí)限保證動(dòng)作的選擇性。斷路器保護(hù)之間應(yīng)有0.25s以上的級(jí)差才能實(shí)現(xiàn)時(shí)限上的配合，如果分支線位于干線出口Ⅰ段保護(hù)范圍之內(nèi)，顯然無(wú)法滿足選擇性的要求。

位于干線出口Ⅰ段保護(hù)范圍之外時(shí)，若干線出口Ⅱ段保護(hù)時(shí)限為0.3 s，則為滿足與上級(jí)保護(hù)的配合，分支線保護(hù)能添加的最大延時(shí)為0.05 s，無(wú)法與下級(jí)保護(hù)配合。因此當(dāng)配變發(fā)生故障時(shí)，勢(shì)必造成分支線非故障負(fù)荷的瞬時(shí)性停電。

1.3自動(dòng)分界開關(guān)

自動(dòng)分界開關(guān)俗稱“看門狗”，是一種可自動(dòng)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(shí)，干線出口保護(hù)跳閘，自動(dòng)分界開關(guān)感受到失壓后斷開，通過(guò)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(dòng)作的同時(shí)，非故障部分的線路負(fù)荷因低電壓脫口裝置動(dòng)作而造成短時(shí)停電。

自動(dòng)分界開關(guān)相對(duì)于熔斷器保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是不受分支線負(fù)荷容量的限制，但無(wú)法通過(guò)時(shí)限配合達(dá)到選擇性的要求，只能通過(guò)重合閘恢復(fù)供電。因此，分支線發(fā)生故障時(shí)必然造成非故障線路的短時(shí)停電和故障線路的長(zhǎng)時(shí)停電。

2　分支線保護(hù)對(duì)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(hù)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(hù)范圍之內(nèi)，且Ⅰ段保護(hù)無(wú)延時(shí)；第二類：分支線位于Ⅰ段保護(hù)范圍之內(nèi)，且Ⅰ段保護(hù)有延時(shí)；第三類：分支線位于Ⅰ段保護(hù)范圍之外。

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

不配分支線保護(hù)時(shí)造成的用戶年平均停電損失F0為

下面分別計(jì)算不同類型的分支線路配置各類保護(hù)時(shí)對(duì)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(hù)分析

1）配置熔斷器保護(hù)。

配置熔斷器保護(hù)無(wú)法滿足選擇性要求，無(wú)論瞬時(shí)性故障還是永久性故障都造成非故障線路的瞬時(shí)性停電和故障線路的永久性停電。但只能用于負(fù)荷容量800kVA以下的線路。配置熔斷器保護(hù)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(hù)。

第一類分支線上配置斷路器保護(hù)，分支線瞬時(shí)性故障將造成全線短時(shí)停電，永久性故障將導(dǎo)致干線出口保護(hù)重合閘不成功而造成整條饋線長(zhǎng)時(shí)停電。另外配變故障時(shí)也將造成分支線上非故障用戶的瞬時(shí)性停電。單獨(dú)考慮每臺(tái)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(fù)荷容量，即。則配置斷路器保護(hù)時(shí)的用戶年平均停電損失F1，2為

其中：

3）配置自動(dòng)分界開關(guān)。

配置自動(dòng)分界開關(guān)在分支線故障時(shí)將造成非故障線路的瞬時(shí)性停電和故障線路的永久性停電。配置自動(dòng)分界開關(guān)時(shí)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(hù)分析

1）配置熔斷器保護(hù)。

在第二類分支線上配置熔斷器保護(hù)，由于有150 ms的延時(shí)，能保證選擇性的要求，故障時(shí)將造成故障線路的長(zhǎng)時(shí)停電，對(duì)非故障線路沒有任何影響。配置熔斷器保護(hù)時(shí)的停電損失F2，1為

其中：

2）配置斷路器保護(hù)。

與第一類分支線相同，在第二類分支線上配置斷路器保護(hù)時(shí)也無(wú)法滿足選擇性的要求，配置斷路器保護(hù)時(shí)的停電損失F2，2為

3）配置自動(dòng)分界開關(guān)。

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

2.3第三類分支線配置不同保護(hù)分析

1）配置熔斷器保護(hù)。

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

2）配置斷路器保護(hù)。

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

其中：

3）配置自動(dòng)分界開關(guān)。

在第三類分支線上配置自動(dòng)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(hù)選配原則

3.1第一類分支線路保護(hù)選配原則

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

1）自動(dòng)分界開關(guān)與斷路器保護(hù)的比較。

計(jì)算F1，2與F1，3的差值，發(fā)現(xiàn)恒大于0，說(shuō)明配置自動(dòng)分界開關(guān)要優(yōu)于斷路器保護(hù)。

