斷路器重合閘技術研究及在元壩氣田中的應用

張 文，楊 洋，王 杰，吉 喆，劉澤民，黃世強，佘 雪

(中國石化西南油氣分公司 廣元天然氣凈化公司，四川 廣元 628000)

元壩氣田是中國石化第二座高含硫酸性氣田[1]，元壩氣田電網(wǎng)擔負著整個氣田的供電需求。元壩氣田電網(wǎng)由元壩氣田10 kV集輸西線、東線以及南線線路組成，3條線路全長127.45 km，各型電桿共1 029基，擔負著元壩氣田上游32座井站、2座閥室、3座倒班點以及9座通信基站用電任務。因氣象原因、設備老化以及其他客觀因素導致線路跳閘的情況不可避免，當線路跳閘，一是線路所帶負荷失電，影響生產(chǎn)，二是線路運維工作人員須翻山越嶺通過人海戰(zhàn)術對故障線路進行查找、搶修。在天氣情況和道路交通條件較為惡劣的情形下，不僅加大了運維人員的出行安全風險，而且延長了元壩氣田上游相關井站場停電時間。

為解決上述問題，有必要開展包括斷路器性能優(yōu)化提升、建立一套集輸線路遠程自動化控制系統(tǒng)等攻關工作，形成一套切實可行、行之有效的縮短10 kV集輸線路故障處置時間的技術、措施，確保集輸線路乃至全氣田的安全平穩(wěn)供電，同時為川西海相高含硫氣田開發(fā)電網(wǎng)建設提供經(jīng)驗借鑒。

1 原理分析

架空線路上的故障大多數(shù)是瞬時性短路，如雷電放電[2-3]、潮濕閃絡[4]、鳥類或樹枝的跨接等[5-6]，這些故障雖然引起斷路器跳閘，但短路故障后，若斷路器再合閘，便可恢復供電，從而提高了供電的可靠性，自動重合閘原理就是利用這一特點，即當線路出現(xiàn)故障，繼電保護使斷路器跳閘后，自動重合閘裝置經(jīng)短時間間隔后使斷路器重新合上[7-9]。大多數(shù)情況下，線路故障(如雷擊、風害等)是暫時性的，斷路器跳閘后線路的絕緣性能(絕緣子和空氣間隙)能得到恢復，再次重合閘能成功，這就提高了電力系統(tǒng)供電的可靠性，重合閘成功率約在60%～90%。

2 元壩電網(wǎng)斷路器自動合閘關鍵參數(shù)優(yōu)選

2.1 自動重合閘方式的優(yōu)選

高壓輸電線路自動重合閘按照重合閘作用于斷路器的方式，可分為三相重合閘、單相重合閘和綜合重合閘[10-11]；按重合閘動作次數(shù)，可分為一次重合閘和二次(多次)重合閘[12]。通過對元壩電網(wǎng)斷路器本體進行研究發(fā)現(xiàn)，元壩氣田10 kV集輸線路斷路器均為三相聯(lián)動斷路器，即線路上發(fā)生任何故障，一旦達到保護跳閘動作條件，均跳開斷路器三相，而通常條件下高壓線路均采用一次重合閘，故重合閘方式選擇三相一次重合。

2.2 自動重合閘檢測方式優(yōu)選

自動重合閘檢測方式主要分為檢無壓和檢同期兩類[13-14]，主要區(qū)別在于檢同期適用于兩側(cè)電源的系統(tǒng)，因雙側(cè)電源在重合閘時必須考慮兩側(cè)系統(tǒng)是否同期的問題，非同期合閘將會產(chǎn)生強大的沖擊電流。檢無壓一般用于單側(cè)電源系統(tǒng)，即重合閘裝置只需檢測到線路上三相電壓為零，并滿足設定時間后立即發(fā)出重合閘命令。元壩氣田10 kV集輸線路為單側(cè)電源系統(tǒng)，檢同期的合閘方式不適用，故選用檢無壓方式。

