1 電弧故障保護(hù)運(yùn)行問題
1.1 電弧故障保護(hù)的作用及意義
以主接線采用雙母線形式的五七變35kV 系統(tǒng)為例（一次接線如圖1），所安裝的12 臺(tái)ABB 公司生產(chǎn)的GIS 開關(guān)設(shè)備,每個(gè)都有一個(gè)斷路器氣室和兩個(gè)母線氣室，均為獨(dú)立氣室，分別安裝了一只氣體壓力傳感器，額定工作壓力為130kPa。當(dāng)氣室壓力低到120kPa 時(shí)，啟動(dòng)低氣壓報(bào)警；當(dāng)氣室壓力達(dá)到150kPa 時(shí)，啟動(dòng)過氣壓報(bào)警；當(dāng)氣室壓力突然達(dá)到190 kPa 時(shí)，判斷為罕見的內(nèi)部燃弧故障，啟動(dòng)電弧故障保護(hù)，快速反應(yīng)電弧故障，第一時(shí)間內(nèi)使開關(guān)動(dòng)作跳閘，切斷短路電流。如果沒切除電弧故障，達(dá)到200kPa 時(shí)壓力釋放盤打開釋放氣體以保護(hù)GIS 氣室設(shè)備。
圖1 五七變電站35kV 一次系統(tǒng)接線圖
1.2 電弧故障保護(hù)的保護(hù)動(dòng)作原理
各SF6 氣室氣壓的壓力傳感器所有常閉接點(diǎn)串聯(lián)后，再與電弧故障啟動(dòng)繼電器的線圈串聯(lián)，該繼電器的常閉接點(diǎn)接入開關(guān)故障跳閘回路。正常運(yùn)行時(shí)，所有壓力傳感器常閉接點(diǎn)閉合，電弧故障啟動(dòng)繼電器線圈帶電動(dòng)作，繼電器常閉接點(diǎn)斷開，切斷開關(guān)故障跳閘回路；當(dāng)某一氣室發(fā)生電弧短路故障時(shí)，氣體壓力傳感器的檢測(cè)壓力達(dá)到190kPa 時(shí)，其常閉接點(diǎn)打開，電弧故障啟動(dòng)繼電器線圈失電復(fù)歸，其繼電器常閉接點(diǎn)閉合，接通開關(guān)故障跳閘回路，使開關(guān)動(dòng)作跳閘。如圖2 電弧故障保護(hù)起動(dòng)、跳閘回路所示。
圖2 電弧故障保護(hù)起動(dòng)、跳閘回路
1.3 電弧故障保護(hù)原設(shè)計(jì)方案
各SF6 氣室氣壓的壓力傳感器所有常閉接點(diǎn)如K701.1、K701.2、K701.3（此3 對(duì)接點(diǎn)為五31 柜3個(gè)氣室的）串聯(lián)后，再與電弧故障啟動(dòng)繼電器KC14（KC15）（安裝在進(jìn)線五31 和五32 柜各1 組）的線圈串聯(lián)，該繼電器的常閉接點(diǎn)21、22 接入電源進(jìn)線（KC14）及母聯(lián)（KC15）開關(guān)故障跳閘回路。
正常運(yùn)行時(shí)，所有壓力傳感器常閉接點(diǎn)閉合，電弧故障啟動(dòng)繼電器線圈帶電動(dòng)作，繼電器常閉接點(diǎn)斷開，切斷開關(guān)故障跳閘回路；當(dāng)某一氣室發(fā)生電弧短路故障時(shí)，氣體壓力傳感器的檢測(cè)壓力達(dá)到190kPa 時(shí)，其常閉接點(diǎn)打開，電弧故障啟動(dòng)繼電器線圈失電復(fù)歸，其繼電器常閉接點(diǎn)閉合，接通35kV進(jìn)線五31、五32 和母聯(lián)五33 開關(guān)故障跳閘回路，使開關(guān)動(dòng)作跳閘。
1.4 電弧故障保護(hù)運(yùn)行問題
由于電弧保護(hù)以保護(hù)開關(guān)柜為優(yōu)先，以及受到該35kV 系統(tǒng)是雙母線運(yùn)行方式及需要非常靈活地調(diào)整運(yùn)行方式等設(shè)備限制，造成以下運(yùn)行問題：
（1）當(dāng)35kV GIS 開關(guān)柜進(jìn)線開關(guān)直流電源失電時(shí)，電弧故障啟動(dòng)繼電器KC14 和KC15 線圈失電復(fù)歸，繼電器常閉接點(diǎn)閉合，接通開關(guān)故障跳閘回路，由于保護(hù)電源同時(shí)失電，開關(guān)不會(huì)動(dòng)作；但此時(shí)如送上開關(guān)柜直流電源，保護(hù)電源受電，而電弧故障啟動(dòng)繼電器常閉接點(diǎn)21、22 還來不及動(dòng)作打開，開關(guān)故障跳閘回路仍然接通，就造成開關(guān)誤動(dòng)跳閘。
