一、引言

随着国内对电力的需求日益增加，对电力供应的稳定性和品质的需求也相应提升。配电网作为电力系统与用户之间的关键连接点，其稳定性及故障应对能力直接影响用户的用电体验。在配电网的多种故障类型中，单相接地问题出现的频率最高。在中国，普遍采用的是中性点非接地或通过消弧线圈接地的系统配置，这导致单相接地时产生的电流非常微弱，从而为处理这种低电流单相接地故障带来了技术难题。随着一二次融合技术在柱上断路器中的广泛应用，人们期望它能够现场检测并隔离低电流单相接地故障，并与站内其他设备合作处理，以提升配电网供电的稳定性。然而，目前一二次融合设备在处理单相接地故障方面仍面临评估不足的问题。一次设备和二次设备通常在实验室独立进行型式试验验证，而集成试验则由专业检测机构进行。但这些试验往往在动态模拟平台或数字仿真系统中进行，缺乏真实工作环境下的考核。尽管有些单位尝试进行现场真实试验，但由于安全风险和对用户供电稳定性的考虑，这些试验难以频繁和灵活地进行。因此，开展集成一次与二次系统融合技术的柱上断路器系统研究，并建立一个有效的考核验证机制，对于提高配电网的整体运行效能具有极其重要的意义。

二、一二次融合成套柱上断路器

（一）设备构成

柱上断路器集成系统主要由以下部分组成：具备12kV/630A-20kA规格的开关主体、馈线终端（可选择箱式或罩式设计）、以及电源电压互感器和电流互感器/传感器。此外，还包括连接电缆等辅助组件。开关主体分为两种类型：一种是三相共箱式，它支持使用SF6或真空技术进行灭弧；另一种是支柱式，仅使用真空技术进行灭弧。

连接开关主体、馈线终端与电源电压互感器使用的是军用级别的航空接插件，并且采用全绝缘的户外型电缆来传输信号。这些航空接插件具备防误插设计，户外使用的航空插座部分采用密封材料对金属导体进行防护，避免水分渗透。电源电压互感器的连接电缆端口也实施了防水处理，并在安装时采用U型固定方式，以保证设备在户外环境中的稳定性和安全性^[1]。

（二）功能特性

柱上断路器的集成系统可以分为两大类：分段/联络型和分界型。这两种断路器都拥有出色的电气参数监测能力，能够测量三相电流、零序电流、三相电压、线电压以及零序电压。利用这些监测数据，设备能够高效地处理单相接地故障和相间短路等问题。该系统能够本地检测并隔离小电流接地网络中的单相接地问题，同时执行故障区隔、路径选择以及自动恢复供电的操作。在响应时间上，若使用弹簧操作机构，对于相间故障的整组动作时间不超过100毫秒；若采用永磁操作机构，则不超过70毫秒，从而保证了故障的迅速响应和处理^[2]。

三、真型试验条件

（一）真型试验平台

在国家电网的特高压交流测试中心，已经完成了全球最大的10kV真实配电网测试平台的建设。该测试平台是按照整体规划、分阶段实施的策略进行建设的，首期工程占地大约5万平方米，并且已经为二期工程预留了扩展空间。测试平台由多个关键组件构成，包括电源系统、电网架构、负载、可配置的测试监控主站、中性点接地切换设备以及灵活的故障接入设备等。供电网络依托于一台额定容量为75MVA、主变比为220kV至10kV的变压器，负责输出10kV级别的电力。该电网的结构融合了架空线路、地下电缆以及两者的组合线路，由具备多功能的配电终端管理18个开关的运作，以支持构建六种网络配置，涵盖单辐射、末端联络、多分段适度联络、两供一备、三供一备和单环网等模式。在负载方面，通过配电台区连接了一个500kW的可调RLC负载。此外，一个可编程的测试监控中心实现了单键顺序控制和“五遥”操作，包括远程信息、远程测量、远程控制、远程调节和远程监视功能^[3]。

中性点接地转换系统能够便捷地在三种不同的接地模式之间切换，包括由10kV母线、开关柜、小电阻和消弧线圈等关键组件构成。通过操控开关柜，轻松实现小电阻与消弧线圈设备的并联或断开，以满足配电网中性点的三种运行模式：非接地、小电阻接地和消弧线圈接地。故障处理系统由10kV柱上断路器、互感器、隔离开关、配电终端FTU、录波装置和故障点等部件组成。电网布局中设置了六个故障点，分布在20%、40%和60%的线路位置，以应对单点或多点故障、线路首端、中部、末端故障以及干线和支线故障等七种故障情况。每个故障点都配备有专用断路器，用于控制故障的引入和切断，能够模拟出金属性、电弧、间歇性、瞬时性、不同过渡电阻、高阻抗接地（如水泥、沥青、草地、土地、砂石等）以及相间经地短路等11种不同故障类型。

（二）试品接入与故障点准备

在执行10kV集成一次与二次设备的柱上断路器真型测试过程中，两台测试设备分别连接至JKZX01和JKZX02线路。为了提高测试速度，测试设备被放置在一个特定的测试区域，并进行了相应的接线工作。具体操作步骤涉及切断原有的柱上断路器及其两侧的隔离开关，并移除旧断路器。在测试设备的两端，安装了两个新的隔离开关，并通过两条10kV电缆将测试设备与电网线路连接，实现了旧断路器的更换并成功并网。在确定配电网单相接地故障的接入点后，预先将具有不同过渡电阻和弧光模拟功能的设备串联接入接地回路中。