2.3 自動重合閘啟動方式優(yōu)選

自動重合閘裝置有2種啟動方式，即斷路器控制狀態(tài)與斷路器位置不對應啟動方式和保護啟動方式[15-16]。

1)斷路器控制狀態(tài)與斷路器位置不對應啟動方式是用跳閘位置繼電器引入自動重合閘裝置中相應開入量來判斷斷路器位置[17]，如果自動重合閘裝置中上述跳閘位置繼電器有開入，則說明斷路器處于斷開狀態(tài)，但此時控制開關在合閘狀態(tài)，說明原先斷路器是處于合閘狀態(tài)的。這種2個位置不對應啟動重合閘方式稱為“位置不對應啟動方式”。

位置不對應啟動方式的優(yōu)點是簡單可靠，可提高供電可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在各級電網(wǎng)中具有良好的運行效果，是所有自動重合閘都必須具備的基本啟動方式，其缺點是位置繼電器異常、觸點粘連或斷路器輔助觸點接觸不良等情況下，該位置不對應啟動方式將失效。

2)保護啟動方式是用相應線路保護出口觸點分別作用啟動的，這種啟動方式在重合閘邏輯回路中不需要對故障相實現(xiàn)選相固定，只需要對跳閘命令固定即可，從而簡化重合閘設置，同時還能有效地糾正繼電保護誤動作而引起的誤跳閘，但是不能糾正斷路器自身的誤動(偷跳)，所以保護啟動方式作為斷路器位置不對應啟動方式補充。

綜上所述，上述2種啟動方式在自動重合閘裝置都應設有相應投入或退出功能控制，現(xiàn)場根據(jù)不同的運行方式來選擇投入或退出，并且可以同時投入使用，相互補充，故元壩氣田電網(wǎng)選擇2種方式共同作用。

2.4 自動重合閘的前加速、后加速研究

重合閘前加速保護方式[18-19]一般用于具有幾段串聯(lián)的輻射形線路中，重合閘裝置僅裝在靠近電源的一段線路上。當線路上(包括相鄰線路及以后的線路)發(fā)生故障時，靠近電源側(cè)的保護首先無選擇性地瞬時動作于跳閘，而后再靠重合閘來糾正這種非選擇性動作，其缺點是切除永久性故障時間較長，裝有重合閘裝置的斷路器動作次數(shù)較多，且一旦斷路器或重合閘拒動，將使停電范圍擴大[20]。

當被保護線路出現(xiàn)故障時，安全保護器可以有選擇地把故障線路全部切除，并與此同時重合閘后動作，再重復一次。當重合閘為永久性故障時，安全保護器立即可以不帶時限，無選擇地按動作再次切除斷路器，這種保護裝置稱為重合閘后動作加速[21-22]。

根據(jù)元壩10 kV集輸線路的高可靠性供電要求，應盡量避免任何故障均無選擇性跳開靠近電源側(cè)的斷路器，此種方式有大部分線路晃電甚至停電的風險，重合閘前加速保護方式不能應用，因此選用重合閘后加速。

2.5 自動重合閘裝置重要原件研究

自動重合閘裝置的重要原件有重合閘啟動元件、合閘脈沖、延時元件等。通過上述研究，對元壩氣田10 kV集輸線路自動重合閘的應用有了方向和基本要求，按上述要求對原FTU控制器進行改造升級，即在原FTU控制箱內(nèi)加入重合閘繼電器并對其接線回路進行改造(見圖1)，改造主要在FTU控制器主板上加裝了重合閘模塊(見圖1中框線圈出部分)。

2.6 改造后自動重合閘裝置原理研究

改造后自動重合閘裝置的重合閘原理圖如圖2所示。圖2中，1SA為斷路器控制開關，2SA為自動重合閘裝置選擇開關，用于投入和解除自動重合閘裝置。線路正常運行和自動重合閘裝置投入運行時，1SA和2SA是在合閘的位置，圖中除①-③，艖艙接通之外，其余接點均是不接通的，ARD投入工作，QF(1-2)是斷開的。重合閘繼電器KAR中電容器C經(jīng)4R充電，C的充電時間在15～25 s，其通電回路是+WC→2SA→4R→C→-WC，同時指示燈HL亮表示母線電壓正常，電容器已處于充電狀態(tài)。當線路發(fā)生故障時，繼電保護(速斷或過電流)動作，使跳閘回路通電跳閘，防跳繼電器KTL電流線圈啟動，KTL(1-2)閉合，但因1SA⑤-⑧不通，KTL的電壓線圈不能自保持，跳閘后KTL電流電壓線圈斷電。

