分布式發電（distributed generation, DG）通常指光伏發電、風能發電、燃料電池發電、小水電發電等相對分散的發電方式，是滿足社會對能源的需求量和穩定性要求的產物。分布式發電與常規的集中式發電形成互補，有其自身的優勢，如提高電力系統可靠性和靈活性、提高資源利用效率減少污染、節約建設及安裝的投入，是21世紀電力工業的發展方向。但是，由于配電網接入了分布式發電，改變了電網的網絡結構，給配電網重合閘的協調配合帶來較大的影響。

現有變電站10kV饋線開關柜無線路電壓抽取裝置，重合閘無法實現檢無壓或檢同期功能，直接重合將對分布式發電的發電機組造成較大的沖擊；同時，由于分布電源的作用故障點并沒有消除，斷路器重合可能引起故障電流躍變，造成故障點電弧重燃，擴大故障范圍。傳統的電壓互感器體積大，變電站10kV母線電壓的采集需要有獨立的電壓互感器開關柜，因此無法適用于10kV饋線開關柜。

本文以小水電站混供線路為例，通過研究一種適用于10kV開關柜的線路電壓采集判斷裝置，旨在為配網線路重合閘檢無壓功能提供電壓依據，配合線路保護重合閘，實現快速復電，保障電網的供電可靠性及安全穩定性。

1 分布式小水電上網對重合閘的影響

山區電網水電資源豐富，大量變電站有水電上網，小水電站主要通過10kV線路上網，且大部分T接于10kV饋線，已經形成遠距離水電逐級匯集，通過集中升壓，實現大功率遠距離外送的發展模式，如圖1所示。這種模式下的送端系統中，發電機串接入變電站，10kV饋線輸送功率減少或功率上送以及小水電輸出無功的支持，使得沿饋線上各個負荷節點處電壓被抬高（UA＜UB＜UC )。

圖1 小水電并網系統簡化模型

配電架空線路超過80%的短路故障是瞬時性故障。當線路發生故障，斷路器因保護裝置動作而跳閘，經短延時后重合閘動作，恢復線路正常供電。在單電源供電的配電網系統中，瞬時性短路故障電弧可自行熄滅，短路點處的絕緣可自動恢復，采用重合閘方式恢復線路供電，不會對配電系統產生任何沖擊和破壞，有利于提高配電系統的供電可靠性。

若是永久性故障，重合閘動作后仍然檢測到故障電流，保護裝置再次動作，閉鎖重合閘，不再重合，從而影響供電可靠性。

圖2 線路中段接入DG的配電網

當線路保護動作跳閘后，如果分布式發電未能及時解列，此時重合閘動作可能產生非同期重合閘和故障點電弧重燃的潛在威脅，增加與配網自動化開關配合難度，造成重合閘不成功。

1）導致非同期重合閘

如圖2所示，若F1處為瞬時性故障，并且在K1的保護范圍內，則K1保護動作斷開后，DG形成的電力孤島很難與電網繼續保持完全同步，DG的發電機組將快速失去穩定性，電網系統與DG的電壓相角差可能是0°～360°范圍內的任意值。

如果此時重合閘動作，將導致非同期合閘，此時保護裝置將檢測到沖擊電流，K1保護可能后加速動作，閉鎖重合閘不再重合。當DG容量較大時，非同期合閘產生的沖擊電流可能超過發電機組允許的最大沖擊電流，甚至燒壞發電機組。

2）導致故障點電弧重燃

配電網線路成功重合的必要條件是故障點電弧完全熄滅。若F1處為永久性的故障，K1保護動作斷開后，未解列的DG仍向故障點處供電，故障點處電弧未熄滅。此時饋線保護若重合閘動作，由于電網電源的影響，使得故障點電流躍變，引起故障點電弧重燃，電弧長時間燃燒，導致絕緣擊穿，進一步擴大事故，影響停電范圍。

3）導致重合閘不成功

接入DG的配電網線路，無論線路發生何種形式的故障，如果DG未能快速切除，重合閘動作可能產生非同期重合閘和故障點電弧重燃的潛在威脅，將降低重合閘的成功率。由于站內重合閘不成功，一方面停電區域將增大，影響用戶的生產、生活需求，造成較大的經濟損失；另一方面DG形成的孤島只能夠滿足小范圍的用電需求，相比系統電網有明顯的電壓波動，影響電壓質量。

