張 文，楊 洋，王 杰，吉 喆，劉澤民，黃世強(qiáng)，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(dān)負(fù)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(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人海戰(zhàn)術(shù)對故障線路進(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，而且延長了元壩氣田上游相關(guān)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(yuǎn)程自動化控制系統(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，同時為川西海相高含硫氣田開發(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)是瞬時性短路，如雷電放電[2-3]、潮濕閃絡(luò)[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(fù)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(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(fēng)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(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)斷路器自動合閘關(guān)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(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(qiáng)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(shè)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(yīng)啟動方式和保護(hù)啟動方式[15-16]。

1)斷路器控制狀態(tài)與斷路器位置不對應(yīng)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(yīng)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(guān)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(yīng)啟動重合閘方式稱為“位置不對應(yīng)啟動方式”。

位置不對應(yīng)啟動方式的優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠，可提高供電可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在各級電網(wǎng)中具有良好的運(yùn)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(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，該位置不對應(yīng)啟動方式將失效。

2)保護(hù)啟動方式是用相應(yīng)線路保護(hù)出口觸點(diǎn)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(shí)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(shè)置，同時還能有效地糾正繼電保護(hù)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(hù)啟動方式作為斷路器位置不對應(yīng)啟動方式補(bǔ)充。

綜上所述，上述2種啟動方式在自動重合閘裝置都應(yīng)設(shè)有相應(yīng)投入或退出功能控制，現(xiàn)場根據(jù)不同的運(yùn)行方式來選擇投入或退出，并且可以同時投入使用，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，靠近電源側(cè)的保護(hù)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(diǎn)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(kuò)大[20]。

當(dāng)被保護(hù)線路出現(xiàn)故障時，安全保護(hù)器可以有選擇地把故障線路全部切除，并與此同時重合閘后動作，再重復(fù)一次。當(dāng)重合閘為永久性故障時，安全保護(hù)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(hù)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(yīng)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(fēng)險，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(yīng)用有了方向和基本要求，按上述要求對原FTU控制器進(jìn)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(jìn)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(guān)，2SA為自動重合閘裝置選擇開關(guān)，用于投入和解除自動重合閘裝置。線路正常運(yùn)行和自動重合閘裝置投入運(yùn)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(diǎn)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(dāng)線路發(fā)生故障時，繼電保護(hù)(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?yàn)镼F(1-2)閉合，KAR中的KT通電響應(yīng)，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(yīng)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(yīng)，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(diǎn)閉合。如果故障是瞬時性的，這時故障應(yīng)已經(jīng)消失，繼電器保護(hù)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(diǎn)延時打開，如果故障為永久性的，則繼電器保護(hù)動作，1KT常開閉合，經(jīng)2KM的延時連通觸點(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(diǎn)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(jī)構(gòu)復(fù)歸原狀準(zhǔn)備及其再次動作的時間。按照保護(hù)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(hù)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(shí)際，tch取0.5 s。

2.8 應(yīng)用效果評價

自自動重合閘功能應(yīng)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(shù)應(yīng)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(fù)位開關(guān)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(yán)重影響到元壩氣田電網(wǎng)故障的處置效果，費(fèi)時費(fèi)力，自動重合閘技術(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。通過對自動重合閘方式、自動重合閘檢測方式等關(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)的斷路器自動重合閘技術(shù)，使得單次故障處置時間從4 h減小到500 ms，具有重要的應(yīng)用和推廣價值。