LOCKOUT繼電器在特高壓直流工程二次回路中的應(yīng)用研究

陳 鵬, 尹 剛，郭力馳，鄒榮盛，許 斌

(1.中南電力設(shè)計(jì)院有限公司, 湖北 武漢 430072；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引 言

巴西美麗山二期±800 kV特高壓直流工程(以下簡稱“巴西美二工程”)是中國第一個(gè)特高壓直流輸電技術(shù)、設(shè)計(jì)、裝備、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)全產(chǎn)業(yè)鏈“走出去”的電網(wǎng)工程，是中國在巴西乃至拉美地區(qū)推進(jìn)“一帶一路”倡議、構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的重要實(shí)踐，對實(shí)現(xiàn)中國特高壓直流輸電標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和裝備“走出去”具有重要戰(zhàn)略意義[1-2]。

由于巴西當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)習(xí)慣與國內(nèi)電網(wǎng)不同，巴西美二工程換流站交流系統(tǒng)的二次回路設(shè)計(jì)理念存在較大的差別。LOCKOUT繼電器(86)因其具有接點(diǎn)容量大、鎖定保持等特點(diǎn)[3]，廣泛應(yīng)用于巴西500 kV交流斷路器的操作回路中，且斷路器的操作回路需根據(jù)與其相關(guān)的交流保護(hù)功能要求進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。而國內(nèi)特高壓直流輸電工程交流系統(tǒng)斷路器通常采用標(biāo)準(zhǔn)化和集約化的操作箱或繼電器箱實(shí)現(xiàn)不同的交流保護(hù)功能要求[4-5]。因此，國內(nèi)成熟的特高壓換流站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不能完全滿足巴西當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的要求。

為適應(yīng)巴西美二工程換流站交流系統(tǒng)的二次回路設(shè)計(jì)理念，滿足巴西當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行維護(hù)要求，對巴西與國內(nèi)特高壓換流站交流系統(tǒng)典型的斷路器操作回路進(jìn)行了差異性分析，提出了適用于巴西當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行維護(hù)要求的特高壓換流站交流系統(tǒng)二次回路中LOCKOUT繼電器的配置原則。并以巴西美二工程中具體的斷路器操作回路為例，詳細(xì)介紹了LOCKOUT繼電器的啟動(dòng)和閉鎖邏輯。所提出的LOCKOUT繼電器的配置原則有利于更好地適應(yīng)巴西當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)建設(shè)，為特高壓直流輸電技術(shù)走出國門、服務(wù)世界提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 國內(nèi)與巴西美二工程交流斷路器操作回路差異性分析

國內(nèi)特高壓直流換流站的500 kV及以上交流系統(tǒng)主要包括交流串、交流濾波器、變壓器、高壓電抗器等設(shè)備。500 kV及以上交流系統(tǒng)保護(hù)主要包括：線路保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)以及變壓器和高壓電抗器等元件保護(hù)。交流濾波器保護(hù)雖然是屬于直流系統(tǒng)保護(hù)的一部分，但其保護(hù)配置和出口回路設(shè)計(jì)與交流系統(tǒng)保護(hù)類似。以上交流保護(hù)除了斷路器失靈保護(hù)為單套配置外，其他的保護(hù)均為雙重化配置，且全站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的測控裝置為雙重化配置[6-8]。

巴西美二工程的500 kV交流系統(tǒng)保護(hù)配置與國內(nèi)特高壓直流換流站的配置基本相同，但是其交流斷路器操作回路的設(shè)計(jì)與國內(nèi)特高壓直流換流站的設(shè)計(jì)存在較大的差異。特高壓直流換流站交流斷路器操作回路通常有操作箱和出口繼電器兩種方式，接下來將對兩種方式下的斷路器操作回路進(jìn)行分析。

1.1 采用操作箱方式

國內(nèi)特高壓直流換流站500 kV及以上交流系統(tǒng)保護(hù)的出口回路通常采用配置分相操作箱的方式[9-10]。分相操作箱主要包含2組分相跳閘回路和1組分相合閘回路，操作箱集成跳閘/合閘保持、跳位/合位監(jiān)視、防跳回路、三相不一致保護(hù)、手動(dòng)合閘/分閘、重合閘、等功能。以國內(nèi)某特高直流換流站500 kV交流斷路器操作回路為例，雙重化配置的保護(hù)中任意一套保護(hù)動(dòng)作后，根據(jù)保護(hù)裝置判斷結(jié)果啟動(dòng)斷路器操作箱對應(yīng)功能的跳閘繼電器(TJR：啟動(dòng)失靈不啟動(dòng)重合閘；TJQ：啟動(dòng)失靈啟動(dòng)重合閘；TJF：不啟動(dòng)失靈不啟動(dòng)重合閘)。并將對應(yīng)功能的跳閘繼電器的節(jié)點(diǎn)接入交流斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的跳閘回路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)跳閘的功能，如圖1所示。