綜上所述，無論線路出現何種形式的故障，都需要將分布式發電電源快速切除。一方面是利用分布式小水電的低周低壓解列裝置，在線路發生故障時能夠及時切除DG；另一方面是依靠線路保護重合閘檢無壓或檢同期功能，避免非同期合閘。

但現實情況是，安裝在DG的低周低壓解列裝置存在被人為拆除的可能，無法確保低周低壓解列裝置在故障發生時能夠及時動作。因此，考慮到DG側解列及重合閘功能的可靠性及成本，如果站內線路保護裝置能夠實現重合閘檢無壓或檢同期功能，那么就能夠避免非同期合閘及故障點電弧重燃，提高重合閘的成功率。

2 小型線路電壓采集判斷裝置的技術原理及方法

現有變電站10kV饋線開關柜線路缺少一種電壓抽取裝置，作為判斷線路是否有電壓的裝置。針對分布式電源接入的10kV線路開關跳閘之后，缺少相關的檢測線路是否有電壓的裝置。因此，實現重合閘檢無壓或檢同期功能的關鍵點在于如何提供重合閘檢無壓或檢同期的電壓依據。

針對當前的線路保護裝置具備“檢無壓”重合閘功能；同時，10kV線路保護裝置具備“有壓”開入的功能，也具備接入線路電壓UXL的功能，但是沒有相關的電壓采集判斷裝置，從而影響10kV開關柜線路保護重合閘。

針對上述情況，本文提供一種適用于10kV開關柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，主要實施步驟是采用電阻分壓后的電壓輸入到信號處理裝置，然后經整流電路驅動光耦、再經過電壓比較后驅動繼電器輸出，實現對線路電壓的采集判斷的功能，從而實現10kV線路電壓的輸出電壓或有壓接點閉合開入到保護裝置。

本文提出的一種適用于10kV開關柜的線路電壓采集判斷裝置包括3個電路，即電阻分壓電路、電壓比較電路和繼電器驅動電路，保護裝置配合重合閘。

2.1 電阻分壓電路

電阻分壓電路是采用電阻分配電壓的原則，當10kV系統電壓正常時，相電壓經電阻分壓。如圖3所示為電阻分壓信號處理電路，其中Rf、Rb為壓敏分壓電阻，分別保護分壓電路和繼電器不受過電壓損壞。輸出的電壓U1輸入至電阻分壓信號處理，將分壓電阻分配的電壓經電壓比較等方式處理后，再驅動繼電器輸出有壓/無壓信號。根據信號處理電路的電壓輸入范圍，電阻分壓Rf/Rb設計比值為m。

由于信號處理單元、繼電器驅動單元均采用外部電源，因此，采用電阻的方式，分壓電路可以選取阻值較大、功率較小的電阻器，這樣既使電阻發熱較小，可以長期運行，又使相對地絕緣電阻足夠大、相對地電流足夠小，不影響系統狀態。

圖3 電阻分壓信號處理電路

在電阻分壓電路中，Rb分壓所得的電壓為U1，輸出到電壓比較電路內。

2.2 電壓比較電路

電壓比較電路具備工作電源，包括電源處理模塊、采集模塊、放大模塊、數據轉換模塊、微機處理模塊、定值整定模塊和數據輸出模塊，如圖4所示。

圖4 電壓比較電路的結構示意圖

電源模塊，采用外部接入的220VDC/AC電源，作為電壓比較電路及繼電器驅動電路的工作電源。

采集模塊將輸入模擬量電壓值進行信號處理，將干擾量、多次諧波去除，然后將電壓輸入到放大模塊中，通過兩級放大電路進行電壓放大，第一次運算放大器和第二次運算放大器均采用運算放大器芯片實現，將兩級運算放大電路放大后的電壓輸入到A/D數據轉換模塊，A/D數據轉換模塊將放大后的電壓轉換為數字信號，并輸入到微機處理器。

