摘要：为减少配网线路短路故障和接地故障导致整条线路停电的情况，针对永磁断路器分闸时间短、电压互感器、电流互感器内置集成化特点，提出基于永磁断路器的配电网多级保护配置策略。分析了永磁断路器的结构及优点，阐述了永磁断路器在配电网中的适用性，并重点对多级保护配置中的两级级差和三级级差保护配置以及重合闸配置策略进行了论述。基于永磁断路器的配电网多级保护配置策略的应用，能够有效地缩小线路瞬时故障、局部故障和用户分支线故障停电范围，提高配电网的供电可靠性。
关键词:配电网；永磁断路器；多级保护配置；供电可靠性
0 引言
配电网承担着向用户可靠供电的职能，配电网中瞬时故障和接地故障占大多数，是影响电能质量和供电可靠性的主要因素。目前，在配电网中，对于线路短路故障和用户分支线短路故障，一般采用变电站出口断路器隔离线路故障，对于用户接地故障，尚无较好的及时应对措施。
基于永磁断路器的配电网多级保护配合是解决上述问题的关键。在配电网建设、改造中，永磁断路器已得到全面推广应用。永磁断路器动作迅速，尤其是在线路分段和用户支线处安装以后，可确保用户故障不越级，干线末端故障范围不扩大。本文分析了永磁断路器结构及优点，阐述了永磁断路器在配电网中应用的可行性及配置策略等关键问题，为永磁断路器在配电网中的应用提供参考。
1 永磁断路器的结构及优点
1.1永磁断路器结构
永磁断路器包括本体单元和控制单元，其中本体单元内置了三相高精度电流互感器、三相电容式电压互感器（CVT）和真空断路器、永磁操动机构等单元。永磁操动机构由永磁铁、分合闸线圈、铁芯等部件共同组成，永磁铁用于实现断路器分合闸位置保持。
图1 永磁断路器本体及控制单元组成
其控制单元由电源模块、保护测控单元模块、通讯模块等组成，保护测控单元模块采用了先进的微控制器技术，并在软件上采用多种算法、分析技术，能够准确地提取出各种电气特征量。
1.2永磁断路器的优点
采用全新的磁路设计，增大了断路器分合闸的保持力，减小了分合闸对线圈电流的要求，降低了能耗。开关量输出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，实现开关量快速输出。操动机构通过铁芯与主轴传动拐臂相连，直接驱动动触头，简化了传动链，减少故障源。新型永磁机构操动机构的设计，使得开关本体分合闸速度得到大幅度提高，目前其分合闸时间可做到10ms以内。
电流互感器一体式安装在断路器本体上，利用新型的环氧树脂浇铸而成，具有绝缘性能好、容量大、动热稳定性好、精度高、免维护等优点。控制单元采用高速微控制器技术实现快速数据采集与处理，独特的软件算法使得装置能够快速判断故障线路，可实现三段式电流保护和单相接地保护。
2 永磁断路器在配电网中应用的可行性
2.1保护功能应用的可行性
断路器控制单元采用了高速微控制器技术构成快速数据采集与处理单元，具有3次自动重合闸功能，当线路出现瞬时故障时，断路器能自动重合，保证线路正常供电，当线路出现永久故障时，断路器能可靠地保护跳闸；独特的软件算法（将快速富氏算法与递推算法结合起来）使得装置能够快速地判断故障线路，快速切除故障。
永磁断路器打破了传统的基于整个系统电气特征量的单相接地保护模式，它采集配电线路上断路器处的三相电流、三相电压值，并从中提取出零序、负序电气量。根据单相接地故障时的故障特征，采用多种分析技术，利用故障区段来识别故障线路，实现单相接地保护。
图2 单项接地故障及接地电流示意图
永磁断路器设有三段式电流保护，在系统运行方式变化较大时，使用户可以分段设置，同时兼顾到保护区和灵敏度方面的要求。另外永磁断路器设有低电压闭锁保护功能，能够可靠地躲避合闸涌流引起的误动、上电励磁涌流引起的误动、运行中的浪涌电流引起的误动。
2.2永磁断路器在配电网中的应用
永磁操动机构和无触点驱动技术能够使其动作时间显著缩短，动作分闸时间可达10ms左右，无触点驱动电路分合闸时间可小于1ms；快速保护算法的故障判断时间在10ms左右。采用上述技术的永磁断路器可以在30ms内将故障电流切除，因此，配电网中采用永磁断路器至少可以实现三级级差保护配合而不影响上级保护配合。
