开关柜（switch cabinet）是一种电气设备，开关柜外线先进入柜内主控开关，然后进入分控开关，各分路按其需要设置
未来你许她长情，会不会想起亏欠我的时光。
含分布式发电的配电网混供线路对10kV馈线保护线路重合闸产生了重大影响现有变电站10kV馈线开关柜无线路电压抽取装置重合闸无法实现检无压或检同期功能直接重合将对分布式发电的发电机组造成较大的冲击甚至扩大故障范围
广东电网有限责任公司韶关供电局的研究人员徐兴发刘泽华在2020年第7期《电气技术》杂志上撰文以小水电站混供线路为例通过研究一种能够适用于10kV开关柜的小型线路电压采集判断装置提供重合闸检线路无压的电压依据实现可靠快速复电保障供电可靠性
分布式发电（distributed generation, DG）通常指光伏发电风能发电燃料电池发电小水电发电等相对分散的发电方式是满足社会对能源的需求量和稳定性要求的产物分布式发电与常规的集中式发电形成互补有其自身的优势如提高电力系统可靠性和灵活性提高资源利用效率减少污染节约建设及安装的投入是21世纪电力工业的发展方向但是由于配电网接入了分布式发电改变了电网的网络结构给配电网重合闸的协调配合带来较大的影响
现有变电站10kV馈线开关柜无线路电压抽取装置重合闸无法实现检无压或检同期功能直接重合将对分布式发电的发电机组造成较大的冲击同时由于分布电源的作用故障点并没有消除断路器重合可能引起故障电流跃变造成故障点电弧重燃扩大故障范围传统的电压互感器体积大变电站10kV母线电压的采集需要有独立的电压互感器开关柜因此无法适用于10kV馈线开关柜
本文以小水电站混供线路为例通过研究一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置旨在为配网线路重合闸检无压功能提供电压依据配合线路保护重合闸实现快速复电保障电网的供电可靠性及安全稳定性
1 分布式小水电上网对重合闸的影响
山区电网水电资源丰富大量变电站有水电上网小水电站主要通过10kV线路上网且大部分T接于10kV馈线已经形成远距离水电逐级汇集通过集中升压实现大功率远距离外送的发展模式如图1所示这种模式下的送端系统中发电机串接入变电站10kV馈线输送功率减少或功率上送以及小水电输出无功的支持使得沿馈线上各个负荷节点处电压被抬高（UA＜UB＜UC
图1 小水电并网系统简化模型
配电架空线路超过80%的短路故障是瞬时性故障当线路发生故障断路器因保护装置动作而跳闸经短延时后重合闸动作恢复线路正常供电在单电源供电的配电网系统中瞬时性短路故障电弧可自行熄灭短路点处的绝缘可自动恢复采用重合闸方式恢复线路供电不会对配电系统产生任何冲击和破坏有利于提高配电系统的供电可靠性
若是永久性故障重合闸动作后仍然检测到故障电流保护装置再次动作闭锁重合闸不再重合从而影响供电可靠性
图2 线路中段接入DG的配电网
当线路保护动作跳闸后如果分布式发电未能及时解列此时重合闸动作可能产生非同期重合闸和故障点电弧重燃的潜在威胁增加与配网自动化开关配合难度造成重合闸不成功
1）导致非同期重合闸
如图2所示若F1处为瞬时性故障并且在K1的保护范围内则K1保护动作断开后DG形成的电力孤岛很难与电网继续保持完全同步DG的发电机组将快速失去稳定性电网系统与DG的电压相角差可能是0°～360°范围内的任意值
如果此时重合闸动作将导致非同期合闸此时保护装置将检测到冲击电流K1保护可能后加速动作闭锁重合闸不再重合当DG容量较大时非同期合闸产生的冲击电流可能超过发电机组允许的最大冲击电流甚至烧坏发电机组
2）导致故障点电弧重燃
配电网线路成功重合的必要条件是故障点电弧完全熄灭若F1处为永久性的故障K1保护动作断开后未解列的DG仍向故障点处供电故障点处电弧未熄灭此时馈线保护若重合闸动作由于电网电源的影响使得故障点电流跃变引起故障点电弧重燃电弧长时间燃烧导致绝缘击穿进一步扩大事故影响停电范围
3）导致重合闸不成功
接入DG的配电网线路无论线路发生何种形式的故障如果DG未能快速切除重合闸动作可能产生非同期重合闸和故障点电弧重燃的潜在威胁将降低重合闸的成功率由于站内重合闸不成功一方面停电区域将增大影响用户的生产生活需求造成较大的经济损失另一方面DG形成的孤岛只能够满足小范围的用电需求相比系统电网有明显的电压波动影响电压质量
综上所述无论线路出现何种形式的故障都需要将分布式发电电源快速切除一方面是利用分布式小水电的低周低压解列装置在线路发生故障时能够及时切除DG另一方面是依靠线路保护重合闸检无压或检同期功能避免非同期合闸
但现实情况是安装在DG的低周低压解列装置存在被人为拆除的可能无法确保低周低压解列装置在故障发生时能够及时动作因此考虑到DG侧解列及重合闸功能的可靠性及成本如果站内线路保护装置能够实现重合闸检无压或检同期功能那么就能够避免非同期合闸及故障点电弧重燃提高重合闸的成功率
