单侧电源线路的三相一次重合闸优化方案

在我国的电力系统中，单侧电源线路广泛采用三相一次重合闸。所谓三相一次重合闸，是指不论在输电线路上发生相间短路还是接地短路，继电保护装置都应动作，将三相断路器一起断开，然后自动重合闸起动，经预定延时（可整定）将三相断路器重新合上。若故障为瞬时性故障，则重合成功；若为永久性故障，保护再次动作跳开三相断路器，则自动重合闸不再重合。

1.三相一次重合闸的构成与工作原理

1）三相一次重合闸的构成

三相一次重合闸一般主要由起动元件、延时元件、一次合闸脉冲元件、执行元件信号元件、短时记忆元件等组成，如图6−2−1所示。

图6−2−1　三相一次重合闸的构成

图中各元件功能介绍如下：

1 为起动元件。当断路器由继电保护动作跳闸或因其他非手动原因而跳闸后，三相一次重合闸起动。一般使用断路器的辅助常开触点或者用合闸位置继电器的触点构成，在正常情况下，当断路器由合闸位置变为跳闸位置时，马上发出起动指令。

2 为延时元件。起动元件发出起动指令，延时元件开始计时，达到预定的延时后，发出一个短暂的合闸脉冲命令。延时时间是可以整定的。

3 为一次合闸脉冲元件。它保证三相一次重合闸只重合一次。当延时时间到后，它马上发出一个可以合闸的脉冲命令，并且开始计时，准备三相一次重合闸的整组复归，一般复归时间为15～25s。在这个时间内，即使再有延时元件发出命令，它也不再发出可以合闸的第二个命令。此元件的作用是保证在一次跳闸后有足够的时间合上（对瞬时故障）和再次跳开（对永久故障）断路器，而不会出现多次重合。

4 为与门。该门的输出是输入的逻辑“与”，即输入全为1，输出为1，输入有0 时，输出为0。

5 为执行元件。它起动合闸回路。

6 为信号元件。它起动信号回路。

7 为短时记忆元件。

8 为加速元件。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，需要保护与三相一次重合闸配合。当手动合闸到带故障的线路上时，保护跳闸，故障一般是检修时的保护接地线未拆除、缺陷未修复等永久性故障，不仅不需要重合，而且要加速保护的再次跳闸。

9 为闭锁回路。手动跳闸闭锁三相一次重合闸，当手动跳开断路器时，也会起动重合闸回路，为了消除这种情况所造成的不必要合闸，设置闭锁环节，使之不能形成合闸命令。

2）三相一次重合闸的动作原理

当线路发生故障（单相接地短路、相间短路等）时，继电器保护装置动作，跳开三相，三相一次重合闸起动。经延时元件延时后，发出一个短暂的脉冲命令。

（1）当没有手动跳开断路器时，与门输出为1，起动重合闸回路、信号回路。合闸三相，经短时记忆元件延时后导通输出1 并保持1s，起动加速元件。如果故障是瞬时性的，合闸成功；如果故障是永久性的，保护再次跳开三相，不再重合。

（2）当手动跳开断路器时，与门输出为0，不能形成合闸命令。

三相一次重合闸的动作原理

3）三相一次重合闸充电

线路发生故障时，三相一次重合闸动作一次，表示断路器进行了一次“跳闸→合闸”过程。为保证断路器切断能力的恢复，断路器进入第二次“跳闸→合闸”过程就需有足够的时间，否则切断能力会下降。为此，一般三相一次重合闸动作后需经一定间隔时间（15～25 s）才可进行下一次动作。另外，线路上发生永久性故障时，三相一次重合闸动作后，也应经过一定时间后三相一次重合闸才能动作，以避免多次动作。

为了满足上述要求，三相一次重合闸的充电时间取15～25 s。

三相一次重合闸的充电条件如下：

（1）三相一次重合闸投入运行处于正常工作状态，说明保护装置未起动。

（2）在三相一次重合闸未起动的情况下，三相断路器处于合闸状态，断路器跳闸位置继电器未动作。断路器处于合闸状态，说明控制开关处于“合闸后”状态，断路器跳闸位置继电器未动作。

