自动重合闸装置设计

自动重合闸装置 目 录 1 选背景 .................................................................. 1 1.1 指导思想 ............................................................ 1 1.2 设计目的及内容 ...................................................... 1 2 论证 .................................................................. 1 2.1 自动重合闸的概念 .................................................... 1 2.1.1 自动重合闸装置的概念 ........................................... 1 2.1.1 重合闸装置的分类 ............................................... 2 2.2 自动重合闸的基本要求 ................................................ 3 2.3 自动重合闸的分类 ........................................................ 3 2.4 自动重合闸的选择 .................................................... 4 2.4.1 三相普通一次重合闸方式 ......................................... 4 2.4.2 单相重合闸及综合重合闸方式 ..................................... 4 2.5 三相自动重合闸保护原理 .................................................. 4 2.6 三相自动重合闸保护的意义 ................................................ 5 3 过程论述 .................................................................. 5 3.1 原始资料的分析 ...................................................... 5 3.2 重合闸时限的整定 .................................................... 6 3.2.1 重合闸时限的整定原则 ........................................... 6 3.2.2 HP线路重合闸启动时间的整定 .................................... 7 3.2.3 N、H母线侧重合闸启动时间的整定 ................................ 7 3.2.4 MN线路的M侧、N侧重合闸启动时间的整定 ......................... 8 4 重合闸与继电保护的配合 .................................................... 9 4.1 重合闸前加速保护 .................................................... 9 4.2 重合闸后加速保护 ................................................... 10 5 结果分析 ................................................................. 