单相自动重合闸

5.1.8　单相自动重合闸

以上所讨论的自动重合闸，都是三相式的，即不论送电线路上发生单相接地短路还是相间短路，继电保护动作后均使断路器三相断开，然后重合闸再将三相投入。

但是，在220～500kV的架空线路上，由于线间距离大，运行经验表明，其中绝大部分故障都是单相接地短路。2001年全国高压输电线路单相接地短路占所有短路故障的比例：220kV为92.05%，330kV为98%，500kV为98.87%。在这种情况下，如果只把发生故障的一相断开，然后再进行单相重合，而未发生故障的两相仍然继续运行，就能够大大提高供电的可靠性和系统并列运行的稳定性。这种方式的重合闸就是单相重合闸。如果线路发生的是瞬时性故障，则单相重合成功，即恢复三相的正常运行。如果是永久故障，单相重合不成功，则需要转入非全相运行时，则应再次切除单相并不再进行重合。目前一般都是采用重合不成功时就跳开三相的方式。现就几个主要问题，简要说明如下。

1）故障相选择元件

为实现单相重合闸，首先就必须有故障相的选择元件（简称选相元件）。对选相元件的基本要求如下：

（1）应保证选择性，即选相元件与继电保护相配合只跳开发生故障的一相，而接于另外两相上的选相元件不应动作；

（2）在故障相末端发生单相接地短路时，接于该相上的选相元件应保证足够的灵敏性。

根据网络接线和运行的特点，常用的选相元件如下几种：

（1）电流选相元件：在每相上装设一个过电流继电器，其启动电流按照大于最大负荷电流的原则进行整定，以保证动作的选择性。这种选相元件适于装设在电源端，且短路电流比较大的情况，它是根据故障相短路电流增大的原理而动作的。

（2）低电压选相元件：用三个低电压继电器分别接于三相的相电压上，低电压继电器是根据故障相电压降低的原理而动作的。它的启动电压应小于正常运行时以及非全相运行时可能出现的最低电压。这种选相元件一般适于装设在小电源侧或单侧电源线路的受电侧，因为在这一侧如用电流选相元件，则往往不能满足选择性和灵敏性的要求。

（3）阻抗选相元件：用三个低阻抗继电器分别接于三个相电压和经过零序补偿的相电流上，以保证继电器的测量阻抗与短路点到保护安装地点之间的正序阻抗成正比。阻抗选相元件比以上两种选相元件具有更高的选择性和灵敏性，因而在复杂网络的接线中获得了比较广泛的应用。至于阻抗继电器的特性，根据需要可以采用全阻抗继电器，方向阻抗继电器或偏移特性的阻抗继电器。在有些情况下也可以考虑采用透镜特性或四边形特性的阻抗继电器。

对阻抗选相元件的整定值应考虑满足以下要求：

①当本线路末端短路时，保证故障相选相元件具有足够的灵敏度；

②当本线路上发生单相接地时，保证非故障相选相元件可靠不动作。

（4）相电流差突变量选相元件：利用每两相的相电流之差构成三个选相元件，它们是利用故障时电气量发生突变的原理构成的。三个反应电流突变量的继电器所反应的电流分别为继电器的原理接线如图5.13所示。

图5.13　两相电流差突变量电流继电器的原理接线图

在各种故障情况下，相电流差突变量选相元件的动作情况如表5.1所示。由表可见，在单相接地故障时，反应非故障相电流差突变量的继电器不动作，而在其他故障情况下，所有三个继电器都动作。为此，采用如图5.14所示的逻辑方框图，即可构成单相接地故障的选相元件。

除以上常用的选相元件外，近年来还出现了一些新原理的选相元件，如反应于故障相和非故障相电压比值的选相元件，反应于对称分量电流间相位的选相元件等。

图5.14　用相电流差突变量继电器组成选相元件的逻辑框图

表5.1　各种类型故障时相电流差突变量选相元件的动作情况

注：“＋”表示动作；“－”表示不动作。

2）动作时限的选择

当采用单相重合闸时，其动作时限的选择除应满足三相重合闸时所提出的要求（即大于故障点灭弧时间及周围介质去游离的时间，大于断路器及其操作机构复归原状准备好再次动作的时间）以外，还应考虑下列问题。

