(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

隨著“一帶一路”建設(shè)的不斷推進(jìn)，電力設(shè)備出口已成為行業(yè)發(fā)展必然趨勢(shì)[1-4]。然而，國(guó)產(chǎn)控制保護(hù)設(shè)備特別是高壓斷路器的操作回路，在裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)習(xí)慣上與海外產(chǎn)品存在不小差異。國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)理念往往無法被海外同行接受，大大降低了在海外的接受程度。中國(guó)在海外建設(shè)交直流工程中，僅有菲律賓直流工程采用過操作箱設(shè)備，其他工程均采用海外接受的輔助繼電器方案。因此，從技術(shù)推廣層面考慮，有必要對(duì)國(guó)內(nèi)外的操作回路進(jìn)行研究。

首先，總結(jié)了操作回路的主要技術(shù)路線，在此基礎(chǔ)上從運(yùn)行維護(hù)習(xí)慣差異的角度，揭示國(guó)內(nèi)外操作回路設(shè)計(jì)差異的內(nèi)在根源；最后，針對(duì)海外應(yīng)用環(huán)境，就操作箱設(shè)備的工程應(yīng)用提出了合理建議。

1 操作回路主要技術(shù)路線

高壓斷路器操作回路，按照技術(shù)路線分為單操作箱、雙操作箱、多繼電器箱和輔助繼電器4種方案。

圖1 單操作箱主要功能配置

單操作箱方案，是指為一臺(tái)斷路器配置一臺(tái)操作箱，操作箱內(nèi)含一組合閘操作回路和兩組跳閘操作回路。雙操作箱方案，是指為一臺(tái)斷路器配置兩臺(tái)操作箱，每臺(tái)操作箱內(nèi)含有一組合閘操作回路和一組跳閘操作回路。多繼電器箱方案，是指為每一臺(tái)保護(hù)裝置配置一臺(tái)繼電箱，繼電器箱中包含輔助繼電器、出口繼電器等。輔助電器方案，是指為每套保護(hù)裝置在屏柜內(nèi)配置一套繼電器，繼電器包括輔助繼電器、出口繼電器等，所有繼電器都直接安裝在屏柜導(dǎo)管架上。

國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)采用單操作箱配置，華北地區(qū)采用雙操作箱配置，華東地區(qū)多采用多繼電器配置，而在中國(guó)承接的非洲、東南亞以及南美等海外工程基本采用輔助繼電器方案。

國(guó)內(nèi)關(guān)于操作回路/操作箱的研究多集中在防跳回路事故機(jī)理分析[5-8]以及操作箱與就地機(jī)構(gòu)的配合關(guān)系[9-11]，對(duì)于操作回路的配置差異研究?jī)?nèi)容較少。下面就以上4種技術(shù)路線，在裝置設(shè)計(jì)和回路連接上對(duì)高壓斷路器操作回路進(jìn)行比較分析。

1.1 國(guó)內(nèi)操作回路設(shè)計(jì)

單操作箱原理電路如圖1所示，每只操作箱含兩組獨(dú)立的跳閘回路和一組合閘回路，分別對(duì)應(yīng)斷路器的兩個(gè)跳閘線圈和一個(gè)合閘線圈。

合閘操作回路和其中一組跳閘操作回路共用第一路操作電源；另外一組跳閘操作回路使用第二路操作電源。盡管兩組操作電源、兩組跳閘操作回路在操作箱中基本獨(dú)立；但由于在同一臺(tái)裝置中，一組跳閘回路檢修時(shí)，另一組跳閘回路也必須同時(shí)停電檢修，因此，盡管操作箱位于繼電器室內(nèi)，卻可認(rèn)為是斷路器機(jī)構(gòu)的延伸，其檢修也應(yīng)與斷路器同時(shí)進(jìn)行。

以合閘回路為例，測(cè)控裝置的合閘出口(保護(hù)裝置的重合閘出口)通過重動(dòng)繼電器SH(ZH)給自保持繼電器HBJ充電，完成合閘保持功能，直至合閘動(dòng)作完成，斷路器輔助接點(diǎn)切斷合閘保持輸出回路。跳閘保持原理與合閘保持一致。另根據(jù)保護(hù)裝置跳閘類型不同，跳閘重動(dòng)需啟動(dòng)不同的重動(dòng)繼電器如TJQ(啟動(dòng)失靈不啟動(dòng)重合閘)、TJR(啟動(dòng)失靈不啟動(dòng)重合閘)、TRF(不啟動(dòng)失靈不啟動(dòng)重合閘)。

操作箱還包括對(duì)分合閘出口回路的監(jiān)視功能。

回路設(shè)計(jì)上，保護(hù)裝置的跳閘接點(diǎn)與操作箱連接方式還和保護(hù)類型有關(guān)。

交流保護(hù)跳閘，保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)與操作箱分閘回路采用“單對(duì)單”方式，如圖2所示。