11 6 总结 ..................................................................... 11 参考文献 ................................................................... 12 1 选题背景 1.1 指导思想 系统事故的发生除了由于自然条件的因素[如遭受雷击等]以外，一般 都是由于设备制造上的缺陷，设计和安装上的错误。检修质量不高或运行 维护不当而引起的。因此，只要发挥人的主观能动性，正常地掌握客观规 律，加强对设备的维护和检修，就可以大大减少事故发生的机率把事故发 生消灭在发生之前。 1.2 设计目的及内容 1.2.1 设计目的 在完成了继电保护理论学习的基础上，为了进一步加深对理论知识的 理解，通过此次线路保护自动重合闸保护的设计，巩固所学的理论知识， 提高解决问题的能力。 1.2.2 设计内容 (1) 分析三相自动重合闸保护原理，重合闸的意义; (2) 进行HP线路重合闸启动时间计算; (3) 进行N、H母线侧重合闸启动时间计算; (4) 进行MN线路的M侧、N侧重合闸启动时间计算; 2 方案论证 2.1 自动重合闸的概念 当输电线路上发生故障后继电保护装置将断路器跳开，经过预定的延时后，能够自动地将跳开的断路器重新合闸。若线路发生瞬时性故障跳闸时，当瞬时性故障消失后，自动重合闸装置能在极短的时限内重新合上线路断路器，恢复线路的正常供电。若线路发生永久性故障时，则自动重合闸不成功，故障线路再次跳闸，迅速切除故障线路，保证其他运行线路的供电。 2.1.1 自动重合闸装置的概念 自动重合闸装置(ZCH)又称自动重合器，是用于配电网自动化的一种智能化开关设 1 备，它能够检测到故障电流、在给定时间内断开故障电流并能进行给定次数重合的一种“自具”能力的控制开关。所谓“自具”是只重合闸装置本身具有故障电流检测和操作顺序控制与执行的能力，无需附加继电保护装置和另外的操作电源，也不需要和外界通信。 自动重合闸作用: (1)在电力系统中采用了自动重合闸装置，即是当断路器由继电保护动作或其它非人工操作而跳闸后，能够自动控制断路器重新合上的一种装置。大大提高供电的可靠性，减少线路停电的次数。 (2)在高压输电线路上采用重合闸，可以提高电力系统并列运行的稳定性。 (3)在架空线路上采用重合闸，可以暂缓架设双回线路，以节约投资。对断路器本身由于机构不良或继电保护误动作而引起的误跳闸，也能起纠正的作用。 但是，当重合于永久性故障上时，它也将带来一些不利的影响，如: (1)使电力系统又一次受到故障的冲击。 (2)由于断路器在很短的时间内，连续切断两次短路电流，而使其工作条件变得更加恶劣。 2.1.1 重合闸装置的分类 按照不同的的分类，重合闸装置有如下一些分类: (1)按相分类——单相和三相。 两者动作原理类似，使用时根据配电网结构不同而进行选择，对于三相中性点不接地系统，一般不宜采用单相重合闸装置，否则造成非三相运行;单相重合器主要用于中性点直接接地系统，允许电气设备作为单相运行。 (2)按结构分类——整体式和分布式。 所谓整体式是指重合闸装置中得断路器本体与其控制部分是密不可分的。整体式重合闸装置采用高压(10KV)操动机头，可用于户外10KV电杆上，无需另外的操作电源，直接由所控制的10KV线路供给;但因为采用高压合闸线圈，对绝缘水平要求高，有时会因绝缘水平难以保证导致线圈发热，匝间绝缘损坏，造成重合闸装置爆炸的事故。 (3)按灭弧介质分——油、真空、SF6。 油重合闸装置出现的最早，运行历史最长，一般采用液压控制。油重合闸装置有两个固有缺点:因油属非自恢复绝缘介质，故其维修较频繁，至少3年需要换油、检修一次;有火灾危险。现在来看其技术相对落后，国内已基本淘汰。 真空灭弧室于20世纪60年代用于重合闸装置设计。真空灭弧室的有点是开断寿命长，无需检修，无火灾危险。到了90年代后期，随着真空泡制造技术的飞速发展，真空重合闸装置已逐步成为国内外重合闸装置市场上的主流产品。 SF6重合闸装置将干燥的SF6充入密闭的开关本体中，作为开关设备的绝缘和灭弧介质。