10kV配电线路跳闸故障原因分析及方法

摘要：10 kV 配电网的分布量多、面广，控制10kV线路的跳闸率对电网供电可靠性及安全运行至关重要，本文主要对如何减少10kV配电线路跳闸次数进行了探讨。

关键词：10kV 配电线路；跳闸；应对措施

0 前言

在10kV以下配电系统中，故障发生几率较大，据有关资料显示，10 k V 配电网故障率占整个电网故障率的70%。10 kV 配电线路有架空线路、电缆线路以及两者的混合线路。城网线路供电负荷重、供电半径较短，基本实现单环网“手拉手”方式、双环网或多分段多联络网格式接线，一般是直接从上级变电站10 kV配电装置出线，再T 接支线至配变或出线至户外环网箱再分接至配变。农网线路较多，供电半径一般较长，多为放射式供电线路或树形供电线路。因城、农网配电线路沿线走廊地理条件较复杂，特别是农网线路绝缘水平较低，因此10 kV 线路故障率高。

1 影响10 kV线路跳闸的原因分析

国内10 kV配电网系统基本采用两段式保护，即以速断保护作为主保护，过流保护作为后备保护。10 kV 线路跳闸是指因为线路发生速断或过流情况，导致上级变电站的10 kV 馈线柜断路器动作，使整条10 kV 线路断电。由于配电网线路较多、网络结构较复杂，使得其故障较多。10 kV线路跳闸按照故障地点分类，可以分为设备自身故障和外力破坏故障。设备自身故障包括：线路设备故障、导线故障、配变台区故障和保护定值设置故障等。外力破坏故障包括：树障、窃电或私自操作设备引发故障、偷盗线路设备故障、线路通道故障等。

10 kV配电系统保护级数一般至少有2～3级，主干线安装2～3台分段柱上真空开关，分支线路连接处安装1台分支柱上真空开关。不论是10 kV线路设备自身故障，还是外力破坏故障，均通过柱上真空开关的速断、过流保护动作，减小停电范围，控制10 kV线路跳闸率。在引发保护跳闸的各种故障中，多次出现保护

越级跳闸。以广东省惠州市配电网系统为例，2009年1～12月，惠州供电公司10 k V配网线路共跳闸222次，其中主干线分段开关跳闸65次，分支线路分支开关跳闸38次，而变电站10 kV出线跳闸119次，占总跳闸次数的54%。保护越级跳闸扩大了故障范围，增加了线路停电时间，也增大了事故处理的工作量。导致保护越级跳闸的原因如下。

1.1 保护整定原因

由于城市配电网10 kV出线的距离一般都不长这加大了上下级保护的配合难度，如图1所示。

图1 10 kV配电网故障示意图

图1 中，当10 kV 分支线路k1 或k2 处发生短路故障时，开关1 和开关2 处所测量的电流值相差不大，因此无法通过设置不同的动作电流定值，来实现上下级保护的配合。目前除了极少部分10 kV 线路采用全线速动保护（ 纵差保护）外，大部分10 kV线路采用两段定时限保护：主保护为速断保护，延时整定为0 s ；后备保护为过流保护，延时由实际情况来设置。当分支线路发生短路故障时的故障电流不大时，可以通过设置了时间差的后备保护实现配合。而当配电网线路较短、阻抗较小时，发生短路故障后会产生较大故障电流，使其满足速断保护的动作条件。例如：惠州电网10 kV 配网线路保护共动作222 次，其中速断动作194 次，过流动作28次。对于这些较严重的短路故障，上下级保护无法进行配合，从而造成越级跳闸。

1.2 开关性能原因

不同类型的开关，其性能存在差异。例如：普通的柱上真空开关，因为采用弹操机构，其动作时间与变电站10 kV出线断路器动作时间基本相同；永磁真空开关，因为采用永磁机构，整组动作时间（保护动作时间与分闸时间）小于或等于30 ms，小于变电站10 kV出线断路器动作时间，柱上真空开关典型性能参数见表1。

表1 柱上真空开关典型性能参数

项目 普通柱上真空开关 永磁柱上真空开关

规格型号 ZW32-12/630 ZW45-12/630

分闸时间/ms ≤65 ≤30

额定开断电流/kA 20 20

即使同为采用永磁机构的柱上真空开关，如果品牌不同，性能也有所不同。A B B、库柏等公司的永磁柱上开关，可以轻松达到整组动作时间小于或等于30 ms。而某些价格低廉的永磁柱上真空开关，因为制造工艺和选用元器件的原因，分闸速度与采用弹操机构的柱上真空开关相当，甚至更长，根本不能达到快速分断的目的。

2 快速分断开关的技术特点

10 kV线路能够实现速断、过流保护的一次开关设备主要是柱上真空开关和跌落式熔断器。一次开关设备按照全分断时间，可以分为一般开关和快速分断开关。快速分断开关是指具备瞬时动作能力，整组动作时间小于或等于30 ms的一次开关设备。