2）自動(dòng)分界開關(guān)與不配分支線保護(hù)的比較。

計(jì)算不配分支線保護(hù)與配置自動(dòng)分界開關(guān)時(shí)的用戶年平均停電損失之差并化簡(jiǎn)得：

為方便現(xiàn)場(chǎng)使用，對(duì)原則進(jìn)行簡(jiǎn)化，由于短時(shí)停電損失一般遠(yuǎn)小于長(zhǎng)時(shí)停電損失，即。瞬時(shí)性故障率約占總故障率的85%，即。則此時(shí)。因此原則1可簡(jiǎn)化為：當(dāng)此分支線負(fù)荷容量占總負(fù)荷容量比例小于15%時(shí)，配置自動(dòng)分界開關(guān)；不小于15%時(shí)，不配保護(hù)。

3.2第二類分支線路保護(hù)選配原則

1）自動(dòng)分界開關(guān)與斷路器保護(hù)的比較。

計(jì)算F2，2與F2，3之差，其值恒大于0，說(shuō)明配置自動(dòng)分界開關(guān)要優(yōu)于斷路器保護(hù)。

2）自動(dòng)分界開關(guān)與熔斷器保護(hù)的比較。

計(jì)算F2，3與F2，1之差，其值恒大于0，說(shuō)明熔斷器保護(hù)優(yōu)于自動(dòng)分界開關(guān)，但熔斷器只適用于負(fù)荷容量不大于800 kVA的線路。

3）自動(dòng)分界開關(guān)與不配保護(hù)的比較。

計(jì)算不配分支線保護(hù)配置自動(dòng)分界開關(guān)與時(shí)的用戶年平均停電損失之差并化簡(jiǎn)得：

4）熔斷器保護(hù)與不配保護(hù)的比較。

計(jì)算不配分支線保護(hù)與配置熔斷器保護(hù)時(shí)的用戶年平均停電損失之差并化簡(jiǎn)得：

其中：

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

3.3第三類分支線路保護(hù)選配原則

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

計(jì)算配置熔斷器保護(hù)與斷路器保護(hù)時(shí)的用戶年平均停電損失之差并化簡(jiǎn)得：

其中：

為滿足工程需要，對(duì)原則進(jìn)行簡(jiǎn)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(shí)停電損失為3元/kW，長(zhǎng)時(shí)停電損失為40元/kW，則ρ3，1可簡(jiǎn)化為

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

4　實(shí)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(hù)配置階段式電流保護(hù)，Ⅰ段保護(hù)有0.15 s的延時(shí)，保護(hù)范圍如圖中虛線所示，Ⅱ段保護(hù)保護(hù)線路全長(zhǎng)，動(dòng)作時(shí)限0.3 s。線路瞬時(shí)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(zhǎng)時(shí)停電時(shí)的平均修復(fù)時(shí)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(dòng)分界開關(guān)，此時(shí)的保護(hù)方案記為方案1。

按照提出的選配原則對(duì)分支線保護(hù)方案進(jìn)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(zhǎng)度

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

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

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

4）分支線D屬于第三類分支線。分支線路長(zhǎng)度l為0.7 km，配變臺(tái)數(shù)n=5，雖然在數(shù)值分別計(jì)算方案1與方案2當(dāng)分支線故障時(shí)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(hù)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(yǔ)

按照干線出口保護(hù)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(zhǎng)度、負(fù)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(hù)選配原則。考慮到現(xiàn)場(chǎng)選配分支線保護(hù)時(shí)，需要一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，對(duì)所提出的原則進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，得到簡(jiǎn)化的原則，簡(jiǎn)單實(shí)用。經(jīng)實(shí)例分析，提出的分支線保護(hù)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。

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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(hù)研究工作；

國(guó)家863高科技項(xiàng)目—智能電網(wǎng)新型量測(cè)、通信、保護(hù)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(cè)技術(shù)、配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)方面的研究。