2 小型线路电压采集判断装置的技术原理及方法
现有变电站10kV馈线开关柜线路缺少一种电压抽取装置作为判断线路是否有电压的装置针对分布式电源接入的10kV线路开关跳闸之后缺少相关的检测线路是否有电压的装置因此实现重合闸检无压或检同期功能的关键点在于如何提供重合闸检无压或检同期的电压依据
针对当前的线路保护装置具备检无压重合闸功能同时10kV线路保护装置具备有压开入的功能也具备接入线路电压UXL的功能但是没有相关的电压采集判断装置从而影响10kV开关柜线路保护重合闸
针对上述情况本文提供一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法主要实施步骤是采用电阻分压后的电压输入到信号处理装置然后经整流电路驱动光耦再经过电压比较后驱动继电器输出实现对线路电压的采集判断的功能从而实现10kV线路电压的输出电压或有压接点闭合开入到保护装置
本文提出的一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置包括3个电路即电阻分压电路电压比较电路和继电器驱动电路保护装置配合重合闸
2.1 电阻分压电路
电阻分压电路是采用电阻分配电压的原则当10kV系统电压正常时相电压经电阻分压如图3所示为电阻分压信号处理电路其中RfRb为压敏分压电阻分别保护分压电路和继电器不受过电压损坏输出的电压U1输入至电阻分压信号处理将分压电阻分配的电压经电压比较等方式处理后再驱动继电器输出有压/无压信号根据信号处理电路的电压输入范围电阻分压Rf/Rb设计比值为m
由于信号处理单元继电器驱动单元均采用外部电源因此采用电阻的方式分压电路可以选取阻值较大功率较小的电阻器这样既使电阻发热较小可以长期运行又使相对地绝缘电阻足够大相对地电流足够小不影响系统状态
图3 电阻分压信号处理电路
在电阻分压电路中Rb分压所得的电压为U1输出到电压比较电路内
2.2 电压比较电路
电压比较电路具备工作电源包括电源处理模块采集模块放大模块数据转换模块微机处理模块定值整定模块和数据输出模块如图4所示
图4 电压比较电路的结构示意图
电源模块采用外部接入的220VDC/AC电源作为电压比较电路及继电器驱动电路的工作电源
采集模块将输入模拟量电压值进行信号处理将干扰量多次谐波去除然后将电压输入到放大模块中通过两级放大电路进行电压放大第一次运算放大器和第二次运算放大器均采用运算放大器芯片实现将两级运算放大电路放大后的电压输入到A/D数据转换模块A/D数据转换模块将放大后的电压转换为数字信号并输入到微机处理器
A/D数据转换模块是将Rb电阻分压获得的电压数据转换为数字量输入到微机处理器微机处理器具备逻辑分析判断的功能
定值整定模块应用于可整定的继电器作为判断线路是否存在电压的功能
2.3 继电器驱动电路
继电器驱动电压采用外部接入的220VDC/AC电源与一个特定电压信号进行比较分压电压较大时输出的信号驱动继电器动作继电器输出引脚闭合发出有压信号当线路电压降到某一值以下时相电压经电阻分压后将小于比较电压输出信号令继电器线圈失电继电器的输出引脚断开发出无压信号
在标称电压为10kV系统中正常时刻的线路单相电压为6kV当线路相电压高于某固定值时通过电阻分压后继电器得到较高的电压该电压可以驱动继电器动作使其输出引脚闭合当线路电压低于某固定值时通过电阻分压后继电器得到较低的电压此时电压不足以驱动继电器动作其输出引脚断开
通过电压比较电路输出的数据输入到继电器驱动电路中其驱动器工作示意图如图5所示
图5 继电器驱动电路示意图
一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法的控制工作原理为经过电阻分压电路其中Rb采集的10kV线路电压输入采集模块将输入模拟量电压值进行信号处理将干扰量去除处理后输入放大模块经过两级放大电路后输入到A/D数据转换模块通过A/D数据转换后输入到微机处理器微处理器进行逻辑判断
当采集电压超过微机处理模块整定定值USET经过一定的延时后触发继电器K1继电器K1动作常开的3对接点①②③④⑤⑥均闭合其中①②接点闭合输入至10kV馈线保护装置的保护功能开入模块作为线路有压的开入功能③④接点串联10kV馈线开关柜母线二次电压UA输入至10kV馈线保护装置的采样模块作为采集线路电压的方法⑤⑥接点闭合线路有压带电指示灯点亮复位按钮S动作触发继电器K2装置复位信号告警与继电器K1装置恢复正常工作状态
同时具备自动复位功能复位模块是通过复位继电器有压指示灯复位单元电源及相关保护电阻组成如图5所示进一步说明图5继电器驱动电路的控制回路示意图其中R1R2R3为控制回路的相关保护元件（电阻电感电容）K1K2为继电器L为电压显示指示灯S为复归按钮
