架空配电网分支线保护选配方案研究

张良，张新慧，王涛，孙溪，宋国栋

（1.山东理工大学智能电网研究中心，山东淄博255049；2.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东淄博255000；3.山东大学电气工程学院，济南250061）

·试验研究·

架空配电网分支线保护选配方案研究

张良1，张新慧1，王涛2，孙溪3，宋国栋1

（1.山东理工大学智能电网研究中心，山东淄博255049；2.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东淄博255000；3.山东大学电气工程学院，济南250061）

分析了我国当前配电网分支线保护配置方案及其对用户年平均停电损失的影响，为降低用户年平均停电损失，提出一种分支线保护选配方法。该方法将分支线路分为3类，综合考虑分支线路负荷容量、长度等因素，通过比较配置不同保护时的用户年平均停电损失，选取最优配置方案，为现场选配分支线保护提供技术支持。为方便现场使用，对选配方法进行合理的简化处理，并通过实例分析验证了该选配方法能够有效减少用户年平均停电损失。

配电网；分支线；保护；用户停电损失

0　引言

合理选配架空配电网分支线（简称分支线）保护是提高供电可靠性、降低用户年平均停电损失的重要措施。目前我国分支线保护配置方案主要有3种，即熔断器保护、断路器保护和自动分界开关。各种保护方案均有优缺点，对用户年平均停电损失的影响取决于具体的分支线路特点（如分支线路位置、长度、负荷容量等）。若不结合具体的分支线路进行选配往往无法最大限度地减少用户的停电损失，甚至使停电损失增加。因此根据分支线的特点进行分支线保护选配具有十分重要的意义。

我国对于分支线保护选配的研究较少，文献［1-3］提出在分支线安装熔断器、装设自动分界开关的保护方案，但均未结合具体的分支线路计算配置该类型保护时能否最大限度地降低用户年平均停电损失。文献［4-5］介绍了国外分支线保护的配置方法，给出了各种保护的整定方法，但未涉及具体的选配方案。目前国内外还没有综合考虑分支线路类型与保护特点，合理选配分支线保护的相关文献。

根据干线出口保护配置情况与分支线的位置，将分支线路分为3类，并针对不同的类型给出了基于降低用户年平均停电损失的分支线保护最优选配方案及原则。

1　分支线保护配置方案现状

配电网分支线保护配置如图1所示，虚线内为分支线路，支线首端开关处保护为分支线保护。

1.1熔断器保护

熔断器是一种具有反时限特性的电气元件，在短路电流较大时能在50 ms内开断电路。当上级保护添加100 ms以上的延时，只要选配合理，能够在时限上很好地与上下级保护配合，达到选择性的要求。但是由于其额定电流的限制（最大为200 A）只能用于负荷容量较小的分支线路。熔断器保护最大的缺点在于没有重合闸功能，当保护区内发生瞬时性故障时，也将造成长时停电。

1.2断路器保护

分支线断路器保护一般配备阶段式电流保护，同时配备自动重合闸。由于配电线路短，短路电流相差不大且保护级数较多，断路器保护一般只能通过时限保证动作的选择性。断路器保护之间应有0.25s以上的级差才能实现时限上的配合，如果分支线位于干线出口Ⅰ段保护范围之内，显然无法满足选择性的要求。

位于干线出口Ⅰ段保护范围之外时，若干线出口Ⅱ段保护时限为0.3 s，则为满足与上级保护的配合，分支线保护能添加的最大延时为0.05 s，无法与下级保护配合。因此当配变发生故障时，势必造成分支线非故障负荷的瞬时性停电。

1.3自动分界开关

自动分界开关俗称“看门狗”，是一种可自动判别和隔离用户支线故障的智能开关，其工作原理是分支线路故障时，干线出口保护跳闸，自动分界开关感受到失压后断开，通过干线出口重合闸恢复非故障线路的供电，且在干线重合闸动作的同时，非故障部分的线路负荷因低电压脱口装置动作而造成短时停电。

自动分界开关相对于熔断器保护的优点是不受分支线负荷容量的限制，但无法通过时限配合达到选择性的要求，只能通过重合闸恢复供电。因此，分支线发生故障时必然造成非故障线路的短时停电和故障线路的长时停电。

