不同方式下“低氣壓閉鎖重合閘”回路分析

胡 帥，葉 穎，馬 濤，李志豪

（1.國網新疆電力科學研究院，烏魯木齊 830011；2.特變電工中發(fā)上海高壓開關有限公司，上海 201499；3.國網新疆檢修公司，烏魯木齊 830002）

0 引言

線路重合閘方式與電網運行方式、線路電壓等級、傳輸方式有關。根據電網運行要求，在線路重合閘方式確定后，當外圍斷路器控制回路發(fā)生改變時，相應的重合閘閉鎖回路也應隨之調整。

《Q/GDW 10766—2015 10 kV～110（66）kV線路保護及輔助裝置標準化設計規(guī)范》和《Q/GDW 1161—2014線路保護及輔助裝置標準化設計規(guī)范》分別規(guī)定了110（66）kV及以下和220 kV及以上電壓等級的線路保護等裝置的技術原則和設計準則。雖然在這2個設計規(guī)范中線路保護的開關量輸入均設立有“閉鎖重合閘”和“低氣壓閉鎖重合閘”，但考慮不同電壓等級斷路器的控制回路不同，2個設計規(guī)范中均未對涉及斷路器控制回路與保護裝置“低氣壓閉鎖重合閘”回路的配合進行詳細闡述[1-2]。圍繞重合閘放電條件并結合不同類型斷路器的性能參數、控制方式，對斷路器機構閉鎖實現方法及保護中“低氣壓閉鎖重合閘”信號接入的問題展開討論分析。

1 “低氣壓閉鎖重合閘”回路現狀

對于220 kV及以下電壓等級的線路，其重合閘功能一般集成在線路保護裝置中[3]。330 kV及以上電壓等級的線路，其重合閘功能集成在各斷路器保護中。各電壓等級集成重合閘功能的保護裝置均需考慮與本間隔斷路器控制回路配合來實現閉鎖重合閘。目前，保護裝置中“低氣壓閉鎖重合閘”回路主要由斷路器本體相關繼電器的輔助接點（如SF6氣壓低、彈簧未儲能、斷路器油壓低閉鎖重合閘）直接接入到線路保護或斷路器保護裝置“低氣壓閉鎖重合閘”開關量輸入端子來實現。

在無統(tǒng)一設計標準的情況下，斷路器廠家和設計院關于斷路器控制回路和保護閉重回路的配合存在以下問題：斷路器機構閉鎖回路設計不合理；保護中“低氣壓閉鎖重合閘”外接信號選取不合理。

2 對“低氣壓閉鎖重合閘”回路的分析

保護中“低氣壓閉鎖重合閘”回路與斷路器機構閉鎖回路相互配合，共同完成斷路器閉鎖重合閘的動作效果。兩者雖然側重點不同，但閉鎖邏輯聯(lián)系緊密。斷路器機構閉鎖回路是考慮斷路器動作前不滿足絕緣和機械性能而設置的斷路器分、合閘控制回路閉鎖，“低氣壓閉鎖重合閘”回路則是在斷路器機構閉鎖回路的基礎上，考慮斷路器無法完成O-0.3-CO順序操作而設立的重合閘放電回路。因此，對于“低氣壓閉鎖重合閘”回路的分析必須先考慮斷路器機構閉鎖回路的實現方法，再討論“低氣壓閉鎖重合閘”回路設計方式。斷路器機構閉鎖按照絕緣和機械性能的要求可分為工作介質閉鎖和操作動力閉鎖[4]。

2.1 考慮工作介質閉鎖下的“低氣壓閉鎖重合閘”回路設計思路

工作介質閉鎖即氣壓閉鎖。當氣體泄露或液化時，氣體密度繼電器動作并接通斷路器控制回路中的SF6低氣壓繼電器。低氣壓繼電器輔助接點用于本體告警、對外發(fā)信以及閉鎖分、合閘控制回路?！禛B 7674—2008額定電壓72.5 kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關設備》中規(guī)定氣體監(jiān)視裝置必須提供至少2段報警水平[5]，如“SF6壓力低告警”“SF6壓力低禁止操作”。可知，當SF6氣壓降低至閉鎖值以下時，斷路器禁止分、合動作。

不同電壓等級斷路器的動作方式不同，氣壓閉鎖斷路器控制回路的實現方式也不相同。110 kV及以下線路斷路器為三相聯(lián)動斷路器。SF6氣體密度繼電器接點重動斷路器控制回路中SF6低氣壓繼電器，低氣壓繼電器常閉輔助接點串接到斷路器分、合控制回路負電端即可實現氣壓閉鎖。SF6低氣壓繼電器輔助接點同時完成本體告警和對外發(fā)信。