圖1 采用操作箱的斷路器操作回路

1.2 采用出口繼電器方式

1)LOCKOUT繼電器用于跳閘保持

國內(nèi)某區(qū)域電網(wǎng)要求500 kV及以上交流斷路器操作回路不直接利用操作箱中的TJR、TJQ、TJF繼電器來實(shí)現(xiàn)斷路器失靈保護(hù)和重合閘功能是否啟動(dòng)，而是通過采用單獨(dú)的出口繼電器實(shí)現(xiàn)斷路器失靈保護(hù)啟動(dòng)、重合閘功能的閉鎖和啟動(dòng)功能。同時(shí)，在斷路器的跳閘回路中并接LOCKOUT繼電器的常開接點(diǎn)，如圖2所示。

圖2示意了第一套斷路器跳閘回路。第二套斷路器跳閘回路與第一套線圈回路的原理相同，且第二套斷路器跳閘回路和第一套斷路器跳閘回路不共用LOCKOUT繼電器，LOCKOUT繼電器的動(dòng)作邏輯如下：

(1)正常情況下，LOCKOUT繼電器的線圈不帶電，且接在斷路器跳閘回路的LOCKOUT繼電器節(jié)點(diǎn)斷開；

(2)當(dāng)失靈保護(hù)動(dòng)作要求跳本斷路器或其他斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作要求聯(lián)跳本斷路器時(shí)，LOCKOUT繼電器的線圈帶電，且接在斷路器跳閘回路的LOCKOUT繼電器節(jié)點(diǎn)閉合，本斷路器跳閘，且一直保持?jǐn)嗦菲魈l線圈帶電，直到人為對LOCKOUT繼電器進(jìn)行復(fù)歸(遠(yuǎn)方手動(dòng)或就地手動(dòng))，本斷路器跳閘保持才取消，如圖2所示。

圖2 LOCKOUT繼電器用于跳閘保持回路

2)LOCKOUT繼電器用于合閘閉鎖

巴西美二工程的500 kV交流斷路器的操作回路與國內(nèi)工程不同，其操作回路不設(shè)置統(tǒng)一的操作箱，而是針對每個(gè)斷路器間隔，根據(jù)交流保護(hù)的動(dòng)作結(jié)果單獨(dú)設(shè)置斷路器操作回路。并在直接出口跳閘本斷路器的保護(hù)裝置中設(shè)置LOCKOUT繼電器，并將LOCKOUT繼電器的常閉接點(diǎn)串接在斷路器的合閘回路中，如圖3所示。

圖3 LOCKOUT繼電器用于合閘閉鎖回路示意

圖3為斷路器合閘閉鎖回路示意圖，其中，保護(hù)1、保護(hù)2，…，保護(hù)n為直接出口跳閘本斷路器的保護(hù)，且雙重化配置的保護(hù)裝置共用1個(gè)LOCKOUT繼電器，LOCKOUT繼電器的動(dòng)作邏輯如下：

(1)正常情況下，保護(hù)裝置中的LOCKOUT繼電器不帶電，常閉接點(diǎn)閉合，測控裝置可直接對斷路器進(jìn)行合閘操作。

(2)某保護(hù)動(dòng)作后，保護(hù)出口跳開斷路器，并同時(shí)啟動(dòng)LOCKOUT繼電器，LOCKOUT繼電器的常閉接點(diǎn)斷開，即對斷路器的合閘回路進(jìn)行閉鎖。此時(shí)，無論保護(hù)裝置是否復(fù)歸，斷路器都不能進(jìn)行合閘操作，直到人為對動(dòng)作后的保護(hù)裝置中的LOCKOUT繼電器進(jìn)行復(fù)歸(遠(yuǎn)方手動(dòng)或就地手動(dòng))，才能解除閉鎖，對斷路器進(jìn)行合閘操作。