（3）在三相一次重合闸未起动的情况下，断路器正常状态下的气压或油压正常，这说明断路器可以进行合闸，允许充电。

（4）没有闭锁三相一次重合闸的输入信号。

（5）在三相一次重合闸未起动情况下，没有TV 断线失电压信号。当TV 断线失电压时，保护装置工作不正常，三相一次重合闸对无电压、同期的检定也会发生错误。在这种情况下，三相一次重合闸内部输出闭锁信号，实现闭锁，不允许充电。

4）三相一次重合闸的起动方式

三相一次重合闸的起动有两种方式：控制开关与断路器位置不对应起动和保护起动。

（1）控制开关与断路器位置不对应起动。

控制开关与断路器位置不对应起动就是断路器控制开关处于“合闸后”状态，断路器处于跳闸状态，两者位置不对应起动三相一次重合闸。

控制开关与断路器位置不对应起动方式，是在线路发生故障时保护将断路器跳开后，出现控制开关与断路器位置不对应，从而起动三相一次重合闸；如果由于某种原因，如工作人员误碰断路器操作机构、断路器操作机构失灵、断路器控制回路存在问题以及保护装置出口继电器的触点因撞击振动而闭合等，断路器发生误跳闸（此时线路没有故障存在），则控制开关与断路器位置方式同样能起动三相一次重合闸。可见，控制开关与断路器位置不对应起动方式可以纠正各种原因引起的断路器误跳闸。断路器误跳闸时，保护因线路没有故障而处于不动作状态，保护不能起动三相一次重合闸。

这种起动方式简单可靠，在各级电网中有着良好的运行效果，是所有三相一次重合闸起动的基本方式，对提高供电可靠性和系统的稳定性具有重要意义。为判断断路器是否处于跳闸状态，需要应用断路器的辅助触点和跳闸位置继电器。因此，当发生断路器辅助触点接触不良、跳闸位置继电器异常以及触点粘连等情况时，控制开关与断路器位置不对应起动方式将失效，这显然是该起动方式的缺点。

为了克服这一缺点，在断路器跳闸位置继电器每相动作条件中还增加了线路相应相无电流条件的检查，进一步确认并提高了起动三相一次重合闸的可靠性。

（2）保护起动。

目前大多数线路的三相一次重合闸，在保护动作发出跳闸命令后才发送合闸命令，因此三相一次重合闸应支持保护起动方式。

保护起动方式就是用线路的保护跳闸触点来起动三相一次重合闸。采用保护起动方式可纠正继电保护误动作引起的误跳闸，但不能纠正断路器的误跳闸。

电气式重合闸回路一般只采用控制开关与断路器位置不对应起动方式。

2.软件实现的三相一次重合闸

1）三相一次重合闸的程序流程

在使用三相一次重合闸的中、低压线路上，自动重合闸是由该线路微机保护测控装置中的一段程序来完成的。图6−2−2所示为三相一次重合闸的程序流程。

图6−2−2　三相一次重合闸的程序流程

在数字式重合闸中（程序实现的三相一次重合闸），模拟电容器充电是由一个计数器来完成的，计数器计数过程相当于电容器充电，计数器清零过程相当于电容器放电。数字式重合闸的充电条件同前所述。

从线路投入运行开始，程序就开始做合闸的准备。微机保护测控装置常采用一个计数器计时是否满20 s（该值就是三相一次重合闸的复归时间定值，是可以整定的，为便于说明，这里先假设为固定值）来表明三相一次重合闸是否已准备就绪。当计数器计时满20 s 时，表明已准备就绪，允许合闸。否则，当计数器计时未满20 s 时，即使满足其他条件，也不允许合闸。如果在计数器计时的过程中，或计数器计时满20 s 后，有闭锁三相一次重合闸的条件出现，程序会将计数器清零，并禁止计时。程序检测到计数器计时未满时，则禁止合闸。许多产品说明书中仍以充电是否完成来描述三相一次重合闸是否准备就绪。以后，把该计数器称为充电计数器。

