LOCKOUT繼電器在特高壓直流工程二次回路中的應用研究

陳 鵬, 尹 剛，郭力馳，鄒榮盛，許 斌

(1.中南電力設計院有限公司, 湖北 武漢 430072；2.國網湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引 言

巴西美麗山二期±800 kV特高壓直流工程(以下簡稱“巴西美二工程”)是中國第一個特高壓直流輸電技術、設計、裝備、建設、運行維護全產業鏈“走出去”的電網工程，是中國在巴西乃至拉美地區推進“一帶一路”倡議、構建全球能源互聯網的重要實踐，對實現中國特高壓直流輸電標準、技術和裝備“走出去”具有重要戰略意義[1-2]。

由于巴西當地電網的運行維護習慣與國內電網不同，巴西美二工程換流站交流系統的二次回路設計理念存在較大的差別。LOCKOUT繼電器(86)因其具有接點容量大、鎖定保持等特點[3]，廣泛應用于巴西500 kV交流斷路器的操作回路中，且斷路器的操作回路需根據與其相關的交流保護功能要求進行單獨設計。而國內特高壓直流輸電工程交流系統斷路器通常采用標準化和集約化的操作箱或繼電器箱實現不同的交流保護功能要求[4-5]。因此，國內成熟的特高壓換流站二次系統設計經驗不能完全滿足巴西當地電網運行維護的要求。

為適應巴西美二工程換流站交流系統的二次回路設計理念，滿足巴西當地電網運行維護要求，對巴西與國內特高壓換流站交流系統典型的斷路器操作回路進行了差異性分析，提出了適用于巴西當地電網運行維護要求的特高壓換流站交流系統二次回路中LOCKOUT繼電器的配置原則。并以巴西美二工程中具體的斷路器操作回路為例，詳細介紹了LOCKOUT繼電器的啟動和閉鎖邏輯。所提出的LOCKOUT繼電器的配置原則有利于更好地適應巴西當地的電網建設，為特高壓直流輸電技術走出國門、服務世界提供了強有力的技術支撐。

1 國內與巴西美二工程交流斷路器操作回路差異性分析

國內特高壓直流換流站的500 kV及以上交流系統主要包括交流串、交流濾波器、變壓器、高壓電抗器等設備。500 kV及以上交流系統保護主要包括：線路保護、母線差動保護、斷路器失靈保護以及變壓器和高壓電抗器等元件保護。交流濾波器保護雖然是屬于直流系統保護的一部分，但其保護配置和出口回路設計與交流系統保護類似。以上交流保護除了斷路器失靈保護為單套配置外，其他的保護均為雙重化配置，且全站計算機監控系統的測控裝置為雙重化配置[6-8]。

巴西美二工程的500 kV交流系統保護配置與國內特高壓直流換流站的配置基本相同，但是其交流斷路器操作回路的設計與國內特高壓直流換流站的設計存在較大的差異。特高壓直流換流站交流斷路器操作回路通常有操作箱和出口繼電器兩種方式，接下來將對兩種方式下的斷路器操作回路進行分析。

1.1 采用操作箱方式

國內特高壓直流換流站500 kV及以上交流系統保護的出口回路通常采用配置分相操作箱的方式[9-10]。分相操作箱主要包含2組分相跳閘回路和1組分相合閘回路，操作箱集成跳閘/合閘保持、跳位/合位監視、防跳回路、三相不一致保護、手動合閘/分閘、重合閘、等功能。以國內某特高直流換流站500 kV交流斷路器操作回路為例，雙重化配置的保護中任意一套保護動作后，根據保護裝置判斷結果啟動斷路器操作箱對應功能的跳閘繼電器(TJR：啟動失靈不啟動重合閘；TJQ：啟動失靈啟動重合閘；TJF：不啟動失靈不啟動重合閘)。并將對應功能的跳閘繼電器的節點接入交流斷路器機構箱內的跳閘回路，實現保護跳閘的功能，如圖1所示。

圖1 采用操作箱的斷路器操作回路

1.2 采用出口繼電器方式

1)LOCKOUT繼電器用于跳閘保持

國內某區域電網要求500 kV及以上交流斷路器操作回路不直接利用操作箱中的TJR、TJQ、TJF繼電器來實現斷路器失靈保護和重合閘功能是否啟動，而是通過采用單獨的出口繼電器實現斷路器失靈保護啟動、重合閘功能的閉鎖和啟動功能。同時，在斷路器的跳閘回路中并接LOCKOUT繼電器的常開接點，如圖2所示。

圖2示意了第一套斷路器跳閘回路。第二套斷路器跳閘回路與第一套線圈回路的原理相同，且第二套斷路器跳閘回路和第一套斷路器跳閘回路不共用LOCKOUT繼電器，LOCKOUT繼電器的動作邏輯如下：