2 適用于巴西美二工程的LOCKOUT繼電器的配置原則

在巴西美二工程中，LOCKOUT繼電器用于閉鎖斷路器合閘回路，不因保護(hù)裝置復(fù)歸而解除合閘回路閉鎖，有利于斷路器合閘回路閉鎖的持續(xù)性，能夠有效地避免保護(hù)動(dòng)作后斷路器合閘的誤操作，對提高特高壓直流輸電工程的可靠性和運(yùn)維人員的安全性具有積極作用，該設(shè)計(jì)方案在巴西美二工程中得到了廣泛應(yīng)用。但是LOCKOUT繼電器的配置增加了斷路器操作回路的復(fù)雜程度，不利于交流系統(tǒng)二次回路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和功能集成化，且LOCKOUT繼電器的配置原則與交流系統(tǒng)保護(hù)的動(dòng)作邏輯關(guān)系密切，因此，亟需提出符合巴西當(dāng)?shù)剡\(yùn)行習(xí)慣的LOCKOUT繼電器的配置原則，為后續(xù)直流工程設(shè)計(jì)提供有利的技術(shù)支撐。針對巴西美二工程中LOCKOUT繼電器的配置情況，提出了適用于該工程的LOCKOUT繼電器的配置原則，主要包括：

1)除線路保護(hù)之外的雙重化的保護(hù)(如母差保護(hù)、變壓器保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)等)共用1個(gè)LOCKOUT繼電器，且LOCKOUT繼電器配置在第一套保護(hù)屏內(nèi)，任意一套保護(hù)動(dòng)作均可啟動(dòng)對應(yīng)的LOCKOUT繼電器；且與本斷路器跳閘相關(guān)的保護(hù)對應(yīng)的LOCKOUT繼電器，其常閉接點(diǎn)均需要串接入本斷路器的合閘回路中。

2)變壓器保護(hù)、高壓電抗器保護(hù)、濾波器保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)等保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)其對應(yīng)的LOCKOUT繼電器。為保護(hù)設(shè)備免受故障電流沖擊造成事故擴(kuò)大，變壓器保護(hù)、高壓電抗器保護(hù)、濾波器保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)等保護(hù)動(dòng)作后均不需要進(jìn)行重合閘操作，因此，在上述保護(hù)的出口回路均配置LOCKOUT繼電器，閉鎖跳閘后斷路器的合閘回路。

3)母差保護(hù)動(dòng)作跳閘和斷路器失靈聯(lián)跳母差保護(hù)不共用LOCKOUT繼電器。500 kV交流系統(tǒng)母差保護(hù)動(dòng)作的原因有兩種：一是交流母線發(fā)生短路故障，母差保護(hù)動(dòng)作跳開母線上的所有斷路器；二是斷路器失靈保護(hù)動(dòng)作，為及時(shí)隔離故障，聯(lián)動(dòng)母差保護(hù)，跳開母線上的所有斷路器。在巴西美二工程中，母差保護(hù)提供2個(gè)出口，分別為母線故障的保護(hù)動(dòng)作出口和失靈聯(lián)跳的的保護(hù)動(dòng)作出口，2個(gè)出口不共用LOCKOUT繼電器，母差保護(hù)裝置根據(jù)保護(hù)動(dòng)作的判據(jù)分別啟動(dòng)不同的LOCKOUT繼電器，對所有跳開的斷路器進(jìn)行合閘回路閉鎖，如圖4所示。

圖4 母差保護(hù)啟動(dòng)LOCKOUT繼電器

4)線路保護(hù)不配置LOCKOUT繼電器，線路保護(hù)集成遠(yuǎn)跳功能需啟動(dòng)LOCKOUT繼電器。為防止瞬時(shí)性故障造成輸電線路跳閘停運(yùn)，線路保護(hù)跳閘后需啟動(dòng)斷路器重合閘裝置，故線路保護(hù)不配置LOCKOUT繼電器。但巴西美二工程的500 kV線路保護(hù)集成了遠(yuǎn)跳線路對側(cè)斷路器的功能，通常情況下本側(cè)交流母線發(fā)生故障或斷路器失靈時(shí)，母差保護(hù)動(dòng)作雖切除本側(cè)斷路器，但故障依然沒有切除，且故障不在線路保護(hù)范圍內(nèi)，此時(shí)需通過遠(yuǎn)跳功能瞬時(shí)跳開對側(cè)斷路器，并閉鎖對側(cè)斷路器合閘，達(dá)到徹底切除故障的目的。

3 LOCKOUT繼電器在巴西美二工程中的應(yīng)用

欣古換流站是巴西美二工程送端換流站。欣古換流站500 kV交流系統(tǒng)采用3/2接線方式，本期1回出線、2回?fù)Q流變壓器進(jìn)線和3回交流濾波器大組出線，共6組進(jìn)出線，組成3個(gè)完整串；交流濾波器大組母線采用單母線接線方式，3回小組濾波器進(jìn)線，1回大組濾波器出線接入500 kV交流串中。欣古換流站500 kV交流系統(tǒng)電氣主接線如圖5所示。