對于各電壓等級電纜線路，因保護中多采用停用重合閘，所以外部重合閘放電條件不再被考慮。對于110 kV及以下架空線路，保護中一般整定為三相重合閘，即線路中發(fā)生任何故障保護裝置三相跳閘后再重合。當斷路器分、合閘控制回路被氣壓閉鎖后線路發(fā)生故障時，無論“SF6氣壓低”信號是否接入保護裝置，斷路器均會拒動。雖然“SF6氣壓低”信號可使重合閘放電，但斷路器在無法分、合的情況下實現重合閘，放電僅增加了保護動作報文的信息量。因此，110 kV及以下線路斷路器“SF6氣壓低”信號可不接入保護裝置。

220 kV及以上線路斷路器為分相操作斷路器，各相斷路器分別裝設相應的氣體密度繼電器。多數斷路器廠家為節(jié)約生產成本，采用三相氣體密度繼電器接點并接后重動SF6低氣壓繼電器去斷開分、合閘控制回路的方式來實現氣壓閉鎖。這種氣壓閉鎖方法在單相斷路器SF6氣壓降低后會出現三相斷路器拒動的情況并且存在擴大停電范圍的風險。為避免斷路器單相SF6壓力異常影響其他相正常運行，SF6氣體密度繼電器輔助接點可分別重動各相SF6低氣壓繼電器來實現氣壓閉鎖。三相SF6低氣壓繼電器輔助接點并聯(lián)后提供本體告警和對外發(fā)信[6-7]。

220 kV及以上架空線路重合閘方式一般整定為單相重合閘。以變電站M和變電扎N之間的線路MN為例，在單側斷路器“SF6氣壓低”信號接入和不接入本側保護裝置2種情況下，分析單側斷路器某相SF6壓力降至閉鎖值后發(fā)生線路故障兩側保護的動作行為。設線路單相重合閘時間為1.3 s，故障持續(xù)時間為1 s，失靈保護動作時間0.4 s。

假設一：M側斷路器“SF6氣壓低”信號不接入保護裝置和接入保護裝置2種情況時，M側A相斷路器SF6氣壓降至閉鎖值且線路A相瞬時接地故障，N側斷路器SF6壓力均正常。

圖1（a）中M側斷路器SF6壓力降低僅作用于閉鎖斷路器機構控制回路，未使重合閘放電。在線路發(fā)生單相瞬時接地故障后，t1時刻光纖差動保護動作，保護正確選相跳閘，最終M側A相斷路器拒動而N側斷路器正常跳開。圖1（b）中M側斷路器SF6氣壓降低至閉鎖值致使重合閘放電。在發(fā)生單相瞬時接地故障后，t1時刻差動保護動作并溝通三跳。因上述2種情況下氣壓降低相斷路器均拒動，所以，t2時刻M側都會啟動失靈保護，t3時刻N側在收到對側遠跳信號后保護動作跳開本側斷路器。圖1（a）中t1—t2時刻，M和N側均會出現短時電壓和電流波動，持續(xù)時間大約為390 ms，持續(xù)時間較短不會引起線路或主變零序過流保護動作，文中論述不再考慮。圖1（c）表明2種情況下兩側保護動作時序相同，雖然斷路器動作情況不同，但是通過對比保護動作時序不難發(fā)現保護裝置接入“SF6氣壓低”信號前后的故障切除時間沒有差別。

圖1 假設一中兩側斷路器的動作行為和保護動作時序

假設二：M側斷路器“SF6氣壓低”信號不接入保護裝置和接入保護裝置2種情況時，M側A相斷路器SF6氣壓降至閉鎖值且線路另外兩相中任一相發(fā)生瞬時接地故障，如B相瞬時接地故障，N側斷路器SF6壓力均正常。

圖2（a）中線路MN發(fā)生故障后t1時刻保護即正確選相跳閘，t2時刻重合閘動作。圖2（b）中因M側A相斷路器控制回路氣壓閉鎖和保護中重合閘已放電，在線路兩側差動保護動作后M側非全相運行。在保護跳閘且持續(xù)滿足零序電流定值時，t2時刻M側失靈保護動作，t3時刻N側遠跳保護動作?？梢娫谠撉榫跋拢Ｗo裝置不接入“SF6氣壓低”信號在線路故障后可以恢復正常供電，反而保護裝置接入“SF6氣壓低”信號會導致本線路停電并擴大停電范圍。

圖2 假設二中兩側斷路器的動作行為和保護動作時序

假設三：M側斷路器“SF6氣壓低”信號不接入保護裝置和接入保護裝置2種情況時，M側A相斷路器SF6氣壓降至閉鎖值且線路任意兩相相間故障，如BC相間短路故障，N側斷路器SF6壓力均正常。