SF6气体具有极好的绝缘和灭弧性能，但其分解物具有一定的毒性，其本身也是温室效应的主要因素之一，如果泄漏将会对人和环境造成一定的损害，因此做好开关箱体的密 2 封和SF6气体的回收、处理工作。 (4)按控制方式分类——液压控制、电子控制. 液压控制有单液压系统和双液压系统两种。液压控制的主要有点是简单、可靠、经济、耐用，不受电磁的干扰，这些优点对于农村电网和距离配电站较远的设备很有用。液压控制的缺点，是保护特性无法做到足够稳定、精确和快速，选择范围窄，受温度影响较大，特性调整不方便等。 按重合闸的控制器安装方式分类 (a)室外就地安装:安装在断路器下面的水泥杠上。 (b)集控态势安装:室内集中控制，安装在集控台内。 (c)集控屏式安装:安装在集控屏内。 (d)10KV配电线路:安装在电杆上，并配有装用电源给重合闸装置供交流220V电源。 2.2 自动重合闸的基本要求 (1)在下列情况下，重合闸不应动作: (a)由值班人员手动跳闸或通过遥控装置跳闸时; (b) 手动合闸，由于线路上有故障，而随即被保护跳闸时。 (2)除上述两种情况外，当断路器由继电保护动作或其他原因跳闸后，重合闸均应动作，使断路器重新合上。 (3)自动重合闸装置的动作次数应符合预先的规定，如一次重合闸就只应实现重合一次，不允许第二次重合。 (4)自动重合闸在动作以后，一般应能自动复归，准备好下一次故障跳闸的再重合。 (5)应能和继电保护配合实现前加速或后加速故障的切除。 (6)在双侧电源的线路上实现重合闸时，应考虑合闸时两侧电源间的同期问题，即能实现无压检定和同期检定。 (7)当断路器处于不正常状态(如气压或液压过低等)而不允许实现重合闸时，应自动地将自动重合闸闭锁。 (8)自动重合闸宜采用控制开关位置与断路器位置不对应的原则来启动重合闸。 2.3 自动重合闸的分类 (1)按重合闸的动作来分，可分为电气式和机械式; (2)按重合闸作用于断路器的方式，可分为三相普通重合闸，单相重合闸和综合重合闸三种; (3)按重合闸的构成原理来分，可分为电磁式，晶体管式，集成电路式，数字(微机)式; (4)按动作次数来分，可分为一次式和多次式; (5)按使用条件来分，可分为单电源重合闸和双侧电源重合闸，双侧电源重合闸又可分 3 为检定无压重合闸;检定同期和不检定三种。 2.4 自动重合闸的选择原则 2.4.1 三相普通一次重合闸方式 (1)按重合闸的动作来分，可分为电气式和机械式; (2)按重合闸作用于断路器的方式，可分为三相普通重合闸，单相重合闸和综合重合闸三种; (3)按重合闸的构成原理来分，可分为电磁式，晶体管式，集成电路式，数字(微机)式; (4)按动作次数来分，可分为一次式和多次式; (5)按使用条件来分，可分为单电源重合闸和双侧电源重合闸，双侧电源重合闸又可分为检定无压重合闸;检定同期和不检定三种。 2.4.2 单相重合闸及综合重合闸方式 (1)适用于220KV 及以上的电网中，当发生单相接地故障时，如果使用三相重合闸不能保证系统的稳定性，或者地区系统会出现大面积停电#或者会导致重要负荷停电时，特别是大型机组的高压配电线路。 (2)使用三相重合闸的线路，在使用单相重合闸时对系统恢复供电有较好的效果时。 2.4.3 检定无压或检定同期重合闸方式 (1)适用于两端均有电源的线路以及不允许非同期合闸的线路。 (2)双回线路上可直接检定另一回线路上有电流来判定同期。 2.4.4 非同期重合闸方式 (1)并列运行的发电厂或电力系统之间应有三条或三条以上紧密联系的线路。 (2)非同期重合闸时产生的冲击电流未超过规定的允许值。 (3)重合后电力系统可以很快恢复同期运行时。 (4)在非同期重合闸所产生的振荡过程中，对重要负荷的影响较小时。 2.5 三相自动重合闸保护原理 按照自动重合闸装置作用于断路器的方式可分为三相重合闸、单相重合闸、综合重合闸和分相重合闸。本设计采用三相自动重合闸方式来对输电线路进行保护，以下重点对三相自动重合闸保护的原理进行分析和解剖。 