斷路器重合閘技術(shù)研究及在元壩氣田中的應(yīng)用

張 文，楊 洋，王 杰，吉 喆，劉澤民，黃世強(qiáng)，佘 雪

(中國(guó)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(guó)石化第二座高含硫酸性氣田[1]，元壩氣田電網(wǎng)擔(dān)負(fù)著整個(gè)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(zhǎng)127.45 km，各型電桿共1 029基，擔(dān)負(fù)著元壩氣田上游32座井站、2座閥室、3座倒班點(diǎn)以及9座通信基站用電任務(wù)。因氣象原因、設(shè)備老化以及其他客觀因素導(dǎo)致線路跳閘的情況不可避免，當(dāng)線路跳閘，一是線路所帶負(fù)荷失電，影響生產(chǎn)，二是線路運(yùn)維工作人員須翻山越嶺通過(guò)人海戰(zhàn)術(shù)對(duì)故障線路進(jìn)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(yùn)維人員的出行安全風(fēng)險(xiǎn)，而且延長(zhǎng)了元壩氣田上游相關(guān)井站場(chǎng)停電時(shí)間。

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

1 原理分析

架空線路上的故障大多數(shù)是瞬時(shí)性短路，如雷電放電[2-3]、潮濕閃絡(luò)[4]、鳥(niǎo)類或樹(shù)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(fù)供電，從而提高了供電的可靠性，自動(dòng)重合閘原理就是利用這一特點(diǎn)，即當(dāng)線路出現(xiàn)故障，繼電保護(hù)使斷路器跳閘后，自動(dòng)重合閘裝置經(jīng)短時(shí)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(fēng)害等)是暫時(shí)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(fù)，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(dòng)合閘關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選

2.1 自動(dòng)重合閘方式的優(yōu)選

高壓輸電線路自動(dòng)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(dòng)作次數(shù)，可分為一次重合閘和二次(多次)重合閘[12]。通過(guò)對(duì)元壩電網(wǎng)斷路器本體進(jìn)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(dòng)斷路器，即線路上發(fā)生任何故障，一旦達(dá)到保護(hù)跳閘動(dòng)作條件，均跳開(kāi)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(dòng)重合閘檢測(cè)方式優(yōu)選

自動(dòng)重合閘檢測(cè)方式主要分為檢無(wú)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(shí)必須考慮兩側(cè)系統(tǒng)是否同期的問(wèn)題，非同期合閘將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊電流。檢無(wú)壓一般用于單側(cè)電源系統(tǒng)，即重合閘裝置只需檢測(cè)到線路上三相電壓為零，并滿足設(shè)定時(shí)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(wú)壓方式。

2.3 自動(dòng)重合閘啟動(dòng)方式優(yōu)選

自動(dòng)重合閘裝置有2種啟動(dòng)方式，即斷路器控制狀態(tài)與斷路器位置不對(duì)應(yīng)啟動(dòng)方式和保護(hù)啟動(dòng)方式[15-16]。

1)斷路器控制狀態(tài)與斷路器位置不對(duì)應(yīng)啟動(dòng)方式是用跳閘位置繼電器引入自動(dòng)重合閘裝置中相應(yīng)開(kāi)入量來(lái)判斷斷路器位置[17]，如果自動(dòng)重合閘裝置中上述跳閘位置繼電器有開(kāi)入，則說(shuō)明斷路器處于斷開(kāi)狀態(tài)，但此時(shí)控制開(kāi)關(guān)在合閘狀態(tài)，說(shuō)明原先斷路器是處于合閘狀態(tài)的。這種2個(gè)位置不對(duì)應(yīng)啟動(dòng)重合閘方式稱為“位置不對(duì)應(yīng)啟動(dòng)方式”。

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

2)保護(hù)啟動(dòng)方式是用相應(yīng)線路保護(hù)出口觸點(diǎn)分別作用啟動(dòng)的，這種啟動(dòng)方式在重合閘邏輯回路中不需要對(duì)故障相實(shí)現(xiàn)選相固定，只需要對(duì)跳閘命令固定即可，從而簡(jiǎn)化重合閘設(shè)置，同時(shí)還能有效地糾正繼電保護(hù)誤動(dòng)作而引起的誤跳閘，但是不能糾正斷路器自身的誤動(dòng)(偷跳)，所以保護(hù)啟動(dòng)方式作為斷路器位置不對(duì)應(yīng)啟動(dòng)方式補(bǔ)充。

綜上所述，上述2種啟動(dòng)方式在自動(dòng)重合閘裝置都應(yīng)設(shè)有相應(yīng)投入或退出功能控制，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)不同的運(yùn)行方式來(lái)選擇投入或退出，并且可以同時(shí)投入使用，相互補(bǔ)充，故元壩氣田電網(wǎng)選擇2種方式共同作用。

2.4 自動(dòng)重合閘的前加速、后加速研究

重合閘前加速保護(hù)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(dāng)線路上(包括相鄰線路及以后的線路)發(fā)生故障時(shí)，靠近電源側(cè)的保護(hù)首先無(wú)選擇性地瞬時(shí)動(dòng)作于跳閘，而后再靠重合閘來(lái)糾正這種非選擇性動(dòng)作，其缺點(diǎn)是切除永久性故障時(shí)間較長(zhǎng)，裝有重合閘裝置的斷路器動(dòng)作次數(shù)較多，且一旦斷路器或重合閘拒動(dòng)，將使停電范圍擴(kuò)大[20]。