2.1 柱上真空开关

柱上真空开关是10 kV配电网的重要设备，担负着线路分段和联络等任务。柱上真空开关按照操作机构，可以分为弹操机构和永磁机构的真空断路器，通过弹操机构或永磁机构的动作，实现真空断路器的分、合闸。永磁机构断路器与弹簧机构断路器相比，采用了一种全新的工作原理和结构，将永久磁铁应用于操动机构中，使真空断路器的分、合闸动作和保持通过永久磁铁实现，它克服传统弹簧机构运动部件多、锁扣装置复杂的不足，能够控制分闸动作时间，达到分闸整组动作时间小于或等于30 ms。国内某厂家的Z W45-12/630永磁柱上真空开关的整组动作时间为18.01 ms。

2.2 跌落式熔断器

跌落式熔断器是10 kV线路分支线和配电变压器最常用的一种熔断式开关，作为保护和进行设备投、切操作之用。它安装在10 kV配电线路分支线上，可缩小停电范围；安装在配电变压器上，可以作为配电变压器的主保护，切除变压器或低压侧故障。所以，在10 kV配电线路和配电变压器中得到了普及。

国内现在应用的跌落式熔断器具有一定的装置性缺陷，主要体现在4个方面：（1）熔丝的时间电流特性较差，需要较大的短路电流才能熔断熔丝；（2）产品工艺粗糙，上触头弹簧弹性不足，熔管合闸困难，造成触头接触不良而产生火花过热；（3）熔管转动轴粗糙不灵活，造成熔体熔断后熔管不能迅速跌落，不能及时将电弧切断、熄灭；（4）熔管尺寸与熔断器固定接触部分尺寸匹配不合适，极易松动，在运行中一旦遇到外力作用、振动或者大风天气，便会自行误动而跌落。

目前，ABB、库柏、S&C等公司的快熔跌落式熔断器较好地解决了这些问题。它们的熔丝能够提供全范围的故障保护，熔丝中的熔体由低熔点的合金经精密加工而成，从最小的熔化电流到最大开断电流，均能按照准确的时间电流特性，提供可靠的过载和短路保护。同时，熔丝自带辅助灭弧管，能够在熔化时，保护熔丝架不被电弧破坏。上触头接触簧片组使用不锈钢弹簧支撑和镀银接触，增大上触头压力，减小接触电阻，提高电接触的可靠性。熔管转动轴使用增强连接套和挂轴的铰链连接设计，保证在户外恶劣环境下操作自如。当配电变压器为500 kVA时，选用50 A的K型熔丝，短路电流2 200 A时，10 ms内熔断；短路电流1 500 A时，30 ms内熔断；短路电流680 A时，100 ms内熔断。

3 快速分断开关控制10 kV线路跳闸率的工作思考

为了缩小停电范围，提高10 kV线路的供电可靠性，减少变电站10 kV馈线柜断路器跳闸的次数，在对10 kV线路设备自身故障和外力破坏故障进行防范的同时，尤其要考虑如何避免保护越级跳闸的事故。

保护越级跳闸主要是保护整定和开关性能的原因，保护整定要根据10 kV 线路结构和负荷情况，及时进行调整。而合理选用具备快速分断性能的开关，能够有效地解决保护越级跳闸的事故，控制10 kV 线路的跳闸率，缩小停电范围，提高10 kV 线路的供电可靠性，具体方案如下：

（1） 合理选用柱上永磁真空开关。在10 kV 线路的主干线和每个分支线路采用柱上永磁真空开关，当发生速断、过流故障时，柱上永磁真空开关可在30 ms 内切断故障电流，先于变电站10 kV 出线断路器动作，可以在一定程度上与变电站10 kV 出线断路器进行时间配合。同时，对于容量在630 kVA 及以上的专变用户，为明确责任和减少对其他用户的影响，要求在产权分界点上配置整组动作时间小于或等于30 ms 的柱上永磁真空开关，实现用户快速分断开关和10 kV 线路干线、支线开关的进一步配合，避免因为用户设备原因，造成变电站10 kV 出线断路器跳闸。

（2）合理选用快熔跌落式熔断器。在10 kV线路的所有公用变压器的高压侧，统一安装快熔跌落式熔断器，选用时间电流特性良好的熔丝，实现反时限过流或过负荷保护，确保在变压器故障或低压侧故障时，及时切除故障点，避免变电站10 kV出线断路器动作。对于容量在630 kVA以下的专变用户，要求在产权分界点上配置快熔跌落式熔断器，实现用户快速分断开关和10 kV线路干线、支线开关的进一步配合，避免因为用户设备原因，造成变电站10 kV出线断路器跳闸。

4 结语

提高配网系统供电可靠性，应根据实际情况，既要考虑技术上的必要性和可靠性，又要考虑经济上的可行性和实用性，使其达到合理水平。本文所提出的基于快速分断开关的控制10 kV线路跳闸率的方法，可以有效降低10 kV线路的跳闸率，提高配电网的供电可靠性。各供电单位可根据其自身城市配电网的实际结构、供电对象的重要性以及运行经验，因地制宜地改造10 kV配电网的整体结构。

参考文献

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[2] 张纬钹，何金良，高玉明.电力系统过电压玉绝缘配合[M].清华大学出版社，2002.