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圖2 交流保護(hù)與操作箱連接方式

直流保護(hù)跳閘回路有兩種方式：(1)每套直流保護(hù)/三取二裝置的兩副接點(diǎn)并聯(lián)后，采用“單對(duì)單”連接方式；(2)每套直流保護(hù)/三取二裝置的兩副接點(diǎn)不并接，采用“雙交叉”連接方式。直流保護(hù)跳閘回路如圖3所示。

直流保護(hù)的兩種方案都是雙重化連接，只是雙交叉方式在通道的冗余度上更高。

2)雙操作箱方案

雙操作箱的主要目的是將兩路跳閘操作回路從裝置上完全分開，分別屏蔽，防止跳閘操作回路之間的互相干擾。同時(shí)，兩組操作回路由于配置在不同的操作箱中，可進(jìn)行分別檢修。雙操作箱外部回路設(shè)計(jì)與單操作箱基本相同。

圖3 交流保護(hù)與操作箱連接方式

3)多繼電器箱方案

參考近期特高壓直流泰州換流站的多繼電器箱方案，如圖4(b)所示，該方案中，測(cè)控裝置的手跳手合功能、交流保護(hù)的重合閘功能、直流保護(hù)跳閘操作回路通過操作箱實(shí)現(xiàn)，其他交流保護(hù)每套保護(hù)配置一只繼電器箱，繼電器箱完成操作回路功能。單操作箱與多繼電器箱外回路差異如圖4所示。

圖4 單操作箱與多繼電器箱比較

繼電器箱的原理電路與保護(hù)的類型有關(guān)，對(duì)于變壓器保護(hù)、高抗保護(hù)、母線保護(hù)等不需要重合閘的保護(hù)，繼電器箱主要通過RS繼電器實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置跳閘的LOCKOUT保持功能，保護(hù)裝置的跳閘接點(diǎn)和LOCKOUT繼電器的重動(dòng)接點(diǎn)并聯(lián)后作為該保護(hù)的跳閘輸出，其原理電路如圖5(a)。該設(shè)計(jì)一方面用保護(hù)裝置跳閘接點(diǎn)保證跳閘的快速性；另一方面用LOCKOUT回路保證跳閘的持續(xù)性，直到斷路器輔助接點(diǎn)變位切斷LOCKOUT回路。此時(shí)，LOCKOUT仍需手動(dòng)復(fù)歸。

圖5 華東多繼電器箱原理電路

對(duì)于線路保護(hù)等需要重合閘的保護(hù)，繼電器箱的功能與操作箱類似，主要功能為繼電器重動(dòng)及合閘保持，線路保護(hù)繼電器箱原理電路如圖5(b)所示。與操作箱合閘保持回路一樣，該繼電器箱會(huì)通過額外的RS繼電器完成跳閘信號(hào)復(fù)歸的功能。

對(duì)于斷路器保護(hù)，保護(hù)跳閘接點(diǎn)需要重合，失靈跳閘接點(diǎn)延時(shí)動(dòng)作且不需要重合閘。因此，斷路器保護(hù)的繼電器箱同時(shí)包含跳閘電流保持回路以及LOCKOUT回路，跳閘電流保持和LOCKOUT接點(diǎn)并聯(lián)后作為斷路器保護(hù)的跳閘輸出。斷路器保護(hù)繼電器箱的原理電路如圖5(c)所示。各保護(hù)的失靈啟動(dòng)回路仍從各保護(hù)發(fā)送到斷路器保護(hù)裝置。多繼電器箱外部回路設(shè)計(jì)與單操作箱方案相同。

1.2 國(guó)外操作回路設(shè)計(jì)

國(guó)外操作回路基本采用輔助繼電器方案。

該方案在控制保護(hù)屏模中搭建，并且不集成在裝置中。跳閘回路部分，裝置跳閘接點(diǎn)經(jīng)輔助繼電器直接出口，閉鎖合閘/重合閘功能，則由專門的RS繼電器86完成，RS繼電器原理電路如圖6所示。

圖6 國(guó)外操作回路原理

國(guó)外操作回路設(shè)計(jì)方案一直由ABB公司、西門子公司、施耐德公司等歐洲設(shè)備廠家主導(dǎo)，設(shè)計(jì)方案比較一致，其操作回路通常在控制保護(hù)屏柜中搭建。參考近期建設(shè)巴西美麗山±800 kV直流輸電工程欣古換流站，其操作回路配置如下。