因為QF(1-2)閉合，KAR中的KT通電響應，KT(1-2)打開，使5R接入KT回路，從而限制KT線圈中電流，仍然讓KT保持響應狀態(tài)，KT(3-4)經(jīng)過延時后閉合，電容器C對KM線圈放電，使KM響應，KM(1-2)打開使得HL熄滅，表示KAR發(fā)生了動作。KM(3-4)、KM(5-6)、KM(7-8)閉合，合閘接觸器1KM經(jīng)+WC→2SA→KM(3-4)，KM(5-6)→+KM電流線圈→KS→XB→KTL(3-4)→QF(3-4)接通正電源，使斷路器重新合閘。后加速繼電器2KM也由于KM(7-8)閉合而動作，2KM輔助觸點閉合。如果故障是瞬時性的，這時故障應已經(jīng)消失，繼電器保護不會再發(fā)生動作，則表示重合閘成功。QF(1-2)斷開，KAR內(nèi)繼電器都返回，然而后加速繼電器2KM觸點延時打開，如果故障為永久性的，則繼電器保護動作，1KT常開閉合，經(jīng)2KM的延時連通觸點，接通跳閘回路跳閘，QF(1-2)閉合，KT重新響應。由于電容器沒有足夠時間充滿電，KM就不能動作，即便時間很長，由于電容器C與KM線圈已經(jīng)并聯(lián)，電容器C不會充電到電源電壓值，所以自動重合閘只會重新合閘一次。

2.7 自動重合閘動作時限整定

單側(cè)電源采用的三相重合閘所需時間，除了必須大于故障點熄弧的時間及周圍介質(zhì)去游離的時間外，還必須大于斷路器及操動機構復歸原狀準備及其再次動作的時間。按照保護啟動方式，其重合閘動作時間整定為：

tch=tt+txyl+ty-th

(1)

式中，tch是重合閘整定時間；tt是斷路器跳閘時間；txyl是消弧及去游離時間，查閱《電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置整定計算》，確定txyl取0.1 s(見表1)；ty是裕度時間，一般取0.1～0.15 s；th是斷路器合閘時間。

表1 故障消弧及去游離時間txyl

根據(jù)斷路器參數(shù)(見表2)可以確定斷路器跳閘、合閘時間，tt取50 ms，th取60 ms。

表2 斷路器參數(shù)

根據(jù)式1可得：tch=0.05+0.1+0.15+0.06=0.24 (s)。根據(jù)現(xiàn)場實際，tch取0.5 s。

2.8 應用效果評價

自自動重合閘功能應用以來，統(tǒng)計了2021年4—8月，10 kV集輸線路各分支斷路器因雷電、樹枝剮蹭、鳥類等發(fā)生故障跳閘共計36次，其中22次重合閘成功，7次重合閘不成功(線路發(fā)生永久故障)，7次因速斷缺相等故障閉鎖重合閘功能。

在重合閘技術應用之前，1處故障查找處置平均用時4 h，而自動重合閘成功僅需500 ms，自動重合閘功能有效地避免線路停電，省去了人工到現(xiàn)場復位開關的環(huán)節(jié)，提高了整個氣田電網(wǎng)的安全性。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)的人工手動合閘方法已經(jīng)嚴重影響到元壩氣田電網(wǎng)故障的處置效果，費時費力，自動重合閘技術則填補了這一空白，大大提高了氣田電網(wǎng)的故障處置效率。通過對自動重合閘方式、自動重合閘檢測方式等關鍵技術的優(yōu)化，研制出符合元壩氣田電網(wǎng)自身特點的斷路器自動重合閘技術，使得單次故障處置時間從4 h減小到500 ms，具有重要的應用和推廣價值。