無論“SF6氣壓低”信號是否接入保護裝置，發(fā)生線路相間短路故障時，兩側保護裝置均三相跳閘。因2種情況下M側A相斷路器都會拒動，在差動保護動作經0.4 s延時后M側失靈保護動作,并與對側遠跳保護配合隔離故障點?？梢姡诰€路發(fā)生相間故障時，保護裝置接入“SF6氣壓低”信號前后的故障切除時間沒有差別。

對以上3種假設情景的故障切除時間進行對比，如表1所示。

表1 不同情景下線路故障切除時間

通過3種假設情景可發(fā)現，線路斷路器“SF6氣壓低”信號接入保護裝置前后的故障切除時間沒有明顯的差別，但信號不接入保護裝置在某些情況下可以恢復線路供電。

綜合以上分析可以得出：

（1）110 kV及以下線路斷路器工作介質閉鎖只需SF6氣壓低繼電器輔助接點串接到分、合控制回路負電端即可，“SF6氣壓低”信號可不接入到線路保護“低氣壓閉鎖重合閘”開關量輸入。

（2）220 kV及以上線路斷路器工作介質閉鎖由各相SF6氣壓低繼電器輔助接點分別接入對應相的分、合閘控制回路來實現。線路斷路器“SF6氣壓低”信號也不需再接入保護“低氣壓閉鎖重合閘”開關量輸入。

2.2 考慮操作動力閉鎖下的“低氣壓閉鎖重合閘”回路設計思路

操作動力閉鎖即儲能方式閉鎖。目前斷路器多采用彈簧儲能和液壓儲能2種類型的斷路器。操作動力閉鎖據此可分為彈簧儲能閉鎖和液壓儲能閉鎖[8]。

彈簧儲能斷路器依靠合閘后的彈簧位置行程開關來反應儲能是否完成。斷路器在合閘后合閘彈簧的能量一部分用來合閘，另一部分用來給分閘彈簧儲能[9-10]。若儲能不到位則行程開關機械接點不動作，同時斷開合閘控制回路并發(fā)出“儲能未完成”信號。斷路器合閘后儲能不到位意味著斷路器已完成分閘彈簧儲能的同時合閘彈簧儲備操作功不足，不能完成下一次斷路器合閘操作。

110 kV及以下線路斷路器為三相聯(lián)動斷路器，斷路器合閘彈簧行程開關的輔助接點直接接入合閘回路負電端即可實現“儲能未完成”閉鎖斷路器合閘回路?！皬椈晌磧δ堋毙盘栍上嗤愋洼o助接點發(fā)出。

110 kV線路多采用三相重合閘。若斷路器“儲能未完成”信號不接入保護裝置且斷路器儲能電機故障，此時線路發(fā)生故障，線路斷路器正常跳閘且重合閘動作，但因斷路器合閘回路已斷開，實際斷路器不能完成重合而處于分閘狀態(tài)。若斷路器“儲能未完成”信號接入保護裝置且斷路器儲能電機故障時線路故障，在斷路器跳開后因重合閘被放電而斷路器不再合閘?？梢?種情況下，斷路器的最終狀態(tài)都是分位，“儲能未完成”信號接入保護裝置僅增加了保護報文信息量。因此，110 kV及以下彈簧儲能線路斷路器“儲能未完成”信號可不接入保護裝置。

220 kV及以上斷路器為分相斷路器。鑒于當各相斷路器合閘彈簧行程開關若只閉鎖本相合閘控制回路時，存在三重方式下線路故障后重合閘動作而線路非全相運行現象。所以，儲能閉鎖方式采用各相斷路器合閘彈簧行程開關常閉輔助接點串接后接入總合閘回路負電端來實現較為合理。“彈簧未儲能”信號由各相斷路器合閘彈簧行程開關輔助接點并接后發(fā)出[11]。

220 kV線路多采用單相重合閘方式。若“彈簧未儲能”信號不接入保護裝置，某相斷路器儲能電機故障且該相發(fā)生單相接地故障，則斷路器正常跳開而無法完成重合，線路將非全相運行隨即三相不一致保護動作。若“儲能未完成”信號接入保護裝置后發(fā)生線路故障，則保護可以通過“溝通三跳”快速切除故障避免線路非全相運行。因此，220 kV及以上彈簧儲能斷路器的“儲能未完成”信號必須接入保護裝置“低氣壓閉鎖重合閘”。

液壓儲能斷路器的儲能機構多采用ABB公司HMB系列的儲能原理，依靠油泵打壓驅使碟簧完成分、合閘操作[12]。碟簧行程即反應液壓儲能情況，根據碟簧行程開關位置斷路器中分別設置“低油壓閉鎖重合閘”“低油壓閉鎖合閘”“低油壓閉鎖分閘”。在碟簧一次儲能為額定值后可以連續(xù)操作數次直至壓力依次降低為閉鎖重合閘、閉鎖合閘、閉鎖分閘[13-15]，如圖3所示。液壓儲能斷路器在漏油或因油泵打壓故障造成壓力降低后，行程開關接點相繼動作去接通低油壓閉鎖重合閘繼電器、低油壓閉鎖合閘繼電器和低油壓閉鎖分閘繼電器。低油壓合、分閘閉鎖繼電器動作后其串接在合、分閘控制回路的常閉接點打開，斷路器合、分閘操作被閉鎖，同時斷路器發(fā)出“低油壓閉鎖重合閘”“低油壓閉鎖合閘”“低油壓閉鎖分閘”信號[16]。