圖5 欣古換流站500 kV交流系統(tǒng)電氣主接線

由于巴西美二工程的每個(gè)斷路器操作回路需要對與該斷路器相關(guān)的交流保護(hù)的功能要求進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，且LOCKOUT繼電器與交流保護(hù)的動(dòng)作特性密切相關(guān)。為詳細(xì)分析巴西美二工程交流斷路器操作回路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以欣古換流站500 kV交流濾波器小組斷路器的合閘回路為例，對LOCKOUT繼電器在巴西美二工程中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說明。

在圖5中，CB511為500 kV第一大組交流濾波器TT3/11/50小組的并網(wǎng)斷路器，由欣古換流站的交流保護(hù)配置可知，與CB511斷路器出口跳閘相關(guān)的保護(hù)裝置主要包括ACF51交流濾波器大組保護(hù)裝置、交流濾波器TT3/11/50小組保護(hù)裝置、CB511本身的斷路器失靈保護(hù)裝置，且交流濾波器大組保護(hù)和交流濾波器小組保護(hù)雙重化配置，斷路器失靈保護(hù)單套配置。

交流濾波器大組保護(hù)的LOCKOUT繼電器布置在交流濾波器大組保護(hù)屏1中，交流濾波器大組保護(hù)2與交流濾波器大組保護(hù)1共用1個(gè)LOCKOUT繼電器；TT3/11/50小組保護(hù)的LOCKOUT繼電器布置在TT3/11/50小組保護(hù)保護(hù)屏1中，TT3/11/50小組保護(hù)2與TT3/11/50小組保護(hù)1共用1個(gè)LOCKOUT繼電器；CB511本身的斷路器失靈保護(hù)配置1個(gè)LOCKOUT繼電器。上述LOCKOUT繼電器的常閉節(jié)點(diǎn)均串接在斷路器合閘回路中，用于閉鎖該斷路器合閘回路，并考慮到交流濾波器小組斷路器配置選相合閘裝置，CB511的斷路器合閘回路具體接線如圖6所示。

圖6中，正常情況下，可通過測控裝置對CB511斷路器進(jìn)行合閘操作；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，交流濾波器大組保護(hù)、TT3/11/50小組保護(hù)或斷路器失靈保護(hù)中任意保護(hù)動(dòng)作，跳開CB511斷路器，同時(shí)保護(hù)動(dòng)作均啟動(dòng)其對應(yīng)的LOCKOUT繼電器，對應(yīng)合閘回路中LOCKOUT繼電器的常閉接點(diǎn)斷開，對斷路器合閘回路進(jìn)行閉鎖保持。此時(shí)，無法通過測控裝置對斷路器進(jìn)行合閘操作，直到通過測控對動(dòng)作的LOCKOUT繼電器進(jìn)行復(fù)歸操作，斷路器才能合閘。

圖6 交流濾波器小組斷路器合閘回路接線

以上為欣古換流站500 kV交流濾波器小組斷路器的合閘回路原理接線方式，其他500 kV交流斷路器的接線方式在考慮到與對應(yīng)斷路器相關(guān)的保護(hù)配置后，其合閘回路的接線方式類似，不再贅述。

4 結(jié) 語

針對巴西美二工程與國內(nèi)特高壓換流站交流系統(tǒng)二次回路中的LOCKOUT繼電器的應(yīng)用和配置原則不同的問題，詳細(xì)分析和比較了巴西與國內(nèi)特高壓換流站交流系統(tǒng)典型的斷路器操作回路的差異性，提出了適用于巴西當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行維護(hù)習(xí)慣的特高壓換流站交流系統(tǒng)二次回路中LOCKOUT繼電器的配置原則，得出的主要結(jié)論如下：

1)巴西美二工程中LOCKOUT繼電器用于閉鎖斷路器合閘；

2)母差保護(hù)、變壓器保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、交流濾波器保護(hù)等不需要重合閘的保護(hù)，均需要啟動(dòng)LOCKOUT繼電器，且雙重化或三重化的保護(hù)可共用LOCKOUT繼電器；

3)母差保護(hù)動(dòng)作跳閘和斷路器失靈聯(lián)跳母差保護(hù)不共用LOCKOUT繼電器；

4)線路保護(hù)不需要啟動(dòng)LOCKOUT繼電器，但線路保護(hù)中集成的遠(yuǎn)跳功能需要啟動(dòng)LOCKOUT繼電器。