A/D數據轉換模塊是將Rb電阻分壓獲得的電壓數據轉換為數字量輸入到微機處理器，微機處理器具備邏輯分析、判斷的功能。

定值整定模塊，應用于可整定的繼電器，作為判斷線路是否存在電壓的功能。

2.3 繼電器驅動電路

繼電器驅動電壓采用外部接入的220VDC/AC電源，與一個特定電壓信號進行比較。分壓電壓較大時，輸出的信號驅動繼電器動作，繼電器輸出引腳閉合，發出有壓信號；當線路電壓降到某一值以下時，相電壓經電阻分壓后將小于比較電壓，輸出信號令繼電器線圈失電，繼電器的輸出引腳斷開，發出無壓信號。

在標稱電壓為10kV系統中，正常時刻的線路單相電壓為6kV。當線路相電壓高于某固定值時，通過電阻分壓后繼電器得到較高的電壓，該電壓可以驅動繼電器動作，使其輸出引腳閉合。當線路電壓低于某固定值時，通過電阻分壓后繼電器得到較低的電壓，此時電壓不足以驅動繼電器動作，其輸出引腳斷開。

通過電壓比較電路輸出的數據，輸入到繼電器驅動電路中，其驅動器工作示意圖，如圖5所示。

圖5 繼電器驅動電路示意圖

一種適用于10kV開關柜的線路電壓采集判斷裝置及方法的控制工作原理為，經過電阻分壓電路，其中Rb采集的10kV線路電壓，輸入采集模塊將輸入模擬量電壓值進行信號處理，將干擾量去除，處理后輸入放大模塊，經過兩級放大電路后輸入到A/D數據轉換模塊，通過A/D數據轉換后輸入到微機處理器，微處理器進行邏輯判斷。

當采集電壓超過微機處理模塊整定定值USET，經過一定的延時后觸發繼電器K1，繼電器K1動作，常開的3對接點①、②，③、④，⑤、⑥均閉合，其中①、②接點閉合輸入至10kV饋線保護裝置的保護功能開入模塊，作為“線路有壓”的開入功能；③、④接點串聯10kV饋線開關柜母線二次電壓UA，輸入至10kV饋線保護裝置的采樣模塊，作為采集線路電壓的方法；⑤、⑥接點閉合，線路有壓帶電指示燈點亮。復位按鈕S動作，觸發繼電器K2，裝置復位信號告警與繼電器K1，裝置恢復正常工作狀態。

同時，具備自動復位功能，復位模塊是通過復位繼電器、有壓指示燈復位單元、電源及相關保護電阻組成，如圖5所示。進一步說明圖5繼電器驅動電路的控制回路示意圖，其中R1、R2、R3為控制回路的相關保護元件（電阻、電感、電容），K1、K2為繼電器，L為電壓顯示指示燈，S為復歸按鈕。

綜上所述，本文提供的一種適用于10kV開關柜的線路電壓采集判斷裝置及方法的實施步驟為，電阻分壓后的電壓輸入到信號處理裝置后，經整流電路驅動光耦、再經過電壓比較后驅動繼電器輸出，實現對線路電壓的采集判斷的功能，從而實現10kV線路電壓的輸出電壓或有壓接點閉合開入到保護 裝置。

2.4 保護裝置重合閘配合的方法

具體實施步驟：

1）10kV高壓線路通過一種電阻分壓電路，將10kV線路電壓分壓，輸出U1的電壓至線路電壓比較電路。

2）電壓比較電路將采集的電壓進行信號處理，將干擾量去除，再經過兩級放大電路后輸入到A/D數據轉換，通過A/D數據轉換后輸入到微機處理器，微機處理器進行邏輯判斷，當采集電壓超過微機處理模塊整定定值USET，經過一定的延時后觸發繼電器K1，繼電器K1動作，10kV線路有壓。

3）線路電壓輸入U1經過電壓比較電路輸入到微機處理模塊，轉換為電壓值U，當U大于等于有壓值Uy時，Uy取70%UN的額定電壓（70%×57.7V），電壓比較電路輸出信號，驅動繼電器K1動作，從而繼電器K1的3對常開接點閉合，則10kV線路有壓。