（2）出于保護(hù)設(shè)備的目的，發(fā)生電弧短路故障時(shí)，必須切斷所有可能的電源進(jìn)線及母聯(lián)開關(guān)。用于檢測(cè)各SF6 氣室氣壓的壓力傳感器所有常閉接點(diǎn)串聯(lián)，在任一開關(guān)的其中一個(gè)氣室發(fā)生電弧短路故障時(shí)，按設(shè)計(jì)要求，都會(huì)使35kV 進(jìn)線五31、五32和母聯(lián)五33 開關(guān)同時(shí)跳閘，造成五七變35kV 系統(tǒng)全部失電，經(jīng)常是擴(kuò)大了事故范圍。
（3）此保護(hù)未結(jié)合我廠電力系統(tǒng)的具體運(yùn)行方式，按照五七變35kV 系統(tǒng)的電源只由主變35kV 側(cè)進(jìn)線開關(guān)提供的方式考慮，在設(shè)計(jì)電弧故障保護(hù)時(shí)，只設(shè)置了跳主變35kV 側(cè)進(jìn)線（五31、五32）和母聯(lián)開關(guān)，而實(shí)際上，五七變35kV 系統(tǒng)也可能由丙烯變經(jīng)過五丙聯(lián)絡(luò)線五35、五39 回路作為電源進(jìn)線，我廠自備電站也經(jīng)常通過二變五34、五40 回路向五七變35kV 系統(tǒng)反送電。因此，在原設(shè)計(jì)情況下運(yùn)行必然出現(xiàn)GIS 設(shè)備較長(zhǎng)時(shí)間面臨電弧故障的惡劣事故.因而必須對(duì)這些柜也增加電弧故障保護(hù)。具體見圖1 五七變電站35kV 一次主接線圖。
2 電弧故障保護(hù)改進(jìn)分析
2.1 改進(jìn)分析
為消除上述隱患，保證我廠電力系統(tǒng)今后的安全運(yùn)行，對(duì)五七變35kV 系統(tǒng)電弧故障保護(hù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。
每個(gè)電弧故障保護(hù)增設(shè)過流保護(hù)來起動(dòng)，在直流電源消失后重新送電時(shí),因?yàn)殡娏鳑]變化不會(huì)達(dá)到過流動(dòng)作條件,原來電弧故障保護(hù)的電源恢復(fù)誤跳就可以避免。
同時(shí)也可以利用電源進(jìn)線開關(guān)過流元件動(dòng)作與否來判斷故障范圍：即故障側(cè)電源進(jìn)線開關(guān)過流元件動(dòng)作，起動(dòng)電弧故障保護(hù)跳閘；非故障側(cè)電源進(jìn)線開關(guān)過流元件不動(dòng)作，也就不會(huì)起動(dòng)電弧故障保護(hù)。再采用過流無延時(shí)動(dòng)作保證快速保護(hù)的要求。
考慮丙烯變電站經(jīng)五35、五39 回路向五七變35kV 系統(tǒng)供電的可能，同時(shí)考慮我廠自備電站通過五34、五40 回路向五七變35kV 系統(tǒng)供電的可能，將以上四條回路也設(shè)置與五七變主變35kV 側(cè)進(jìn)線開關(guān)（五31、五32）同樣的電弧故障保護(hù)（利用進(jìn)線柜的K14、K15 的接點(diǎn)）。
由于雙母線的運(yùn)行方式非常靈活，任一氣室電弧故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)，為故障氣室供電的電源進(jìn)線開關(guān)還不能再設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的區(qū)分故障范圍的方案,故全部滿足條件的開關(guān)都跳閘，因此故障氣室的停電不再同時(shí)跳開35kV 母聯(lián)開關(guān)（原來用于母聯(lián)的K15改為給其他柜用）。
為保證同時(shí)滿足上述要求，對(duì)五七變35kV 系統(tǒng)電弧故障保護(hù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行以下改進(jìn)：電弧故障跳閘回路中，增設(shè)不帶延時(shí)的過流保護(hù)來起動(dòng)電弧故障保護(hù)。原理圖如圖3 電源進(jìn)線開關(guān)電弧故障跳閘回路。