當(dāng)被保護(hù)線路出現(xiàn)故障時(shí)，安全保護(hù)器可以有選擇地把故障線路全部切除，并與此同時(shí)重合閘后動(dòng)作，再重復(fù)一次。當(dāng)重合閘為永久性故障時(shí)，安全保護(hù)器立即可以不帶時(shí)限，無(wú)選擇地按動(dòng)作再次切除斷路器，這種保護(hù)裝置稱為重合閘后動(dòng)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(yīng)盡量避免任何故障均無(wú)選擇性跳開(kāi)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(fēng)險(xiǎn)，重合閘前加速保護(hù)方式不能應(yīng)用，因此選用重合閘后加速。

2.5 自動(dòng)重合閘裝置重要原件研究

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

2.6 改造后自動(dòng)重合閘裝置原理研究

改造后自動(dòng)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(kāi)關(guān)，2SA為自動(dòng)重合閘裝置選擇開(kāi)關(guān)，用于投入和解除自動(dòng)重合閘裝置。線路正常運(yùn)行和自動(dòng)重合閘裝置投入運(yùn)行時(shí)，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(diǎn)均是不接通的，ARD投入工作，QF(1-2)是斷開(kāi)的。重合閘繼電器KAR中電容器C經(jīng)4R充電，C的充電時(shí)間在15～25 s，其通電回路是+WC→2SA→4R→C→-WC，同時(shí)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(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)(速斷或過(guò)電流)動(dòng)作，使跳閘回路通電跳閘，防跳繼電器KTL電流線圈啟動(dòng)，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?yàn)镼F(1-2)閉合，KAR中的KT通電響應(yīng)，KT(1-2)打開(kāi)，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(yīng)狀態(tài)，KT(3-4)經(jīng)過(guò)延時(shí)后閉合，電容器C對(duì)KM線圈放電，使KM響應(yīng)，KM(1-2)打開(kāi)使得HL熄滅，表示KAR發(fā)生了動(dòng)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(dòng)作，2KM輔助觸點(diǎn)閉合。如果故障是瞬時(shí)性的，這時(shí)故障應(yīng)已經(jīng)消失，繼電器保護(hù)不會(huì)再發(fā)生動(dòng)作，則表示重合閘成功。QF(1-2)斷開(kāi)，KAR內(nèi)繼電器都返回，然而后加速繼電器2KM觸點(diǎn)延時(shí)打開(kāi)，如果故障為永久性的，則繼電器保護(hù)動(dòng)作，1KT常開(kāi)閉合，經(jīng)2KM的延時(shí)連通觸點(diǎn)，接通跳閘回路跳閘，QF(1-2)閉合，KT重新響應(yīng)。由于電容器沒(méi)有足夠時(shí)間充滿電，KM就不能動(dòng)作，即便時(shí)間很長(zhǎng)，由于電容器C與KM線圈已經(jīng)并聯(lián)，電容器C不會(huì)充電到電源電壓值，所以自動(dòng)重合閘只會(huì)重新合閘一次。

2.7 自動(dòng)重合閘動(dòng)作時(shí)限整定

單側(cè)電源采用的三相重合閘所需時(shí)間，除了必須大于故障點(diǎn)熄弧的時(shí)間及周圍介質(zhì)去游離的時(shí)間外，還必須大于斷路器及操動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)歸原狀準(zhǔn)備及其再次動(dòng)作的時(shí)間。按照保護(hù)啟動(dòng)方式，其重合閘動(dòng)作時(shí)間整定為：

tch=tt+txyl+ty-th

(1)

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

表1 故障消弧及去游離時(shí)間txyl

根據(jù)斷路器參數(shù)(見(jiàn)表2)可以確定斷路器跳閘、合閘時(shí)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(chǎng)實(shí)際，tch取0.5 s。

2.8 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

自自動(dòng)重合閘功能應(yīng)用以來(lái)，統(tǒng)計(jì)了2021年4—8月，10 kV集輸線路各分支斷路器因雷電、樹(shù)枝剮蹭、鳥(niǎo)類等發(fā)生故障跳閘共計(jì)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(shù)應(yīng)用之前，1處故障查找處置平均用時(shí)4 h，而自動(dòng)重合閘成功僅需500 ms，自動(dòng)重合閘功能有效地避免線路停電，省去了人工到現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位開(kāi)關(guān)的環(huán)節(jié)，提高了整個(gè)氣田電網(wǎng)的安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的人工手動(dòng)合閘方法已經(jīng)嚴(yán)重影響到元壩氣田電網(wǎng)故障的處置效果，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，自動(dòng)重合閘技術(shù)則填補(bǔ)了這一空白，大大提高了氣田電網(wǎng)的故障處置效率。通過(guò)對(duì)自動(dòng)重合閘方式、自動(dòng)重合閘檢測(cè)方式等關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化，研制出符合元壩氣田電網(wǎng)自身特點(diǎn)的斷路器自動(dòng)重合閘技術(shù)，使得單次故障處置時(shí)間從4 h減小到500 ms，具有重要的應(yīng)用和推廣價(jià)值。