(1)正常情況下，LOCKOUT繼電器的線圈不帶電，且接在斷路器跳閘回路的LOCKOUT繼電器節點斷開；

(2)當失靈保護動作要求跳本斷路器或其他斷路器失靈保護動作要求聯跳本斷路器時，LOCKOUT繼電器的線圈帶電，且接在斷路器跳閘回路的LOCKOUT繼電器節點閉合，本斷路器跳閘，且一直保持斷路器跳閘線圈帶電，直到人為對LOCKOUT繼電器進行復歸(遠方手動或就地手動)，本斷路器跳閘保持才取消，如圖2所示。

圖2 LOCKOUT繼電器用于跳閘保持回路

2)LOCKOUT繼電器用于合閘閉鎖

巴西美二工程的500 kV交流斷路器的操作回路與國內工程不同，其操作回路不設置統一的操作箱，而是針對每個斷路器間隔，根據交流保護的動作結果單獨設置斷路器操作回路。并在直接出口跳閘本斷路器的保護裝置中設置LOCKOUT繼電器，并將LOCKOUT繼電器的常閉接點串接在斷路器的合閘回路中，如圖3所示。

圖3 LOCKOUT繼電器用于合閘閉鎖回路示意

圖3為斷路器合閘閉鎖回路示意圖，其中，保護1、保護2，…，保護n為直接出口跳閘本斷路器的保護，且雙重化配置的保護裝置共用1個LOCKOUT繼電器，LOCKOUT繼電器的動作邏輯如下：

(1)正常情況下，保護裝置中的LOCKOUT繼電器不帶電，常閉接點閉合，測控裝置可直接對斷路器進行合閘操作。

(2)某保護動作后，保護出口跳開斷路器，并同時啟動LOCKOUT繼電器，LOCKOUT繼電器的常閉接點斷開，即對斷路器的合閘回路進行閉鎖。此時，無論保護裝置是否復歸，斷路器都不能進行合閘操作，直到人為對動作后的保護裝置中的LOCKOUT繼電器進行復歸(遠方手動或就地手動)，才能解除閉鎖，對斷路器進行合閘操作。

2 適用于巴西美二工程的LOCKOUT繼電器的配置原則

在巴西美二工程中，LOCKOUT繼電器用于閉鎖斷路器合閘回路，不因保護裝置復歸而解除合閘回路閉鎖，有利于斷路器合閘回路閉鎖的持續性，能夠有效地避免保護動作后斷路器合閘的誤操作，對提高特高壓直流輸電工程的可靠性和運維人員的安全性具有積極作用，該設計方案在巴西美二工程中得到了廣泛應用。但是LOCKOUT繼電器的配置增加了斷路器操作回路的復雜程度，不利于交流系統二次回路的設計標準化和功能集成化，且LOCKOUT繼電器的配置原則與交流系統保護的動作邏輯關系密切，因此，亟需提出符合巴西當地運行習慣的LOCKOUT繼電器的配置原則，為后續直流工程設計提供有利的技術支撐。針對巴西美二工程中LOCKOUT繼電器的配置情況，提出了適用于該工程的LOCKOUT繼電器的配置原則，主要包括：

1)除線路保護之外的雙重化的保護(如母差保護、變壓器保護、斷路器失靈保護等)共用1個LOCKOUT繼電器，且LOCKOUT繼電器配置在第一套保護屏內，任意一套保護動作均可啟動對應的LOCKOUT繼電器；且與本斷路器跳閘相關的保護對應的LOCKOUT繼電器，其常閉接點均需要串接入本斷路器的合閘回路中。

2)變壓器保護、高壓電抗器保護、濾波器保護和斷路器失靈保護等保護動作啟動其對應的LOCKOUT繼電器。為保護設備免受故障電流沖擊造成事故擴大，變壓器保護、高壓電抗器保護、濾波器保護和斷路器失靈保護等保護動作后均不需要進行重合閘操作，因此，在上述保護的出口回路均配置LOCKOUT繼電器，閉鎖跳閘后斷路器的合閘回路。

3)母差保護動作跳閘和斷路器失靈聯跳母差保護不共用LOCKOUT繼電器。500 kV交流系統母差保護動作的原因有兩種：一是交流母線發生短路故障，母差保護動作跳開母線上的所有斷路器；二是斷路器失靈保護動作，為及時隔離故障，聯動母差保護，跳開母線上的所有斷路器。在巴西美二工程中，母差保護提供2個出口，分別為母線故障的保護動作出口和失靈聯跳的的保護動作出口，2個出口不共用LOCKOUT繼電器，母差保護裝置根據保護動作的判據分別啟動不同的LOCKOUT繼電器，對所有跳開的斷路器進行合閘回路閉鎖，如圖4所示。

