基于磁控断路器的多级级差保护应用

龚学毅，周斌，钟子华

珠海许继电气有限公司 广东 珠海 519060

摘要：为了缩短柱上断路器对配网线路故障的识别与隔离时间，缩小线路停电范围，本文提出了在10kV配电网进行基于磁控断路器的多级级差保护应用方案。磁控断路器本体采用磁控操动机构，内置电压传感器（EVT）和电流传感器（ECT），配套智能馈线终端（FTU），具有多功能、速动性和高可靠性的特点，结合灵活的保护延时时间配置可实现高达5级的多级级差就地馈线自动化保护应用，有效提升配电网架空线路的供电可靠性。

关键词：磁控断路器；速动性；智能馈线终端；多级级差保护；供电可靠性；

0 引言

随着配电网负荷容量越来越大，电网公司对柱上开关的安全性和可靠性提出更高的要求，缩短柱上开关对线路故障的隔离时间，降低线路停电时间成为了电网公司的迫切需求。本文研究基于磁控断路器的配电网多级级差保护应用方案，在设备投运后，能够根据设定的保护配置参数和变电站保护参数相配合，自动就地切除相间短路故障和单相接地故障，完成线路故障监测、隔离及非故障区段恢复供电功能，最高可实现5级级差就地馈线自动化保护应用，有效解决电压电流信号传感、快速故障识别、快速动作等技术问题，支撑快速隔离线路故障，减小停电时间，提高供电可靠性，具备在国网公司乃至全国推广应用的重要价值。

1 磁控断路器的组成配置及特点

磁控断路器主要由开关本体、智能馈线终端、电源PT和一二次连接电缆组成，其中开关本体由极柱组件、箱体、磁控机构等主要部件组成。开关本体采用25kA短路电流开断能力的真空灭弧室，内置集成EVT和ECT，满足计量与保护一体化应用需求；箱体采用铸铝结构，模具一体化成型，满足IP67防护等级要求；操作机构采用磁控操作机构，动作响应快，分闸时间稳定小于10ms；开关机械操作寿命不小于30000次，寿命长，性能稳定，可靠性高。智能馈线终端应用半波故障算法，终端固有动作时间小于40ms，配套磁控断路器本体应用可实现成套设备整组动作时间可靠小于50ms。

2 磁控断路器在10kV配电网中应用的可行性分析

2.1 磁控操作机构的应用可行性分析

磁控断路器本体所采用的磁控机构动、静铁芯采用新型磁性材料，可快速激磁退磁。机构处于分闸状态时，动静铁芯之间无磁力，当给机构激磁线圈施加正向电流时，磁性材料迅速激磁，使动静铁芯之间产生磁力将机构吸合，形成N/S极性磁场，机构在磁力作用下保持合闸状态。当施加反相电流时，在动静铁芯之间形成N/S极性磁场，磁性材料迅速退磁，磁力减弱，当磁力小于内置分闸弹簧斥力，在弹簧斥力的作用下，机构迅速分闸，N/S极性消除，磁力消失，机构在弹簧斥力作用下保持分闸状态。

磁控机构采用直动传动结构设计，传动效率高，可靠性高。磁控机构的铁磁材料硬度大，不容易摔碎，退磁温度达到300℃，退磁率为万分之一，激磁和退磁响应时间为毫秒级，与传统钕铁硼永磁机构相比，具有机械强度高、退磁率低、激磁退磁响应快等优点，更适合10kV配网速动型柱上开关的集成应用。

2.2 磁控断路器在10kV配电网中应用分析

据统计，配电网中80%以上的线路故障发生在分支线路或者用户侧，将故障就地选择性隔离在分支线路或者用户侧，保证架空主线路不停电或者减少主线路停电区域将有效提高配电网供电可靠性。