2　分支线保护对用户年平均停电损失影响

根据上述分析，按干线出口保护配置方案和分支线位置的不同将分支线路分为3类。第一类：分支线位于干线出口Ⅰ段保护范围之内，且Ⅰ段保护无延时；第二类：分支线位于Ⅰ段保护范围之内，且Ⅰ段保护有延时；第三类：分支线位于Ⅰ段保护范围之外。

假设某分支线负荷容量为P1，馈线总负荷容量为P0，分支线外其他线路负荷容量为P2=P0-P1；分支线长度l，线路故障率为x，其中瞬时性故障率xs，永久性故障率xy，配变故障率xT；短时停电损失fs，长时停电损失fy。

不配分支线保护时造成的用户年平均停电损失F0为

下面分别计算不同类型的分支线路配置各类保护时对用户年平均停电损失的影响。

2.1第一类分支线配置不同保护分析

1）配置熔断器保护。

配置熔断器保护无法满足选择性要求，无论瞬时性故障还是永久性故障都造成非故障线路的瞬时性停电和故障线路的永久性停电。但只能用于负荷容量800kVA以下的线路。配置熔断器保护造成的用户年平均停电损失F1，1为

其中：

2）配置断路器保护。

第一类分支线上配置断路器保护，分支线瞬时性故障将造成全线短时停电，永久性故障将导致干线出口保护重合闸不成功而造成整条馈线长时停电。另外配变故障时也将造成分支线上非故障用户的瞬时性停电。单独考虑每台配变较为复杂，假设分支线上各配变容量pi相同为平均负荷容量，即。则配置断路器保护时的用户年平均停电损失F1，2为

其中：

3）配置自动分界开关。

配置自动分界开关在分支线故障时将造成非故障线路的瞬时性停电和故障线路的永久性停电。配置自动分界开关时的用户年平均停电损失F1，3为

2.2第二类分支线配置不同保护分析

1）配置熔断器保护。

在第二类分支线上配置熔断器保护，由于有150 ms的延时，能保证选择性的要求，故障时将造成故障线路的长时停电，对非故障线路没有任何影响。配置熔断器保护时的停电损失F2，1为

其中：

2）配置断路器保护。

与第一类分支线相同，在第二类分支线上配置断路器保护时也无法满足选择性的要求，配置断路器保护时的停电损失F2，2为

3）配置自动分界开关。

由上述分析可知，无论在哪一类分支线上配置自动分界开关都无法与干线出口保护在时限上配合，因此，在第二类分支线上配置自动分界开关时的用户年平均停电损失F2，3与在第一类分支线上配置时相同，即

2.3第三类分支线配置不同保护分析

1）配置熔断器保护。

分支线位于Ⅰ段保护范围之外，熔断器保护时能与干线出口Ⅱ段保护配合，保证选择性的要求。因此，配置熔断器保护时用户年平均停电损失F3.1与在第二类分支线上配置时相同，即

2）配置断路器保护。

在第三类分支线上配置断路器保护能够实现与干线出口保护配合，但当配变故障时也将造成分支线上非故障用户的瞬时性停电。配置断路器保护时的停电损失F3，2为

其中：

3）配置自动分界开关。

在第三类分支线上配置自动分界开关造成的停电损失F3，3与前两类相同，即

3　分支线保护选配原则

3.1第一类分支线路保护选配原则

比较式（2）、（3）可知，对于第一类分支线配置熔断器保护与安装自动分界开关效果相同，鉴于熔断器受负荷容量限制，只考虑自动分界开关。

1）自动分界开关与断路器保护的比较。

计算F1，2与F1，3的差值，发现恒大于0，说明配置自动分界开关要优于断路器保护。

2）自动分界开关与不配分支线保护的比较。

计算不配分支线保护与配置自动分界开关时的用户年平均停电损失之差并化简得：

为方便现场使用，对原则进行简化，由于短时停电损失一般远小于长时停电损失，即。瞬时性故障率约占总故障率的85%，即。则此时。因此原则1可简化为：当此分支线负荷容量占总负荷容量比例小于15%时，配置自动分界开关；不小于15%时，不配保护。

