GIS电弧故障的继电保护完善

GIS电弧故障的继电保护完善

ABB 公司出于更好地保护设备的目的，在GIS 开关设备上设置了电弧故障保护，以保证SF6 气室发生电弧短路故障时，可以迅速使开关动作跳闸，切断短路电流。但配套的继电保护可靠性是能够实现保护作用的首要保证。如果继电保护不能够准确动作，可能造成设备损坏、事故扩大；如果继电保护误动作，又将造成非正常停电，影响正常的供电。现结合我单位35kV 系统GIS 电弧故障保护进行分析，完善其继电保护方案。

　　1 电弧故障保护运行问题

　　1.1 电弧故障保护的作用及意义

　　以主接线采用双母线形式的五七变35kV 系统为例（一次接线如图1），所安装的12 台ABB 公司生产的GIS 开关设备,每个都有一个断路器气室和两个母线气室，均为独立气室，分别安装了一只气体压力传感器，额定工作压力为130kPa。当气室压力低到120kPa 时，启动低气压报警；当气室压力达到150kPa 时，启动过气压报警；当气室压力突然达到190 kPa 时，判断为罕见的内部燃弧故障，启动电弧故障保护，快速反应电弧故障，第一时间内使开关动作跳闸，切断短路电流。如果没切除电弧故障，达到200kPa 时压力释放盘打开释放气体以保护GIS 气室设备。

图1 五七变电站35kV 一次系统接线图

1.2 电弧故障保护的保护动作原理

　　各SF6 气室气压的压力传感器所有常闭接点串联后，再与电弧故障启动继电器的线圈串联，该继电器的常闭接点接入开关故障跳闸回路。正常运行时，所有压力传感器常闭接点闭合，电弧故障启动继电器线圈带电动作，继电器常闭接点断开，切断开关故障跳闸回路；当某一气室发生电弧短路故障时，气体压力传感器的检测压力达到190kPa 时，其常闭接点打开，电弧故障启动继电器线圈失电复归，其继电器常闭接点闭合，接通开关故障跳闸回路，使开关动作跳闸。如图2 电弧故障保护起动、跳闸回路所示。

图2 电弧故障保护起动、跳闸回路

1.3 电弧故障保护原设计方案

　　各SF6 气室气压的压力传感器所有常闭接点如K701.1、K701.2、K701.3（此3 对接点为五31 柜3个气室的）串联后，再与电弧故障启动继电器KC14（KC15）（安装在进线五31 和五32 柜各1 组）的线圈串联，该继电器的常闭接点21、22 接入电源进线（KC14）及母联（KC15）开关故障跳闸回路。

　　正常运行时，所有压力传感器常闭接点闭合，电弧故障启动继电器线圈带电动作，继电器常闭接点断开，切断开关故障跳闸回路；当某一气室发生电弧短路故障时，气体压力传感器的检测压力达到190kPa 时，其常闭接点打开，电弧故障启动继电器线圈失电复归，其继电器常闭接点闭合，接通35kV进线五31、五32 和母联五33 开关故障跳闸回路，使开关动作跳闸。

　　1.4 电弧故障保护运行问题

　　由于电弧保护以保护开关柜为优先，以及受到该35kV 系统是双母线运行方式及需要非常灵活地调整运行方式等设备限制，造成以下运行问题：

　　（1）当35kV GIS 开关柜进线开关直流电源失电时，电弧故障启动继电器KC14 和KC15 线圈失电复归，继电器常闭接点闭合，接通开关故障跳闸回路，由于保护电源同时失电，开关不会动作；但此时如送上开关柜直流电源，保护电源受电，而电弧故障启动继电器常闭接点21、22 还来不及动作打开，开关故障跳闸回路仍然接通，就造成开关误动跳闸。

　　（2）出于保护设备的目的，发生电弧短路故障时，必须切断所有可能的电源进线及母联开关。用于检测各SF6 气室气压的压力传感器所有常闭接点串联，在任一开关的其中一个气室发生电弧短路故障时，按设计要求，都会使35kV 进线五31、五32和母联五33 开关同时跳闸，造成五七变35kV 系统全部失电，经常是扩大了事故范围。

　　（3）此保护未结合我厂电力系统的具体运行方式，按照五七变35kV 系统的电源只由主变35kV 侧进线开关提供的方式考虑，在设计电弧故障保护时，只设置了跳主变35kV 侧进线（五31、五32）和母联开关，而实际上，五七变35kV 系统也可能由丙烯变经过五丙联络线五35、五39 回路作为电源进线，我厂自备电站也经常通过二变五34、五40 回路向五七变35kV 系统反送电。因此，在原设计情况下运行必然出现GIS 设备较长时间面临电弧故障的恶劣事故.因而必须对这些柜也增加电弧故障保护。具体见图1 五七变电站35kV 一次主接线图。