综上所述本文提供的一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法的实施步骤为电阻分压后的电压输入到信号处理装置后经整流电路驱动光耦再经过电压比较后驱动继电器输出实现对线路电压的采集判断的功能从而实现10kV线路电压的输出电压或有压接点闭合开入到保护 装置
2.4 保护装置重合闸配合的方法
具体实施步骤
1）10kV高压线路通过一种电阻分压电路将10kV线路电压分压输出U1的电压至线路电压比较电路
2）电压比较电路将采集的电压进行信号处理将干扰量去除再经过两级放大电路后输入到A/D数据转换通过A/D数据转换后输入到微机处理器微机处理器进行逻辑判断当采集电压超过微机处理模块整定定值USET经过一定的延时后触发继电器K1继电器K1动作10kV线路有压
3）线路电压输入U1经过电压比较电路输入到微机处理模块转换为电压值U当U大于等于有压值Uy时Uy取70%UN的额定电压（70%×57.7V）电压比较电路输出信号驱动继电器K1动作从而继电器K1的3对常开接点闭合则10kV线路有压
①②接点闭合引入到10kV线路保护的保护功能开入模块作为线路有压的开入功能如图6所示
图6 线路保护装置有压开入采集示意图
③④接点串联10kV馈线开关柜母线二次电压UA输入至10kV馈线保护装置的采样模块作为采集线路电压的方法如图7所示
图7 线路保护装置UXL电压采集示意图
4）U电压小于无压值Uw时Uw取30%UN的额定电压（30%×57.7V）电压比较电路不输出信号驱动继电器K1不动作继电器K1的3对常开接点断开10kV线路在充电的情况下10kV线路无压t时间内无外部闭锁重合闸开入此时10kV线路保护进行检无压重合闸
图8 线路电压采集判断装置逻辑流程图
本文提出的一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法实现当线路有压时输出电压到保护装置采样板同时具备有压接点闭合实现有压开入到保护装置的功能作为判断线路电压状态的依据从而配合重合闸装置实现检无压的功能其逻辑流程如图8所示
3 技术效果及应用效果
3.1 技术效果
1）实现了一种适用于10kV馈线开关柜的线路电压采集判断装置及方法2）实现了分布式电源接入的10kV线路变电站10kV开关柜跳闸之后具有相关的检测线路是否有电压的装置来配合线路保护装置检无压重合闸功能3）10kV线路保护装置具备有压开入的功能同时采样板具备接入线路电压UXL的功能可以实现有压开入的功能也可以实现采集有压接入线路电压UXL的功能4）采集的10kV线路有压继电器动作接点闭合开入至10kV线路保护的开入板作为线路有压的开入功能5）采集的10kV线路有压继电器动作接点闭合串联10kV馈线开关柜母线二次电压UA输入至10kV馈线保护装置的采样模块作为采集线路电压的方法6）采集的10kV线路有压继电器动作接点闭合线路有压带电指示灯点亮综上所述一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法配合重合闸装置实现检无压功能能够提高10kV开关柜线路保护重合闸率使电网供电更加可靠
3.2 应用效果
研制的一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置如图9所示有以下3个方面的应用效果
图9 线路电压采集判断装置实物图
1）增加线路重合闸的电压依据
小型线路电压采集判断装置能够准确采集线路电压从硬件方面弥补了站内10kV馈线开关柜无线路电压抽取装置的缺陷为实现线路重合闸检无压或检同期增加了电压依据
2）减少重合闸对电网的负效应
线路能够实现重合闸检无压能够避免非同期合闸和重燃故障点电弧减少对电网的冲击提高系统的稳定性另外还能避免与配网自动化开关的失配问题增加配网自动化开关故障定位的成功率
3）提高供电可靠性
由于线路重合闸具备检无压或检同期功能合理的与重合闸相结合的孤岛模式能够提高原配电网的供电可靠性在保障用户不停电的情况下为安排停电检修提供备选方案但是对DG的快速起动能力和快速带负荷能力要求很高运行方式也相对复杂
4 结论
本文开头分析了分布式小水电对10kV馈线保护线路重合闸的影响可能产生非同期重合闸和故障点电弧重燃的潜在威胁增加与配网自动化开关配合难度为避免DG的接入给重合闸带来的不利影响不论线路出现何种形式的故障均应快速切除DG
本文针对性地提出一种适用于10kV开关柜的线路电压采集判断装置及方法为重合闸检无压提供了电压依据减少重合闸对电网的负效应满足了山区电网实际运行的需要保证了电网的安全稳定运行以及供电可靠性