传统的柱上断路器多采用弹簧操作机构，固有分闸时间为30~40ms，终端固有动作时间同样为30~40ms，灭弧室息弧时间约10ms，终端保护返回时间及其它影响因素时间裕度为30ms，则应用弹簧操作机构的断路器完成故障隔离所需时间在100ms~120ms。一般10kV变电站出线开关保护延时设置为300ms，则弹操断路器最多可实现三级级差保护。在目前配电线路多分段多分支的应用环境下，三级级差无法满足就地快速自动化保护应用要求，需要进一步缩小开关的整组动作时间。

磁控断路器得益于磁控机构的应用，开关本体固有分闸时间约4~6ms，基于半波故障算法的智能馈线终端固有动作时间在30~35ms，则成套设备整组动作时间约34~41ms，加上40ms时间裕度，则级差最小可设置为74ms，在变电站出线开关保护延时设置为300ms的情况下，线路上可配置四级（级差配置100ms）甚至五级（级差配置75ms）级差就地馈线自动化保护。由此可见，磁控断路器的应用可明显加快线路故障的就地隔离，缩小故障引起的线路停电区域，提高供电可靠性。

3 基于磁控断路器的多级级差保护

3.1 四级级差保护应用

四级级差保护应用是指在变电站出线到用户之间投入4套磁控断路器配置级差保护，以配网典型环网网架为例（网络拓扑见图1），变电站出线开关CB1保护延时配置为300ms，用户分界断路器PB11延时配置为0ms，级差设置为100ms，则中间FB11和FB12两套分段断路器延时分别设置为200ms和100ms，将线路1分为4个保护区间，b区及下游区间发生线路故障，就近上游断路器将会延时保护跳闸将故障切除，而不会引起CB1站内断路器跳闸引起全线停电，下游非故障区域通过LS联络断路器转供电恢复供电。例如c区故障，FB11断路器200ms延时跳闸隔离故障，d区和I区通过LS联络断路器合闸转供电，FB11与FB12断路器延时重合闸闭锁，将故障隔离在c区和b区，缩小了线路故障停电区域，减少了变电站出线开关动作次数。

CB:站内断路器 FB:分段断路器 FS:分段负荷开关 PB:分支、分界断路器

图1 四级级差保护配置网络拓扑

3.2 五级级差保护应用

图2 五级级差保护配置网络拓扑

五级级差保护应用则是在四级级差保护应用基础上在线路中增设1套磁控断路器投入级差保护，在变电站出线开关保护延时300ms不改变的情况下，级差设置缩小为75ms，网络拓扑如图2所示，PB11用户分界断路器保护延时设置为0ms，上游断路器延时按照75ms级差逐级递增，将线路1分成5个保护区间，假设c区发生故障，FB12断路器150ms延时跳闸隔离故障，d区和I区通过LS联络断路器合闸转供电，FB12与FB13断路器延时重合闸闭锁，将故障隔离在c区，较四级级差保护进一步缩小了线路故障停电区域，且缩短了线路故障切除时间，减少了故障量对开关设备的冲击。

可见，依赖于磁控断路器的速动性，在10kV配电网中应用磁控断路器并配置五级级差保护，显著缩小线路故障停电区域，提高线路供电可靠性。

4 结语

本文介绍了磁控断路器的组成配置和特点，进行了磁控断路器在10kV配电网上应用的可行性分析，提出了基于磁控断路器的四级和五级级差保护配置应用策略。较传统弹操机构断路器，磁控断路器具有多功能、速动性以及高可靠性的特点，在配电网中进行基于磁控断路器的多级级差就地馈线自动化保护应用，可有效缩小线路故障停电区域，提升配电网架空线路的供电可靠性。

参考文献

[1] 刘合金，邵志敏，李建修，樊迪，李树琥.基于永磁开关的配电网多级保护配置策略研究[J],山东电力技术，2017，44（235）：22-25.

[2] 张哲，林林.配电网多级继电保护配合技术研究[J],农业科技与装备，2016，9：63-64.

作者简介：

第一作者： 龚学毅（1990—），男（汉族），本科，工程师，主要研究方向：中压柱上开关设备设计研究。