圖3 液壓儲能斷路器油壓趨勢

當斷路器油壓降低到閉鎖重合閘值以下和閉鎖合閘值以上時，斷路器液壓儲能不滿足完成一次O-0.3-CO動作所需操作功，也意味著斷路器在事故分閘后不能再接受保護裝置的重合指令。因此，斷路器“低油壓閉鎖重合閘”信號應接入保護裝置以避免斷路器儲能不足時再次重合。當斷路器油壓繼續(xù)下降時，斷路器在完成一次分閘后合、分閘控制回路會被相繼閉鎖。

3 綜合分析

3.1 “低氣壓閉鎖重合閘”回路接線方式

根據以上對保護裝置動作情況、斷路器機械性能的分析，確定以下機構閉鎖和“低氣壓閉鎖重合閘”回路的接線方式：

（1）110 kV及以下線路斷路器工作介質閉鎖只需SF6低氣壓繼電器輔助接點串接到分、合控制回路負電端。220 kV及以上線路斷路器工作介質閉鎖由各相SF6低氣壓繼電器輔助接點分別接入對應相的分、合閘控制回路。各電壓等級線路斷路器“SF6氣壓低”信號不需接入保護裝置中“低氣壓閉鎖重合閘”開關量輸入。

（2）110 kV及以下彈簧儲能斷路器的合閘行程開關輔助接點串接入本斷路器的合閘控制回路負電端。220 kV及以上彈簧儲能斷路器各相合閘行程開關輔助接點串接后接入本斷路器的合閘控制回路負電端。110 kV及以下彈簧儲能斷路器“儲能未完成”信號可不接入保護，220 kV及以上彈簧儲能斷路器“儲能未完成”信號必須接入到保護裝置“低氣壓閉鎖重合閘”開關量輸入。液壓儲能斷路器的低油壓閉鎖合閘繼電器、低油壓閉鎖分閘繼電器輔助接點分別閉鎖斷路器合、分閘控制回路。低油壓閉鎖重合閘繼電器輔助接點必須接入保護裝置中“低氣壓閉鎖重合閘”開關量輸入。

3.2 不同重合閘方式對“低氣壓閉鎖重合閘”回路接線方式的影響

110 kV及以下線路多采用三相重合閘或停用重合閘。無論保護裝置采取何種重合閘方式，在SF6低氣體繼電器輔助接點斷開斷路器分、合閘控制回路后線路發(fā)生故障時，斷路器均拒動且不存在重合的可能。因此，110 kV及以下線路閉重接線方式不受重合閘整定方式影響，220 kV及以上線路多采用單相重合閘、三相重合閘或停用重合閘。無論保護裝置采取何種重合閘方式，SF6氣壓降低相斷路器在線路發(fā)生故障后均會拒動，線路故障點最終都需要依靠本側失靈保護和對側遠跳保護配合來進行隔離。因此，220 kV及以上線路閉重接線方式也不受重合閘整定方式影響。

110 kV及以下線路彈簧儲能斷路器的“儲能未完成”信號只閉鎖斷路器合閘控制回路。無論重合閘整定方式如何，當斷路器“儲能未完成”且線路發(fā)生故障時，斷路器跳開后無法完成合閘。無論220 kV及以上線路重合閘采用為單重或三重方式，在斷路器“儲能未完成”時發(fā)生線路故障，保護均溝通三跳。因此，彈簧儲能斷路器的“儲能未完成”閉重接線方式不受重合閘整定方式影響。

液壓儲能斷路器的“低油壓閉鎖重合閘”信號閉鎖保護裝置重合閘功能。無論何種重合閘整定方式，斷路器發(fā)出“低油壓閉鎖重合閘”信號后保護裝置中重合閘功能均被閉鎖。因此，液壓儲能斷路器的“低油壓閉鎖重合閘”閉重接線方式不受重合閘整定方式影響。

4 結語

重合閘對于保證電網安全穩(wěn)定運行具有積極的意義，一旦重合閘功能被不正確閉鎖，停電范圍將會擴大。在詳細分析斷路器機械性能以及機構閉鎖后保護可能出現的動作情況，提出了斷路器機構閉鎖實現方法并明確了保護裝置中“低氣壓閉鎖重合閘”開關量輸入應該接取的斷路器信號。