①、②接點閉合引入到10kV線路保護的保護功能開入模塊，作為“線路有壓”的開入功能，如圖6所示。

圖6 線路保護裝置有壓開入采集示意圖

③、④接點串聯10kV饋線開關柜母線二次電壓UA，輸入至10kV饋線保護裝置的采樣模塊，作為采集線路電壓的方法，如圖7所示。

圖7 線路保護裝置UXL電壓采集示意圖

4）U電壓小于無壓值Uw時，Uw取30%UN的額定電壓（30%×57.7V），電壓比較電路不輸出信號，驅動繼電器K1不動作，繼電器K1的3對常開接點斷開，10kV線路在充電的情況下，10kV線路無壓，t時間內，無外部閉鎖重合閘開入，此時，10kV線路保護進行檢無壓重合閘。

圖8 10kV開關柜線路電壓采集判斷裝置邏輯流程圖

本文提出的一種適用于10kV開關柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，實現當線路有壓時，輸出電壓到保護裝置采樣板，同時，具備有壓接點閉合，實現有壓開入到保護裝置的功能，作為判斷線路電壓狀態的依據，從而配合重合閘裝置實現檢無壓的功能，其邏輯流程如圖8所示。

3 技術效果及應用效果

3.1 技術效果

• 1）實現了一種適用于10kV饋線開關柜的線路電壓采集判斷裝置及方法。
• 2）實現了分布式電源接入的10kV線路，變電站10kV開關柜跳閘之后，具有相關的檢測線路是否有電壓的裝置，來配合線路保護裝置“檢無壓”重合閘功能。
• 3）10kV線路保護裝置具備“有壓”開入的功能，同時，采樣板具備接入線路電壓UXL的功能，可以實現“有壓”開入的功能、也可以實現采集有壓接入線路電壓UXL的功能。
• 4）采集的10kV線路有壓，繼電器動作接點閉合，開入至10kV線路保護的開入板，作為“線路有壓”的開入功能。
• 5）采集的10kV線路有壓，繼電器動作接點閉合，串聯10kV饋線開關柜母線二次電壓UA，輸入至10kV饋線保護裝置的采樣模塊，作為采集線路電壓的方法。
• 6）采集的10kV線路有壓，繼電器動作接點閉合，線路有壓帶電指示燈點亮。

綜上所述，一種適用于10kV開關柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，配合重合閘裝置實現檢無壓功能，能夠提高10kV開關柜線路保護重合閘率，使電網供電更加可靠。

3.2 應用效果

研制的一種適用于10kV開關柜的線路電壓采集判斷裝置，如圖9所示，有以下3個方面的應用效果。

圖9 線路電壓采集判斷裝置實物圖

1）增加線路重合閘的電壓依據

小型線路電壓采集判斷裝置能夠準確采集線路電壓，從硬件方面彌補了站內10kV饋線開關柜無線路電壓抽取裝置的缺陷，為實現線路重合閘檢無壓或檢同期增加了電壓依據。

2）減少重合閘對電網的負效應

線路能夠實現重合閘檢無壓，能夠避免非同期合閘和重燃故障點電弧，減少對電網的沖擊，提高系統的穩定性。另外還能避免與配網自動化開關的失配問題，增加配網自動化開關故障定位的成功率。

3）提高供電可靠性

由于線路重合閘具備檢無壓或檢同期功能，合理的與重合閘相結合的孤島模式能夠提高原配電網的供電可靠性，在保障用戶不停電的情況下為安排停電檢修提供備選方案，但是對DG的快速起動能力和快速帶負荷能力要求很高，運行方式也相對復雜。

4 結論

本文開頭分析了分布式小水電對10kV饋線保護線路重合閘的影響，可能產生非同期重合閘和故障點電弧重燃的潛在威脅，增加與配網自動化開關配合難度。為避免DG的接入給重合閘帶來的不利影響，不論線路出現何種形式的故障，均應快速切除DG。

本文針對性地提出一種適用于10kV開關柜的線路電壓采集判斷裝置及方法，為重合閘檢無壓提供了電壓依據，減少重合閘對電網的負效應，滿足了山區電網實際運行的需要，保證了電網的安全穩定運行以及供電可靠性。