無論是變壓器保護(hù)、高抗保護(hù)、母線保護(hù)、失靈保護(hù)等不需要啟動(dòng)重合閘的保護(hù)，還是線路保護(hù)等需要啟動(dòng)重合閘的保護(hù)，跳閘部分回路一致。裝置輸出的保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)經(jīng)快速繼電器(94)重動(dòng)后，再經(jīng)跳閘母線合并同一斷路器跳圈的所有跳閘信息后，通過室外長(zhǎng)電纜接到對(duì)應(yīng)的斷路器分閘線圈。跳閘母線設(shè)置在斷路器保護(hù)屏柜中。美麗山工程欣古換流站分閘操作回路部分如圖7所示。

對(duì)于欣古換流站9212斷路器第一跳閘線圈，斷路器保護(hù)跳閘、母線保護(hù)跳閘、交流濾波器母線保護(hù)跳閘等保護(hù)裝置跳閘接點(diǎn)經(jīng)各自快速繼電器重動(dòng)后在9212斷路器保護(hù)屏中并聯(lián)。

另外，由于南美地區(qū)對(duì)分合閘回路的分合位共4個(gè)工作狀態(tài)都要進(jìn)行回路完整性監(jiān)視，因此需要采用專門的分相監(jiān)視繼電器完成該功能，巴西美麗山工程采用MD1501繼電器。

由于各保護(hù)重動(dòng)的快速繼電器節(jié)點(diǎn)直接并聯(lián)出口，沒有保護(hù)總動(dòng)作信號(hào)，無法滿足安穩(wěn)策略/最后斷路器保護(hù)總信號(hào)(注：由于巴西美麗山工程交流場(chǎng)并非同一個(gè)業(yè)主，并且大部交流場(chǎng)前期都已完成建設(shè)，因此要求交流場(chǎng)斷路器增加預(yù)分位信號(hào)具有工程不可操作性，采用保護(hù)動(dòng)作信號(hào)作為最后斷路器保護(hù)的輸入接點(diǎn)是唯一的方案)的需求，需要在斷路器跳閘母線上增加輔助繼電器生成保護(hù)總信號(hào)，巴西美麗山工程采用55.34型輔助繼電器。

圖7 巴西美麗山工程分閘操作回路

對(duì)于閉鎖合閘/重點(diǎn)閘功能，則由專門的RS斷電器86完成。如果保護(hù)需要閉鎖合閘或重合，則由對(duì)應(yīng)裝置閉鎖接點(diǎn)動(dòng)作，并由RS繼電器86保持住閉鎖信號(hào)，同時(shí)將影響斷路器合閘回路的所有保護(hù)閉鎖接點(diǎn)串接到合閘回路中，完成閉鎖合閘/閉鎖重點(diǎn)閘功能。

需要注意的是，由于將不同保護(hù)屏的閉鎖合閘接點(diǎn)串接會(huì)造成合閘回路過長(zhǎng)，合閘回路壓降需要重點(diǎn)驗(yàn)算。對(duì)于壓降不滿足的回路，可以增加繼電器重動(dòng)閉鎖信號(hào)縮短合閘回路長(zhǎng)度。

2 技術(shù)路線比較研究

通過以上比較分析可以看到，幾種操作回路的區(qū)別主要在于以下點(diǎn)：永跳保護(hù)采用電流保持回路或LOCKOUT回路；啟動(dòng)重合閘保護(hù)是否采用電流保持回路；同種類型保護(hù)的操作回路是否集成；外部回路接線是否根據(jù)保護(hù)類型區(qū)別配置。

1)對(duì)于永跳回路，電流保持方案和采用LOCKOUT繼電器方案，都能保持跳閘信號(hào)直至斷路器輔助接點(diǎn)變位切斷控制回路。不同之處在于，電流保持方案保護(hù)動(dòng)作復(fù)歸只能復(fù)歸信號(hào)，物理合閘回路并未被鎖死；而LOCKOUT繼電器方案保護(hù)動(dòng)作不復(fù)歸，物理合閘回路被切斷不能進(jìn)行正常合閘。