三相一次重合闸起动后，并不会立即发出合闸命令，而是当三相一次重合闸动作时限的延时结束后才发送合闸命令。在发出合闸命令的同时，还要发送加速保护的命令。

当断路器合闸后，充电计数器重新开始计时。如果线路发生瞬时性故障引起跳闸或断路器误跳闸，则合闸命令发出后，合闸成功，充电计数器重新从零开始计时，经20 s 后计时结束，准备下一次动作。如果线路发生永久性故障引起跳闸，则断路器会被线路保护再次跳开，程序将循环执行。当程序开始检测三相一次重合闸是否准备就绪时，由于充电计数器的计时未满20 s（这是由于在断路器合闸后，充电计数器是从零重新开始计时的，虽然经线路保护动作时间和断路器跳闸时间，但由于保护已被三相一次重合闸加速，所以它们的动作时间总和很短，故充电计数器计时不足20 s），程序将充电计数器清零，并禁止合闸。

在微机保护测控装置中，常兼用两种起动方式（注意：有些保护装置不能同时投入这两种方式，只能经控制字选择一种起动方式）。图6−2 − 2 仅给出了控制开关与断路器位置不对应起动方式的起动过程。

当微机保护测控装置检测到断路器跳闸时，先判断是否符合控制开关与断路器位置不对应起动条件，即检测控制开关是否在合闸位。如果控制开关在分闸位，那么不满足控制开关与断路器位置不对应起动条件（即控制开关在跳闸位，断路器也在跳闸位，它们的位置对应），程序将充电计数器清零，并退出运行。如果没有手动跳闸信号，那么满足控制开关与断路器位置不对应起动条件（即控制开关在合闸位，而断路器在跳闸位置，它们的位置不对应），程序开始检测三相一次重合闸是否准备就绪，即充电计数器计时是否满20 s。如果充电计数器计时不满20 s，则程序将充电计数器清零，并禁止合闸；如果充电计数器计时满20 s，则立即起动三相一次重合闸动作时限计时。

2）三相一次重合闸的动作逻辑(www.xing528.com)

三相一次重合闸有3 种形式：无条件重合闸、同期检定重合闸及无电压检定重合闸，无条件重合闸适用于单侧电源线路，同期检定和无电压检定重合闸适用于双侧电源线路。

为了保证三相一次重合闸的可靠性和稳定性，就设置充电条件，只有满足充电条件后，才可能起动三相一次重合闸。

三相一次重合闸充电条件完成的动作逻辑如图6−2−3所示，三相一次重合闸保护元件的动作逻辑如图6−2−4所示。

图6−2−3　三相一次重合闸充电条件完成的动作逻辑

图6−2−4　三相一次重合闸保护元件的动作逻辑

图6−2−4 中Tset 为三相一次重合闸的动作时限定值。

同期检定元件的动作判据为线路抽取线电压和母线电压满足相位差（即同期角度，可整定）在允许范围内。

无电压检定元件的动作判据为UxAB≤Uset，其中，UxAB 为线路抽取线电压；Uset 为无电压检定整定值。

后加速保护元件的动作逻辑如图6−2−5所示，Iset 为过电流保护的整定值；Tset 为后加速保护时限的整定值；In 为任一相的保护电流。

图6−2−5　后加速保护元件的动作逻辑

重合闸动作时间整定及重合闸闭锁功能（PPT）

3.自动重合闸的闭锁

在某些情况下，断路器跳闸后不允许自动重合，因此，应将自动重合闸闭锁。自动重合闸的闭锁就是将充电计数器瞬间清零（使电容器放电）。自动重合闸的闭锁主要用于以下几种情况：

（1）手动跳闸或通过遥控装置跳闸。当手动操作合闸时，如果合到的是故障线路，则保护立刻动作将断路器跳闸，此时自动重合闸不允许起动。程序开始检测自动重合闸是否准备就绪，由于充电计数器的计时未满20 s，程序将充电计数器清零，并禁止合闸。