（1）不论是单侧电源还是双侧电源，均应考虑两侧选相元件与继电保护以不同时限切除故障的可能性。

（2）潜供电流对灭弧所产生的影响。这是指当故障相线路自两侧切除后，如图5.15所示，由于非故障相与断开相之间存在有静电（通过电容）和电磁（通过互感）的联系，因此，虽然短路电流已被切断，但在故障点的弧光通道中，仍然流有如下的电流：

图5.15　C相单相接地时，潜供电流的示意图

①非故障相A通过A—C相间的电容C_AC供给的电流；

②非故障相B通过B—C相间的电容C_BC供给电流；

③继续运行的两相中，由于流过负荷电流而在C相中产生互感电势，此电势通过故障点和该相对地电容C₀而产生的电流。

这些电流的总和就称为潜供电流。由于潜供电流的影响，将使短路时弧光通道的去游离受到严重阻碍，而自动重合闸只有在故障点电弧熄灭且绝缘强度恢复以后才有可能成功，因此，单相重合闸的时间还必须考虑潜供电流的影响。一般线路的电压越高，线路越长，则潜供电流就越长。潜供电流的持续时间不仅与其大小有关，而且也与故障电流的大小，故障切除的时间，弧光的长度以及故障点的风速等因素有关。因此，为了正确地整定单相重合闸的时间，国内外许多电力系统都是由实测来确定灭弧时间。如我国某电力系统中，在220kV的线路上，根据实测确定保证单相重合闸期间的熄弧时间应在0.6s以上。

3）保护装置、选相元件与重合闸回路的配合关系

如图5.16所示为保护装置、选相元件与重合闸回路之间相互配合的方框结构示意图。

图5.16　保护装置、选相元件与重合闸回路互相配合的方框结构示意图

在单相重合闸过程中，由于出现纵向不对称，因此将产生负序和零序分量，这就可能引起本线路保护以及系统中的其他保护的误动作。对于可能误动作的保护，应在单相重合闸动作时予以闭锁或整定保护的动作时限大于单相重合闸周期，予以躲开。

为了实现对误动作保护的闭锁，在单相重合闸与继电保护相连接的输入端都设有两个端子，一个端子接入在非全相运行中仍然能继续工作的保护，习惯上称为N端子；另一个端子则接入非全相运行中可能误动作的保护，称为M端子。在重合闸启动以后，利用“否”回路即可将接于M端的保护闭锁。当断路器被重合而恢复全相运行时，这些保护也立即恢复工作。

保护装置和选相元件动作后，经“与”门进行单相跳闸，并同时启动重合闸回路。对于单相接地故障，就进行单相跳闸和单相重合。对于相间短路则在保护和选相元件相配合进行判断之后，跳开三相，然后进行三相重合闸或不进行重合闸。

单相重合闸回路的内部接线，此处从略。

4）对单相重合闸的评价

采用单相重合闸的主要优点是：

（1）能在绝大多数的故障情况下保证对用户的连续供电，从而提高供电的可靠性。当由单侧电源单回路向重要负荷供电时，对保证不间断地供电更有显著的优越性。

（2）在双侧电源的联络线上采用单相重合闸，就可以在故障时大大加强两个系统之间的联系，从而提高系统并列运行的动态稳定。对于联系比较薄弱的系统，当三相切除并继之以三相重合闸而很难再恢复同步时，采用单相重合闸就能避免两系统解列。

采用单相重合闸的缺点是：

①需要有按相操作的断路器；

②需要专门的选相元件与继电器保护相配合，再考虑一些特殊的要求后，使重合闸回路的接线比较复杂；

③在单相重合闸过程中，由于非全相运行能引起本线路和电网中其他线路的保护误动作，因此，就需要根据实际情况采取措施予以防止。这将使保护的接线，整定计算和调试工作复杂化。

由于单相重合闸具有以上特点，并在实践中证明了它的优越性。因此，已在220～500kV的线路上获得了广泛的应用。对于110kV的电力网，一般不推荐这种重合闸方式，只在由单侧电源向重要负荷供电的某些线路及根据系统运行需要装设单相重合闸的某些重要线路上，才考虑使用。