2)是否采用電流保持回路是國(guó)內(nèi)外操作回路的核心差異，采用電流保持的操作箱方案和直接重動(dòng)的輔助繼電器方案差異如圖8所示。

圖8 啟動(dòng)重合閘保護(hù)操作回路

正常情況下，兩種方式都可以完成對(duì)斷路器的正確控制。對(duì)于采用電流保持的操作回路，如圖8(a)，若斷路器拒動(dòng)或輔助接點(diǎn)不返回，操作回路將一直帶電，直到回路中的元件燒毀，燒毀元件將可能是斷路器機(jī)構(gòu)跳閘線圈TQ；對(duì)于不采用電流保持、只采用繼電器重動(dòng)的操作回路，若斷路器動(dòng)作較慢、斷路器拒動(dòng)或輔助接點(diǎn)不返回，保護(hù)接點(diǎn)還返回時(shí)，如圖8(b)所示的回路并未由斷路器輔助接點(diǎn)切斷，只能由接點(diǎn)容量較弱的重動(dòng)繼電器的接點(diǎn)切斷操作回路，容易引起繼電器的燒毀。可以看到，針對(duì)斷路器動(dòng)作較慢的故障，電流保持回路優(yōu)勢(shì)明顯；然而，針對(duì)斷路器拒動(dòng)或者輔助接點(diǎn)不返回的故障，重動(dòng)繼電器燒毀比機(jī)構(gòu)跳閘線圈燒毀更容易檢修，不采用合閘保持回路更有優(yōu)勢(shì)。若出現(xiàn)故障，在繼電器室內(nèi)更換可插拔繼電器對(duì)于國(guó)外業(yè)主是較為便利的運(yùn)行維護(hù)方式，因此，不采用分閘保持回路的方案在國(guó)外更受青睞。在設(shè)備推廣時(shí)，斷路器線圈接點(diǎn)配合時(shí)間表以及斷路器拒動(dòng)或者輔助接點(diǎn)不返回故障率等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不易獲得，因此，很難用數(shù)據(jù)向海外業(yè)主說明分合閘保護(hù)回路的可靠性。

3)同種類型保護(hù)的操作回路(包括輔助繼電器)是否集成，除涉及到技術(shù)問題外，還涉及到事故責(zé)任糾紛等管理問題。連接到操作回路的所有保護(hù)由不同的廠家供貨，或不屬于同一業(yè)主(國(guó)外)，獨(dú)立的操作回路有利于明確各保護(hù)廠家、各業(yè)主公司管理責(zé)任。對(duì)于海外多業(yè)主變電站/換流站，要想將國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更優(yōu)的操作箱方式進(jìn)行推廣，需要海外業(yè)主認(rèn)可新的接口劃分方式，將保護(hù)與斷路器的接口從斷路器機(jī)構(gòu)跳閘輸入處提前到操作箱的跳閘輸入處。

4)外部回路接線是否根據(jù)保護(hù)類型分別配置與裝置運(yùn)行故障率有關(guān)。對(duì)于單套保護(hù)，采用兩副跳閘接點(diǎn)分別接到不同操作回路是唯一做法。對(duì)于雙套保護(hù)(或三套保護(hù)雙套出口)，保護(hù)出口和跳閘回路采用“單對(duì)單”連接還是“雙交叉”連接主要取決于各環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性，若各環(huán)節(jié)設(shè)備故障率都極低，建議采用“單對(duì)單”連接方式；對(duì)于某一環(huán)節(jié)故障率較高的情況(如電子式CT的故障率較高導(dǎo)致的直流保護(hù)故障率稍高)，建議采用“雙交叉”的連接方式。

3 結(jié) 語

海內(nèi)外高壓斷路器操作回路的設(shè)計(jì)有較大差別，因此在進(jìn)行海外工程操作回路設(shè)計(jì)時(shí)，一方面需要向國(guó)外用戶充分展示設(shè)計(jì)方案差異的內(nèi)在原因，盡可能推廣經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的國(guó)產(chǎn)設(shè)備與設(shè)計(jì)思路；另一方面需要根據(jù)設(shè)備裝置的應(yīng)用背景，如斷路器的多發(fā)故障類型、保護(hù)裝置包括測(cè)量回路的故障概率，結(jié)合豐富的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理性改善。

具體到操作箱設(shè)備海外推廣層面，現(xiàn)階段有以下3點(diǎn)主要工作可以進(jìn)行：1)在工程前期與海外業(yè)主交流時(shí)，要積極利用與業(yè)主二次工程師交流機(jī)會(huì)，詳盡闡述操作箱方案的工作原理與國(guó)內(nèi)外操作回路差異，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)操作箱方式的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)及其較低運(yùn)行維護(hù)工作量；2)收集國(guó)內(nèi)變電站操作箱方式的運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)，用實(shí)際數(shù)據(jù)消除海外業(yè)主對(duì)操作箱方式及其分合閘電流保持回路可靠性的疑慮；3)海外工程前期，可加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外運(yùn)行維護(hù)部門的需求對(duì)接，電氣二次專業(yè)是國(guó)內(nèi)外變電站/換流站設(shè)計(jì)差異較大的專業(yè)，是否能夠就差異達(dá)成共識(shí)往往會(huì)影響工程建設(shè)進(jìn)度甚至影響里程碑，因此有必要對(duì)二次設(shè)計(jì)的根源——運(yùn)行維護(hù)差異進(jìn)行深入溝通，在推廣設(shè)備的同時(shí)推廣中國(guó)運(yùn)行維護(hù)模式，增強(qiáng)中國(guó)電力設(shè)備及電力技術(shù)在世界范圍的影響力。