圖3 電源進(jìn)線開關(guān)電弧故障跳閘回路
該圖為電源進(jìn)線開關(guān)電弧故障跳閘回路改進(jìn)方案。五31、五32、五35、五39、五34、五40 開關(guān)獨(dú)立設(shè)置于各二次回路，圖中OUT 為不帶延時(shí)的過流保護(hù)出口接點(diǎn)，由各線路自身現(xiàn)有的綜合保護(hù)繼電器SEL 提供（五35、五39 為SEL-351 繼電器，五34、五40 為SEL-311L 繼電器，五31、五32 為SEL-351A 繼電器），在該電源開關(guān)保護(hù)繼電器檢測(cè)到過流時(shí)閉合。
2.2 改進(jìn)的再分析
經(jīng)過上述方案改進(jìn), 增設(shè)不帶延時(shí)的過流保護(hù)后,解決了電弧故障保護(hù)運(yùn)行缺陷中所需要解決的問題 。但經(jīng)過考慮我廠實(shí)際情況，如變壓器容量不夠大，經(jīng)常出現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行，35kV 運(yùn)行方式經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)荷不平衡等，如直流電源消失后重新送電的同時(shí)，恰好有裝置大電機(jī)啟動(dòng)，將會(huì)造成過流保護(hù)動(dòng)作，仍會(huì)誤起動(dòng)電弧故障保護(hù)。電網(wǎng)中的過負(fù)荷電流與短路電流有時(shí)差異不大，因而按躲過最大負(fù)荷電流整定的過電流保護(hù)在有些情況下不能滿足靈敏性要求，但由于在過負(fù)荷和短路兩種情況下，負(fù)載阻抗和短路阻抗性質(zhì)不同，即電壓幅值會(huì)發(fā)生變化。因此利用現(xiàn)有綜保SEL 都有電壓元件的條件，在電弧故障跳閘回路中再增加低電壓閉鎖，當(dāng)有低電壓滿足時(shí)才允許動(dòng)作。這些在現(xiàn)有綜保SEL 產(chǎn)品中都可以很容易實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在OUT 為低電壓閉鎖不帶延時(shí)的過流保護(hù)出口，用來起動(dòng)電弧故障保護(hù)，接線和前面一樣，增加的邏輯方程在SEL 繼電器中直接設(shè)置。
分析前面的情況我們發(fā)現(xiàn)，增加低電壓閉鎖后的保護(hù)在對(duì)各種情況下都能繼續(xù)保持速動(dòng)性和選擇性，同時(shí)大大提高了靈敏性和可靠性。
3 五七變電站35kV 系統(tǒng)電弧故障保護(hù)改進(jìn)方案
3.1 回路構(gòu)成
所有氣室壓力傳感器36 個(gè)串聯(lián)連接，再與五31、五32 柜電弧故障啟動(dòng)繼電器KC14、KC15 的線圈串聯(lián)（4 個(gè)該繼電器為并聯(lián)關(guān)系）；六個(gè)可能電源進(jìn)線綜保SEL 都獨(dú)立設(shè)置過流保護(hù)，其OUT 出口分別連接KC14 和KC15 的不同接點(diǎn)組，再接入各自的跳閘回路。
3.2 計(jì)算并設(shè)定GIS 電弧保護(hù)過流啟動(dòng)值
3.3 動(dòng)作分析
當(dāng)某一氣室發(fā)生電弧短路故障時(shí)，氣體壓力傳感器的檢測(cè)壓力達(dá)到190 kPa 時(shí)，其常閉接點(diǎn)打開，所有電弧故障啟動(dòng)繼電器線圈失電復(fù)歸，其繼電器常閉接點(diǎn)閉合，即分別接通35kV 進(jìn)線五31、五32、二變五34、五40、丙稀變五35、五39 相應(yīng)跳閘回路接點(diǎn)，再經(jīng)過各自的過電流判斷是否滿足動(dòng)作條件，即如果是供電到該氣室的開關(guān)就啟動(dòng)故障跳閘回路，使該開關(guān)動(dòng)作跳閘。
4 結(jié)論
“低電壓閉鎖無延時(shí)過流”和電弧故障保護(hù)“與”關(guān)系配合使用，充分利用了現(xiàn)場(chǎng)條件，方案合理，接線簡(jiǎn)單、比較好地解決了電弧故障保護(hù)在雙母線多電源系統(tǒng)的運(yùn)用問題，也解決了電弧故障保護(hù)控制電源恢復(fù)時(shí)開關(guān)誤跳的問題。