（2）按频率自动减负荷动作跳闸、低电压保护动作跳闸、过负荷保护动作跳闸、母线保护动作跳闸。

（3）当选择无电压检定或同期检定工作时，检测到母线TV、线路侧TV 的二次回路断线失电压时。

（4）检测线路无电压检定或同期检定不成功时。

（5）断路器液（气）压操动机构的液（气）压降低到不允许合闸的程度，或断路器弹簧操作机构的弹簧未储能。

（6）断路器控制回路发生断线。

（7）自动重合闸停用断路器跳闸。

（8）自动重合闸发出合闸脉冲的同时，闭锁自动重合闸。

4.自动重合闸参数的整定

1）自动重合闸的动作时限整定

自动重合闸的动作时限是指从断路器主触点断开故障到断路器收到合闸脉冲的时间。为了尽可能缩短停电时间，自动重合闸的动作时限原则上应越短越好。但考虑到如下两方面的原因，自动重合闸的动作又必须带一定的延时：

（1）故障点的灭弧时间（计及负荷侧电动机反馈对灭弧时间的影响）及周围介质去游离的时间，必须在这个时间以后进行重合闸才有可能成功，否则，即使在瞬时性故障情况下，重合闸也不成功。当采用三相重合闸时，对于6～10 kV 的线路，故障点的断电时间应大于0.1 s，对于35～66 kV 的线路，故障点的断电时间应大于0.2 s，对于110～220 kV 的线路，故障点的断电时间应大于0.3 s，对于330～500 kV 的线路，故障点的断电时间应大于0.4 s。

（2）断路器及操作机构准备好再次动作的时间。自动重合闸必须在这个时间以后才能向断路器发出合闸脉冲。

对辐射型单侧电源单回线路，自动重合闸的动作时限为

式中 t dis——故障点的去游离时间；

t on——断路器的合闸时间；

Δt ——时间裕度，取0.3～0.4 s。

如果自动重合闸是利用继电保护跳闸来起动，其动作时间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，重合闸的最短时间为0.3～0.4 s。

对于双测电源线路上的三相重合闸及单相重合闸，其动作时间除应考虑上述要求，还应考虑：

①　线路两侧继电保护以不同时限切除故障的可能性；

②　故障点潜供电流对灭弧时间的影响。

2）自动重合闸复归时间的整定

自动重合闸复归时间就是从一次重合闸结束到下一次允许重合闸之间所需的最短间隔时间。自动重合闸复归时间的整定需考虑以下两个方面的因素：

（1）保证由最长时限段的保护切除永久性故障时，断路器不会再次合闸。考虑到最严重情况下，断路器的辅助触点可能先于主触点切换，提前的时间为断路器的合闸时间，于是重合闸复归时间为

式中 top.max——保护的最长动作时限；

t on——断路器的合闸时间；

——自动重合闸的动作时限；

t off——断路器的跳闸时间。

（2）保证断路器切断能力的恢复。当重合动作成功后，复归时间不小于断路器第二个“跳闸→合闸”的间隔时间。

自动重合闸复归时间一般取15～25 s，即可满足以上要求。

3）微机保护有关定值整定的说明

在进行微机保护的定值整定时要注意，微机保护中有两种定值，一种是开关型定值，一种是数值型定值。它们都被存储在可擦除的存储器（EEPROM）中，供程序在执行过程中检查、调用，也可由技术人员进行修改。因为开关型定值经常以二进制的形式被存储在存储器的一个或多个字节中，所以又称它们为控制字，它们中每一位二进制数或每几位二进制数的组合，用于控制某种或几种保护及其他功能的投入与退出，如与自动重合闸有关的同期检定和无电压检定的控制、自动重合闸起动方式的控制等。另外有一些控制字用于保护出口的控制，因具有传统保护屏上的保护压板的功能，故又被称为软压板，如投入或退出重合闸中用的重合闸软压板。数值型定值指的是保护动作的整定值，如自动重合闸的动作时限、自动重合闸复归时间、后加速延时解除时间以及后面将要介绍的双侧电源供电线路的自动重合闸的低电压动作值等。

线路重合闸实验