圖4 母差保護啟動LOCKOUT繼電器

4)線路保護不配置LOCKOUT繼電器，線路保護集成遠跳功能需啟動LOCKOUT繼電器。為防止瞬時性故障造成輸電線路跳閘停運，線路保護跳閘后需啟動斷路器重合閘裝置，故線路保護不配置LOCKOUT繼電器。但巴西美二工程的500 kV線路保護集成了遠跳線路對側斷路器的功能，通常情況下本側交流母線發生故障或斷路器失靈時，母差保護動作雖切除本側斷路器，但故障依然沒有切除，且故障不在線路保護范圍內，此時需通過遠跳功能瞬時跳開對側斷路器，并閉鎖對側斷路器合閘，達到徹底切除故障的目的。

3 LOCKOUT繼電器在巴西美二工程中的應用

欣古換流站是巴西美二工程送端換流站。欣古換流站500 kV交流系統采用3/2接線方式，本期1回出線、2回換流變壓器進線和3回交流濾波器大組出線，共6組進出線，組成3個完整串；交流濾波器大組母線采用單母線接線方式，3回小組濾波器進線，1回大組濾波器出線接入500 kV交流串中。欣古換流站500 kV交流系統電氣主接線如圖5所示。

圖5 欣古換流站500 kV交流系統電氣主接線

由于巴西美二工程的每個斷路器操作回路需要對與該斷路器相關的交流保護的功能要求進行單獨設計，且LOCKOUT繼電器與交流保護的動作特性密切相關。為詳細分析巴西美二工程交流斷路器操作回路的設計特點，以欣古換流站500 kV交流濾波器小組斷路器的合閘回路為例，對LOCKOUT繼電器在巴西美二工程中的應用進行詳細說明。

在圖5中，CB511為500 kV第一大組交流濾波器TT3/11/50小組的并網斷路器，由欣古換流站的交流保護配置可知，與CB511斷路器出口跳閘相關的保護裝置主要包括ACF51交流濾波器大組保護裝置、交流濾波器TT3/11/50小組保護裝置、CB511本身的斷路器失靈保護裝置，且交流濾波器大組保護和交流濾波器小組保護雙重化配置，斷路器失靈保護單套配置。

交流濾波器大組保護的LOCKOUT繼電器布置在交流濾波器大組保護屏1中，交流濾波器大組保護2與交流濾波器大組保護1共用1個LOCKOUT繼電器；TT3/11/50小組保護的LOCKOUT繼電器布置在TT3/11/50小組保護保護屏1中，TT3/11/50小組保護2與TT3/11/50小組保護1共用1個LOCKOUT繼電器；CB511本身的斷路器失靈保護配置1個LOCKOUT繼電器。上述LOCKOUT繼電器的常閉節點均串接在斷路器合閘回路中，用于閉鎖該斷路器合閘回路，并考慮到交流濾波器小組斷路器配置選相合閘裝置，CB511的斷路器合閘回路具體接線如圖6所示。

圖6中，正常情況下，可通過測控裝置對CB511斷路器進行合閘操作；當發生故障時，交流濾波器大組保護、TT3/11/50小組保護或斷路器失靈保護中任意保護動作，跳開CB511斷路器，同時保護動作均啟動其對應的LOCKOUT繼電器，對應合閘回路中LOCKOUT繼電器的常閉接點斷開，對斷路器合閘回路進行閉鎖保持。此時，無法通過測控裝置對斷路器進行合閘操作，直到通過測控對動作的LOCKOUT繼電器進行復歸操作，斷路器才能合閘。

圖6 交流濾波器小組斷路器合閘回路接線

以上為欣古換流站500 kV交流濾波器小組斷路器的合閘回路原理接線方式，其他500 kV交流斷路器的接線方式在考慮到與對應斷路器相關的保護配置后，其合閘回路的接線方式類似，不再贅述。

4 結 語

針對巴西美二工程與國內特高壓換流站交流系統二次回路中的LOCKOUT繼電器的應用和配置原則不同的問題，詳細分析和比較了巴西與國內特高壓換流站交流系統典型的斷路器操作回路的差異性，提出了適用于巴西當地電網運行維護習慣的特高壓換流站交流系統二次回路中LOCKOUT繼電器的配置原則，得出的主要結論如下：

1)巴西美二工程中LOCKOUT繼電器用于閉鎖斷路器合閘；

2)母差保護、變壓器保護、斷路器失靈保護、交流濾波器保護等不需要重合閘的保護，均需要啟動LOCKOUT繼電器，且雙重化或三重化的保護可共用LOCKOUT繼電器；

3)母差保護動作跳閘和斷路器失靈聯跳母差保護不共用LOCKOUT繼電器；

4)線路保護不需要啟動LOCKOUT繼電器，但線路保護中集成的遠跳功能需要啟動LOCKOUT繼電器。