三相重合闸，是指不论在输、配电线上发生单相短路还是相间短路时，继电保护装置均将线路三相断路器同时跳开，然后启动自动重合闸再同时重新合三相断路器的方式。 如下图2-1所示为单侧电源送电线路三相一次重合闸的工作原理框图，主要由重合闸启动、重合闸时间、一次合闸脉冲、手动跳闸后闭锁、手动合闸于故障时保护加速跳闸等元件组成。具体的工作过程分析如下: 4 图2-1 单侧电源送电线路三相一次重合闸的工作原理框图 (1) 重合闸启动。当断路器由继电保护动作跳闸或其他非手动原因而跳闸后，重合闸均应启动。在正常情况下，当断路器由合闸位置变为分闸位置时，立即发出启动指令。 (2) 重合闸时间。启动元件发出启动指令后，时间元件开始记时，达到预定的延时后，发出一个短暂的合闸命令。这个延时即重合闸时间，可以对其整定。 (3) 一次合闸脉冲。当延时时间到后，它立即发出一个可以合闸的脉冲命令，并且开始记时，准备重合闸的整组复归，复归时间一般为15s,25s。 (4) 手动跳闸后闭锁。当手动跳开断路器时，也会启动重合闸回路，为此需设置闭锁环节，使其不能形成合闸命令。 (5) 重合闸后加速保护跳闸回路。对于永久性故障，在保证选择性的前提下，尽可能地加快故障的再次切除，需要保护与重合闸配合。 2.6 三相自动重合闸保护的意义 采用重合闸的目的有两点:一是保证并列运行系统的稳定性;二是尽快恢复瞬时故障元件的供电，从而自动恢复整个系统的正常运行。 电力系统的实际运行经验表明，在输电网中发生的故障大多是暂时性的，如雷击过电压引起的绝缘子表面闪络，树枝落在导线上引起的短路，大风时的短时碰线，通过鸟类的身体放电等。发生此类故障时，继电保护若能迅速使断路器跳开电源，故障点的电弧即可熄灭，绝缘强度重新恢复，原来引起故障的树枝、鸟类等也被电弧烧掉而消失。这时若重新合上断路 器，往往能恢复供电。因此常称这类故障为暂时性故障。对于暂时性故障，自动重合闸能恢复供电，从而可减少停电时间，提高供电的可靠性。当输电线路发生故障时，自动重合闸装置本身并不能判断故障是暂时性的还是永久性的，因此，在重合之后，可能成功(恢复供电)，也可能不成功。重合成功的次数与总动作次数之比称为重合闸的成功率。根据运行资料统计，输电线路自动重合闸的成功率，在60%,90%。2001年220KV电网运行资料统计，重合闸正确率99.57%。在输电线路上采用自动重合闸概括起来有以下几方面的作用: (1) 在输电线路发生暂时性故障时，能迅速恢复供电，从而能提高供电的可靠性。 (2) 对于双侧电源的输电线路，可以提高系统并列运行的稳定性。 (3) 在电网的设计与建设过程中，有些情况下由于考虑重合闸的作用，可以暂缓架设双回线路，以节约投资。 (4) 可以纠正由于断路器本身机构的问题或继电保护误动作引起的误跳闸。 由于重合闸装置本身的投资很低，工作可靠，因此在电力系统中获得广泛的应用。 3 过程论述 3.1 原始资料的分析 5 如图110KV的单侧电源网络装设重合闸方案。其保护配置有阶段式距离、零序保护，保护装置的动作时间，除瞬时段和后备段保护外，还有足够灵敏系数的第II段保护动作时间标示见图;已知断路器跳闸时间0.15s， 消弧及去游离时间0.22s，时间裕度0.5s，断路器合闸时间0.5s。其他参数如图。 图3-1 110KV的单侧电源网络装设重合闸方案 3.2 重合闸时限的整定 3.2.1 重合闸时限的整定原则 在电力系统广泛使用的重合闸都不区分故障是瞬时性的还是永久性的。对于瞬时性故障，必须等待故障点的消除、绝缘强度恢复后才有可能重合成功。对于永久性故障，除考虑上述时间外，还要考虑重合到永久故障后断路器内部的油压、气压的恢复以及绝缘介质绝缘强度的恢复等，保证断路器能够再次切断短路电流。按以上原则确定的最小时间称为最小合闸时间，实际使用的重合闸时间必须大于这个时间，根据重合闸在系统中的主要作用计算确定。 一般重合闸的最小时间按下述原则确定: (1) 在断路器跳闸后负荷电动机向故障点反馈电流的时间;故障点的电弧熄灭并使周围介质恢复绝缘强度所需要的时间。 (2) 在断路器跳闸熄弧后，其触头周围绝缘强度的恢复以及灭弧室重新充满油、气需要的时间，同时其操动机构恢复原状准备好再次动作需要的时间。 (3) 如果重合闸是利用继电保护跳闸出口启动，其动作时限还应加上断路器的跳闸时间。 根据我国一些电力系统的运行经验，重合闸的最小时间是0.3,0.4s。 目前系统中重合闸的时间整定主要考虑以下因素: (1)单侧电源线路的三相重合闸时间除应大于故障点断电去游离时间外，还应大于断路器及操作机构复归原状准备好再次动作的时间; 6 (2)双侧电源线路的三相重合闸时间除了考虑单侧电源线路重合闸的因素外，还应考虑线路两侧保护装置以不同时间切除故障的可能性; (3)对分支线路，在整定重合闸时间时，尚应考虑对侧和分支侧断路器相继跳闸的情况下，故障点仍有足够的断电去游离时间; (4)为提高线路重合成功率，可酌情延长重合闸动作时间。 考虑以上整定原则后，重合闸的整定时间等于线路对侧有足够灵敏度系数的延时段保护的动作时间，加上故障点足够断电去游离时间和一定的时间裕度，再减去断路器合闸固有时间，即 tz?min?t???td??t?tk (3-1) 式中: tz?min表示最小重合闸整定时间; t??表示对侧保护延时动作时间; td表示断电去游离时间; ?t表示一定的时间裕度; tk表示断路器合闸固有时间; 考虑到线路两侧的保护可能以不同时限切除故障，并从最不利的情况出发，每一侧的重合闸都应该以本侧先跳闸、对侧后跳闸来作为整定时间的依据。 一般公式表示为: tARD?tpr?2?tQF2?tpr?1?tQF1?tu (3-2) 式中: tARD:先跳闸一侧重合闸装置ARD的动作时限; tpr.2:对侧距离保护二段或三段的动作时间，本系统取其二段动作时间; tQF2:对侧断路器的动作时间; tpr.1:本侧距离保护一段的动作时间; tQF1:本侧断路器的动作时间; tu: 故障点灭弧和周围介质去游离时间 3.2.2 HP线路重合闸启动时间的整定 根据原始资料知: t???1s、td?0.22s、?t?0.5s、tk?0.5s 则最小整定时间为: tz?min?t???td??t?tk?1?0.22?0.5-0.5?1.22s 3.2.3 N、H母线侧重合闸启动时间的整定 每一侧的重合闸都应该以本侧先跳闸而对侧后跳闸来作为考虑整定时间的依据。 7 (1)N母线侧重合闸启动时间 根据原始资料知: tpr.2?0.6s、tQF2?0.5s、tQF1?0.15s、tu?0.22s 距离保护一段的动作时间取tpr.1?0s; 则整定时间为: tARD?tpr?2?tQF2?tpr?1?tQF1?tu?0.6?0.5-0-0.15-0.22?0.64s (2)H母线侧重合闸启动时间 根据原始资料知: tpr.2?0.1s、tQF2?0.5s、tQF1?0.15s、tu?0.22s 距离保护一段的动作时间取tpr.1?0s; 则整定时间为: tARD?tpr?2?tQF2?tpr?1?tQF1?tu?0.1?0.5-0-0.15-0.22?0.23s 3.2.4 MN线路的M侧、N侧重合闸启动时间的整定 (1)M侧重合闸启动时间 根据原始资料知: tpr.2?0.1s、tQF2?0.5s、tQF1?0.15s、tu?0.22s 距离保护一段的动作时间取tpr.1?0s; 则整定时间为: tARD?tpr?2?tQF2?tpr?1?tQF1?tu?0.1?0.5-0-0.15-0.22?0.23s (2)N侧重合闸启动时间 根据原始资料知: tpr.2?1.5s、tQF2?0.5s、tQF1?0.15s、tu?0.22s 距离保护一段的动作时间取tpr.1?0s; 则整定时间为: tARD?tpr?2?tQF2?tpr?1?tQF1?tu?1.5?0.5-0-0.15-0.22?1.63s 8 4 重合闸与继电保护的配合 为了能尽量利用重合闸所提供的条件以加速切除故障，继电保护与之配合时，一般采用如下两种方式: 4.1 重合闸前加速保护 重合闸前加速保护一般又简称为“前加速”。如图4-1所示的网络接线。 图4-1重合闸前加速网络接线 假定在每条线路上均装设过电流保护，其动作时限按阶梯型原则来配合。