四、一二次融合成套柱上断路器真型试验

（一）试验测试方法

为保证柱上断路器单相接地故障处理测试的精确性、效率和安全性，测试流程被划分为三个主要部分：准备、执行和收尾。在准备阶段，必须检查系统运行和保护设置，对设备和测试环境进行精确校验，以确保所有条件均符合测试标准。执行阶段涉及设置和触发单相接地故障，记录波形数据，并收集设备在故障条件下的性能信息。在收尾阶段，断开测试电源，验证设备的断开状态，对电容性设备进行放电，并在确认无电后接地，以确保人员和设备的安全。测试项目和要求包括外观检查、一二次回路连接检查以及单相接地故障处理的真型试验，旨在全面评估设备的性能^[4]。

（二）试验场景设置

为应对城市配电网中单相接地故障处理的高要求，本研究在城市电缆网络或混合网络中模拟了测试场景。研究中采用了消弧线圈接地方式，因为其在过补偿状态下能缩短故障暂态过程，增加选线难度，从而更严格地测试一二次融合断路器处理故障的能力。与之不同，中性点通过小电阻接地的系统，依赖于零序电流保护来处理故障，技术成熟，但未被选为测试场景。为保证评估条件一致，本研究使用了1kΩ和2kΩ的过渡电阻接地方式，避免了接地方式如水泥、沥青、草地、土壤、砂石等，这些方式重复性差，多次试验可能导致接地电阻变化，影响测试结果。测试前，对配电网试验平台进行了详细配置和确认，包括消弧线圈接地、单辐射结构网络、系统容性电流、消弧线圈档位、单相接地故障类型（1kΩ、2kΩ过渡电阻接地）、故障点位置（JKZX02线路078号杆）、故障点相别（C相）、故障持续时间（5秒）以及保护装置设置（站内开关投过流与速断保护）。

（三）试验结果分析

在中性点通过消弧线圈接地的配电系统中，开关站的母线与四条单辐射线路相连。在JKZX02线路的第78号杆的C相进行测试时，我们对单相接地故障的波形进行了记录和分析。以故障持续时间不超过1秒的波形图为例，当单相通过1kΩ过渡电阻接地时，故障前母线的零序电压为0.137kV，C相电压为5.900kV，JKZX02线路的零序电流为0.126A。故障发生后，母线的零序电压上升至4.202kV，C相电压降至4.588kV，JKZX02线路的零序电流增至6.408A，故障点的残余电流为4.476A。在故障初期，未受影响的线路零序电流领先于零序电压，而故障线路的零序电流则滞后于零序电压。然而，大约两个周期后，消弧线圈达到完全补偿状态，影响了暂态特性，导致故障线路和正常线路的零序电流都领先于零序电压，使得故障线路的特征变得模糊。当单相通过2kΩ过渡电阻接地故障发生时，故障前母线的零序电压为0.128kV，C相电压为5.903kV，JKZX02线路的零序电流为0.119A。故障发生后，母线的零序电压变为2.369kV，C相电压为5.179kV，JKZX02线路的零序电流为3.696A，故障点的残余电流为2.563A。其故障特征与1kΩ过渡电阻接地的情况相似，但由于接地过渡电阻的增加，暂态特征的突变幅度减小，达到稳态的时间延长。最终，在单相接地故障发生5秒后，故障线路的馈线终端发出分闸信号，断路器动作切断故障；而正常线路的馈线终端未发出动作信号，断路器保持正常运行^[5]。

五、结论

在国家电网公司的特高压交流试验基地，我们构建了世界上最大的10kV规模仿真实验室，专门用于配电网测试。该实验室具备多项先进功能，如可重新配置的电网架构、多种接地选项、一键操作的测试场景、快速模拟多种故障类型以及支持多种负载的随机接入。我们开发的故障模拟设备能够迅速复现11种不同配电网故障，并成功测试了集成一次和二次设备的柱上断路器样品。研究中，我们还制定了针对柱上断路器单相接地故障处理性能的测试方案和评估准则，并通过实验确认了设备处理故障的效率和精确性，同时发现了9个设备潜在问题，为后续改进提供了重要数据。这些成就促进了配电网技术的创新和应用，大幅提高了配电网设备的品质和供电稳定性。展望未来，随着研究的进一步深化和技术的持续发展，我们期待进一步提升一二次融合型柱上断路器系统的性能和可靠性。

参考文献：

[1]王健.一二次深度融合智能成套柱上断路器.浙江省,申恒电力设备有限公司,2023-09-02.

[2]凌泽建.一二次深度融合成套柱上断路器.浙江省,浙江巨力电气有限公司,2022-12-05.

[3]郑巨荣.ZW32-12F/630-25一二次融合成套柱上断路器.浙江省,浙江法拉迪电力科技有限公司,2022-04-21.

[4]张伟.ZW20-12一二次融合成套柱上断路器.浙江省,登高电气有限公司,2022-03-19.

[5]高文乐.LW□-12国网一二次融合户外柱上断路器研发.浙江省,华通机电股份有限公司,2021-12-26.

作者简介：1.郑建（1979.5.13—）男，汉族，浙江省乐清市人，浙江工商职业技术学院机电一体化技术专业，大专，浙江绿丰电气有限公司，法人，专注于配电网中柱上断路器的一二次系统融合技术领域的研究。

2.张春雷（1982.10.21—）男，汉族，浙江省乐清市人，浙江工商职业技术学院机电一体化技术专业，大专，浙江绿丰电气有限公司，技术部，中级工程师专注于配电网中柱上断路器的一二次系统融合技术领域的研究。