　　2 电弧故障保护改进分析

　　2.1 改进分析

　　为消除上述隐患，保证我厂电力系统今后的安全运行，对五七变35kV 系统电弧故障保护的设计进行改进。

　　每个电弧故障保护增设过流保护来起动，在直流电源消失后重新送电时,因为电流没变化不会达到过流动作条件,原来电弧故障保护的电源恢复误跳就可以避免。

　　同时也可以利用电源进线开关过流元件动作与否来判断故障范围：即故障侧电源进线开关过流元件动作，起动电弧故障保护跳闸；非故障侧电源进线开关过流元件不动作，也就不会起动电弧故障保护。再采用过流无延时动作保证快速保护的要求。

　　考虑丙烯变电站经五35、五39 回路向五七变35kV 系统供电的可能，同时考虑我厂自备电站通过五34、五40 回路向五七变35kV 系统供电的可能，将以上四条回路也设置与五七变主变35kV 侧进线开关（五31、五32）同样的电弧故障保护（利用进线柜的K14、K15 的接点）。

　　由于双母线的运行方式非常灵活，任一气室电弧故障保护动作时，为故障气室供电的电源进线开关还不能再设计出简单的区分故障范围的方案,故全部满足条件的开关都跳闸，因此故障气室的停电不再同时跳开35kV 母联开关（原来用于母联的K15改为给其他柜用）。

　　为保证同时满足上述要求，对五七变35kV 系统电弧故障保护的设计进行以下改进：电弧故障跳闸回路中，增设不带延时的过流保护来起动电弧故障保护。原理图如图3 电源进线开关电弧故障跳闸回路。

图3 电源进线开关电弧故障跳闸回路

　　该图为电源进线开关电弧故障跳闸回路改进方案。五31、五32、五35、五39、五34、五40 开关独立设置于各二次回路，图中OUT 为不带延时的过流保护出口接点，由各线路自身现有的综合保护继电器SEL 提供（五35、五39 为SEL-351 继电器，五34、五40 为SEL-311L 继电器，五31、五32 为SEL-351A 继电器），在该电源开关保护继电器检测到过流时闭合。

　　2.2 改进的再分析

　　经过上述方案改进, 增设不带延时的过流保护后,解决了电弧故障保护运行缺陷中所需要解决的问题 。但经过考虑我厂实际情况，如变压器容量不够大，经常出现满负荷运行，35kV 运行方式经常出现负荷不平衡等，如直流电源消失后重新送电的同时，恰好有装置大电机启动，将会造成过流保护动作，仍会误起动电弧故障保护。电网中的过负荷电流与短路电流有时差异不大，因而按躲过最大负荷电流整定的过电流保护在有些情况下不能满足灵敏性要求，但由于在过负荷和短路两种情况下，负载阻抗和短路阻抗性质不同，即电压幅值会发生变化。因此利用现有综保SEL 都有电压元件的条件，在电弧故障跳闸回路中再增加低电压闭锁，当有低电压满足时才允许动作。这些在现有综保SEL 产品中都可以很容易实现。现在OUT 为低电压闭锁不带延时的过流保护出口，用来起动电弧故障保护，接线和前面一样，增加的逻辑方程在SEL 继电器中直接设置。

　　分析前面的情况我们发现，增加低电压闭锁后的保护在对各种情况下都能继续保持速动性和选择性，同时大大提高了灵敏性和可靠性。

　　3 五七变电站35kV 系统电弧故障保护改进方案

　　3.1 回路构成

　　所有气室压力传感器36 个串联连接，再与五31、五32 柜电弧故障启动继电器KC14、KC15 的线圈串联（4 个该继电器为并联关系）；六个可能电源进线综保SEL 都独立设置过流保护，其OUT 出口分别连接KC14 和KC15 的不同接点组，再接入各自的跳闸回路。

　　3.2 计算并设定GIS 电弧保护过流启动值

　　3.3 动作分析

　　当某一气室发生电弧短路故障时，气体压力传感器的检测压力达到190 kPa 时，其常闭接点打开，所有电弧故障启动继电器线圈失电复归，其继电器常闭接点闭合，即分别接通35kV 进线五31、五32、二变五34、五40、丙稀变五35、五39 相应跳闸回路接点，再经过各自的过电流判断是否满足动作条件，即如果是供电到该气室的开关就启动故障跳闸回路，使该开关动作跳闸。

　　4 结论

　　“低电压闭锁无延时过流”和电弧故障保护“与”关系配合使用，充分利用了现场条件，方案合理，接线简单、比较好地解决了电弧故障保护在双母线多电源系统的运用问题，也解决了电弧故障保护控制电源恢复时开关误跳的问题。