500kV断路器液压弹簧机构闭锁重合闸回路缺陷及改进

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湖南省送变电工程公司的研究人员周勇、李松山,在2017年第9期《电气技术》杂志上撰文指出,智能变电站500kV断路器液压弹簧机构压力低闭锁重合闸回路,存在一定的隐患,可能导致线路保护不能重合闸或导致重合闸的误动作,本文对液压弹簧机构闭锁重合闸回路进行分析并提出改进方法。

1 液压弹簧机构闭锁重合的意义

当线路发生故障,断路器承担隔离故障的功能,如果故障为单相瞬时性故障,为保障供电,线路保护装置一般设置自动重合闸功能,此时断路器在很短的时长内需断开后重新合闸。

一般情况下,液压弹簧机构在储能满的情况下,能够保证断路器在合闸状态下分闸—合闸—分闸的一个标准工作流程,但如果液压弹簧机构由于某些原因导致压力不足时,断路器不但不能断开故障反而会使断路器损坏,使故障进一步扩大化[1]。因此,液压弹簧机构在能量不足时会发出信号闭锁保护装置的重合闸功能。

2闭锁重合闸的典型设计

智能变电站中,“压力低闭锁重合闸”的典型设计为:断路器机构在压力不足的情况下通过压力继电器开出接点至智能终端,智能终端在收到开入后通过GOOSE报文传至保护装置闭锁重合闸,如图1。

图1 压力低闭锁重合闸回路

500kV断路器液压弹簧机构闭锁重合闸回路缺陷及改进

在正常运行的情况下如果储能电机发生故障,压力降低,机构内的压力低行程继电器动作,CK1C接点导通从而闭锁重合闸[2]。

液压弹簧机构的压力低接点一般分为三组,压力由高至低分别是:压力低闭锁重合闸;压力低闭锁合闸;压力低闭锁分闸。

由于断路器本身的分合闸需要能量,当断路器机构由于本身的分合闸而导致压力低时,接点的导通情况与断路器的动作之间有如下关系:

图2 断路器操作时与压力低接点的关系

500kV断路器液压弹簧机构闭锁重合闸回路缺陷及改进

由上图可知,机构压力低信号与断路器操作时的关系分为两种情况:1)当断路器本身在合闸状态时,其断开后“闭锁重合”接点导通,再合闸后“闭锁合闸”接点导通,最后再断开“闭锁分闸”接点导通;2)当断路器本身处在分位时,其合闸后“闭锁重合闸”接点导通,再断开“闭锁合闸”接点导通。

3 设计中的缺陷

断路器合闸位置运行时,如线路发生单相接地瞬时故障,此时断路器先跳开然后马上重合,从图2中可以看出,断路器断开后机构释能,接点导通瞬时发出“闭锁重合闸”的信号,实际上是与保护的动作行为相违背的,保护需要断路器重合,而机构却闭锁重合,显然是不符合逻辑的,会导致断路器重合闸不成功,造成缺相运行,三相不一致动作,从而影响线路的正常供电。

设计中针对此缺陷的处理方法是将“闭锁重合闸”接入保护延时开入,从而使保护躲过闭锁开入,确保重合闸成功。[3]由于智能变电站中,闭锁重合闸延时开入虚端子的不确定性,经常会导致重合闸的不成功。[4]第二种处理方式是将“闭锁重合闸”的开入接至断路器机构的“闭锁合闸”接点。

从图2可以看出,此设计更改后,当断路器由合到分时并不会闭锁重合闸,需等重合闸成功后才发出闭锁重合闸信号至保护,此时断路器机构与保护装置不再产生逻辑冲突,貌似解决了问题。

但是这样的更改有一个更大的隐患:由图2可知,当路断路器储能电机发生故障,断路器由分闸变合闸时,此时机构应发闭锁重合闸信号,如果设计将线路保护实际的“闭锁重合”开入改至机构的闭锁合闸,那么此时断路器机构还不会向保护装置发“闭锁重合”信号,需等断路器再次分开后才能发出,但当断路器分开后,机构的“闭锁合闸”接点会直接断开操作回路从而使断路器合闸不成功,而此时线路保护的重合闸已经启动,从而发生重合闸的误动作。

因此,断路器机构的“闭锁重合闸”回路正确的导通情况应该是:在断路器从分闸到闸位时必须导通,而由合位至分位时应断开。

4 液压弹簧机构的原理

断路器弹簧机构不能满足上述要求,是由断路器的储能机构决定的,由于闭锁接点是通过液压能量值来反应,具体是反应在液压机构的行程接点上,如图3所示:

图3 断路器液压行程辅助接点图

500kV断路器液压弹簧机构闭锁重合闸回路缺陷及改进

图4 液压机构释能行程图

500kV断路器液压弹簧机构闭锁重合闸回路缺陷及改进

断路器机构分合闸动作释放能量,带动行程开关触发报警继电器从而达到闭锁的目的。[5]接点的触发顺序是通过释放能量的多少来决定的,如果满足断路器机构的“闭锁重合闸”接点在断路器合闸一次后必须导通,而分闸一次不导通的要求,就必须是断路器机构合闸释放的能量比分闸小,合闸行程比分闸行程短,从而可以将“闭锁重合闸”的行程接点设置在合闸与分闸之间,但是分闸能量必定大于合闸能量,我们可以从断路器机构分合闸的行程中看出这一点[6]。

由图4可以明显看出,断路器分闸耗能多行程较长,因此如果需“闭锁重合闸”分闸后不导通而合闸导通,通过行程接点是无法实现的。

5 解决方法建议

在断路器液压机构发生故障不能储能,同时压力发生自然或故障性泄漏时,由于故障原因不明,不能保证断路器的后续分合闸能量,漏压至闭锁接点导通时,机构发信闭锁保护重合闸。现讨论如何让断路器机构在正常分闸时不发出“闭锁重合闸”信号。

线路在发生瞬时性单相故障时,保护单相跳开后,故障消除后需马上重合,保证供电,因此在机构正常的情况下,正常的单相跳闸不应闭锁保护重合闸,解决的方案为:在机构的压力低接点采用延时闭合继电器接点,并在闭锁回路中串联接入保护跳闸常闭接点,从而屏蔽断路器在正常跳开后的闭锁信号。

图5 更改后的闭锁回路图

500kV断路器液压弹簧机构闭锁重合闸回路缺陷及改进

如上图所示,断路器液压机构压力低接点使用延时闭合接点,当线路无故障,断路器不动作,而储能机构发生故障压力缓慢降低时,延时继电器接点延时200ms导通,此时由于线路保护不动作,TJC接点处于闭合状态,整个闭锁回路导通,从而闭锁重合闸。

而当储能机构正常工作,线路发生瞬时性故障断路器跳开后,由于液压机构释能,CK1C接点延时闭合,TJC接点在线路保护动作后瞬时打开,断开整个闭锁回路,保护不会收到闭锁重合闸命令,从而保证线路的顺利重合[7]-[9]。

6 结论

重合闸是保证电力系统稳定运行的重要功能,重合闸不论是误动还是拒动都会给电力系统的稳定带来隐患,以往的设计思路中,对于不应该闭锁重合闸的回路,只是简单的通过延时虚端子的方法来避免,这样只是隐藏了线路运行的隐患,本文提出设计思路虽不能再根本上解决问题,但在重合闸的回路中可以作为参考[10],能够进一步的避免重合闸的误动作,保证线路的稳定运行。

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