因而，在靠近电源端保护3 处的时限就很长。为了能加速故障的切除，可在保护3 处采用前加速的方式，即当任何一条线路上发生故障时，第一次都由保护3 瞬时动作予以切除。如果故障是在线路A-B 以外(如dl 点)，则保护3 的动作都是无选择性的。但断路器3 跳闸后，即起动重合闸重新恢复供电，从而纠正了上述无选择性的动作。如果此时的故障是瞬时性的，则在重合闸以后就恢复了供电。如果故障是永久性的，则故障由保护1 或2 切除，当保护2 拒动时，则保护3 第二次就按有选择性的时限13 动作于跳闸。为了使无选择性的动作范围不扩展的太长，一般规定当变压器低压侧短路时，保护3 不应动作。因此，其起动电流还应按照躲开相邻变压器低压侧的短路来整定。 采用前加速的优点是: (1)能够快速地切除瞬时性故障; (2)可能使瞬时性故障来不及发展成永久性故障，从而提高重合闸的成功率; (3)能保证发电厂和重要变电所的母线电压在0 . 6~0 . 7 倍额定电压以上，从而保证厂用电和重要用户的电能质量; (4)使用设备少，只需装设一套重合闸装置，简单、经济。 前加速的缺点是: (1)断路器工作条件恶劣，动作次数较多; (2)重合于永久性故障上时，故障切除的时间可能较长; 9 (3)如果重合闸装置或断路器3 拒绝合闸，则将扩大停电范围。甚至在最末一级线路上故障时，都会使连接在这条线路上的所有用户停电。 前加速保护主要用于35kV 以下由发电厂或重要变电所引出的直配线路上，以便快速切除故障，保证母线电压。在这些线路上一般只装设简单的电流保护。 4.2 重合闸后加速保护 重合闸后加速保护一般又简称为“后加速”，所谓后加速就是当线路第一次故障时，保护有选择性动作，然后，进行重合。如果重合于永久性故障上，则在断路器合闸后，再加速保护动作，瞬时切除故障，而与第一次动作是否带有时限无关。 “后加速”的配合方式广泛应用于35kV 以上的网络及对重要负荷供电的送电线路上。因为，在这些线路上一般都装有性能比较完善的保护装置，例如，三段式电流保护、距离保护等，因此，第一次有选择性地切除故障的时间(瞬时动作或具有0 . 55 的延时)均为系统运行所允许，而在重合闸以后加速保护的动作(一般是加速第H 段的动作，有时也可以加速第111 段的动作)，就可以更快地切除永久性故障。 后加速的优点是: (1)第一次是有选择性的切除故障，不会扩大停电范围，特别是在重要的高压电网中，一般不允许保护无选择性的动作而后以重合闸来纠正; (2)保证了永久性故障能瞬时切除，并仍然是有选择性的; (3)和前加速保护相比，使用中不受网络结构和负荷条件的限制，一般说来是有利而无害的。 后加速的缺点是: (1)每个断路器上都需要装设一套重合闸，与前加速相比较为复杂; (2)第一次切除故障可能带有延时。 重合闸后加速过电流保护的原理接线如图4-2 所示。 图4-2 加速过电流保护的原理接线 图中LJ 为过电流继电器的触点，当线路发生故障时，它起动时间继电器SJ ，然后经整定的时限后SJZ 触点闭合，起动出口继电器ZJ 而跳闸。当重合闸以后，如前分析， 10 JSJ 的触点将闭合1s 的时间，如果重合于永久性故障上，则LJ 再次动作，此时即可由时间继电器的瞬时常开触点Sjl 、压板L 尸和JSJ 的触点串联而立即起动ZJ 动作于跳闸，从而实现了重合闸以后使过电流保护加速的要求。 5 结果分析 电力系统中，自动重合闸具有以下经济效益: (1)大大提高供电可靠性，减少线路停电的次数，特别是对单侧电源的单回路尤为显著; (2)在高压输电线路上采用重合闸，还可以提高电力系统并列运行的稳定性，从而提高传送容量。 (3)对于短路器本身由于机构不良或继电保护误动作引起的跳闸，也能起纠正的作用。 6 总结 11 参考文献 [1] 《电力系统继电保护原理》 天津大学 贺家李 宋从矩 [2] 《电力系统继电保护配置及整定计算》 成都科技大学电力工程系 潘和勋 [3] 《电力系统继电保护》中国电力出版社 张保会 [4] 《对整定线路重合闸时间的讨论》袁宇春 12