3 配电网多级保护配置策略
3.1两级级差保护配置
配电网两级级差保护配合指的是变电站出线断路器与用户分界断路器或分支线路断路器的配合，主干馈线断路器可利用原有断路器，用户或分支线路断路器全部采用永磁断路器，变电站10kV出线断路器采用普通断路器。两级级差保护配置如图5和图6所示。
两级级差保护配置的原则是：用户分接断路器或分支线路断路器S1的保护动作延时设定为0s；变电站10kV出线断路器CB保护动作延时设定为200-250ms。
图3中，用户分界断路器与变电站10kV出线断路器CB形成二级级差保护，其中分支断路器S1、S2、S3是永磁断路器，电流I段保护动作延时设定为0s，同时设置单相接地保护；变电站10kV出线断路器CB主保护动作延时设定为200-250ms。采用这种配置策略时，用户发生接地故障，瞬时跳开用户断路器，不扩大故障范围。
图4中，线路分支断路器、用户分界断路器与变电站10kV出线断路器形成二级级差保护，其中分支断路器FZ1、FZ2和用户分界断路器S1是永磁断路器，保护动作延时设定为0s，分支断路器FZ1、FZ2设置三相一次自动重合闸；变电站10kV出线断路器CB主保护动作延时设定为250-300ms。采用这种配置策略时，用户或分支线路发生短路故障时不会引起整条线路跳闸，分支线路短路故障跳闸后重合一次。
采用两级级差保护配置策略具有以下优点：用户或分支线路发生故障后，相应用户或分支线路断路器先跳闸，而变电站10kV出线断路器不跳闸，不会造成全线停电，不会发生多级断路器跳闸或越级跳闸的现象，故障处理过程简单，瞬时故障恢复时间短。此种配置方法中线路主干线全部利用原有断路器，只需将用户或分支线路断路器更换为永磁断路器，大大降低了工程造价。
3.2三级级差保护配置
基于永磁断路器的三级级差保护相对两级级差保护对线路故障的保护范围更广，能够进一步减少整条线路的故障跳闸次数，但是要求对断路器动作时间校验也更加严格。三级级差保护典型配置一般有以下二种。
用户分界断路器、馈线分支断路器与变电站10kV出线断路器形成三级级差保护，如图7所示。其中用户分界断路器S1、S2是永磁断路器，保护动作延时设定为0s；馈线分支断路器FZ1、FZ2是永磁断路器，保护动作延时设定为100-150ms;变电站10kV出线断路器CB保护动作延时设定为250-300ms。采用这种配置策略时，用户和分支线路故障均不会引起整条线路跳闸。
拉手式环网中馈线分支开关、馈线分段开关与变电站10kV出线断路器形成三级级差保护，如图8所示。其中CB1、CB2为两段变电站出口断路器，LS为中间联络断路器，正常情况处于断开位置。
馈线分支开关FZ为永磁断路器，保护动作延时设定为0s，馈线分段开关FB1、FB2为永磁开关，保护动作延时设定为100-150ms，根据需要设置重合闸功能; 变电站10kV出线断路器CB保护动作延时设定为250-300ms。采用这种配置策略时，用户和分支线路故障均不会引起整条线路跳闸。
假设FB1与FB2间发生短路故障，首先FB1跳闸，然后重合。如果是瞬时故障，重合成功；如果是永久性故障，重合后加速动作跳开FB1断路器，同时FB2断路器可设置检无压和无流5-10s跳闸，配合线路故障指示器可迅速确定故障范围，及时合上联络开关LS实现用户分支线路负荷转带。
4 结语
本文就永磁断路器的结构和特点进行了论述，对其在配网中应用进行探讨，提出了基于永磁断路器的多级保护配置策略，还可以根据需要，对部分分段断路器和分支线路采用重合闸功能，进一步提高配网供电可靠性。下一步，将结合实际工作，加强永磁断路器在配电网中的应用，进一步减少配电网中瞬时故障导致的短暂停电次数，提高配电网供电可靠性。
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论文作者:彭冲
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/11
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