3.2第二类分支线路保护选配原则

1）自动分界开关与断路器保护的比较。

计算F2，2与F2，3之差，其值恒大于0，说明配置自动分界开关要优于断路器保护。

2）自动分界开关与熔断器保护的比较。

计算F2，3与F2，1之差，其值恒大于0，说明熔断器保护优于自动分界开关，但熔断器只适用于负荷容量不大于800 kVA的线路。

3）自动分界开关与不配保护的比较。

计算不配分支线保护配置自动分界开关与时的用户年平均停电损失之差并化简得：

4）熔断器保护与不配保护的比较。

计算不配分支线保护与配置熔断器保护时的用户年平均停电损失之差并化简得：

其中：

因此，原则2可简化为：当此分支线负荷容量占总负荷容量比例不小于15%时，不配保护；小于15%时，若分支线负荷容量不大于800 kVA配置熔断器保护，反之配置自动分界开关。

3.3第三类分支线路保护选配原则

经计算发现F3，3与F3，2之差、F0与F3，2之差均恒大于0，说明对于第三类分支线配置断路器保护要优于配置自动分界开关和不配分支线保护。

计算配置熔断器保护与断路器保护时的用户年平均停电损失之差并化简得：

其中：

为满足工程需要，对原则进行简化。假定线路永久性故障率为0.05次/（km·a），配变故障率为0.1次/a，短时停电损失为3元/kW，长时停电损失为40元/kW，则ρ3，1可简化为

因此原则3可简化为：当分支线上配变的台数在数值上小于7倍的分支线长度时，采用断路器保护；反之采用熔断器保护。

4　实例分析

图2为某市配电线路接线图，一共有A、B、C和D 4条分支线路，基本参数如表1～2所示。干线出口保护配置阶段式电流保护，Ⅰ段保护有0.15 s的延时，保护范围如图中虚线所示，Ⅱ段保护保护线路全长，动作时限0.3 s。线路瞬时性故障率为0.05次/（km·a），永久性故障率为0.2次/（km·a），并假定长时停电时的平均修复时间为1 h；配变故障率为0.1次/a。分支线上统一安装自动分界开关，此时的保护方案记为方案1。

按照提出的选配原则对分支线保护方案进行修改，记为方案2。

图2　某市配电线路接线

表1　分支线上各配变容量

表2　分支线路长度

1）分支线A位于干线出口Ⅰ段保护范围之内，且干线出口保护有0.15 s的延时，属于第二类分支线路。A分支线负荷容量为400 kVA，占总负荷容量的9.43%。根据简化原则2，应配置熔断器保护。

2）分支线B位于干线出口Ⅰ段保护范围之外，属于第三类分支线。分支线路长度为0.6 km，配变台数n=5，显然在数值上7l＜n。分支线B负荷容量为750 kVA，根据原则3应配置熔断器保护。

3）分支线C属于第三类分支线。分支线路长度l为1 km，配变台数为2台，显然在数值上6l＞n。根据原则3应配置断路器保护。

4）分支线D属于第三类分支线。分支线路长度l为0.7 km，配变台数n=5，虽然在数值分别计算方案1与方案2当分支线故障时造成的用户年平均停电损失，如表3所示。显然，提出的分支线保护配置方法能有效提高供电可靠性，减少用户年平均停电损失。

上6l

表3　用户年平均停电损失比较

5　结语

按照干线出口保护的配置与分支线路的位置，将分支线路分为3类，并根据分支线路长度、负荷容量、故障率以及分支线上配变数量给出了每类分支线路保护选配原则。考虑到现场选配分支线保护时，需要一种简单实用的方法，对所提出的原则进行简化处理，得到简化的原则，简单实用。经实例分析，提出的分支线保护选配方法能有效地提高供电可靠性，降低用户年平均停电损失。

［1］吴日昇，张勇军，何毅思，等.配电网增设分支线保护的方法研究［J］.高压电器，2006，42（4）：281-283.

［2］刘虎，刘远龙.10 kV配电网分界开关使用原则探讨［J］.山东电力技术，2014，41（3）：34-43.

［3］李文升.重要用户10 kV保护整定计算探讨［J］.电力系统保护与控制，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.面向供电质量的配电网保护问题［J］.供用电，2012，29（3）：13-21.

［7］DL/T 584—20073 kV～110 kV电网继电保护装置运行整定规程［S］.

［8］王季梅.高压交流熔断器及其应用［M］.北京：机械工业出版社，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

张良（1990），男，硕士研究生，主要从事配电网保护研究工作；

国家863高科技项目—智能电网新型量测、通信、保护技术研究与开发（2012AA050213）

张新慧（1971），女，教授，主要从事配电网故障检测技术、配电网自动化技术方面的研究。