GIS隔离开关新型电气闭锁原理分析与实践

GIS隔离开关新型电气闭锁原理分析与实践

吴俊楠,姜浩,张黎,林玮,杨宏伟,陈羽,杨林杰

中核霞浦核电有限公司，福建 宁德352000

摘要：本文结合台湾303停电事件中兴达发电厂的事故现场实际情况，分析了该事故发生的原因，找出了目前GIS隔离开关传统五防联锁回路存在的缺陷，并提出一种解决该缺陷的思路，最后以某电厂的GIS为例，重新设计了隔离开关电气闭锁合闸回路与其具体的实施方案 NCS系统闭锁逻辑的优化方案，理论上可以使GIS实现当断路器气室内六氟化硫气体压力低时，与断路器相邻的隔离开关具备防误操作合闸的电气闭锁功能，保障了设备与操作人员的安全，提高了系统的运行稳定性。

关键词：GIS；隔离开关；NCS系统；电气闭锁

0. 引言

GIS(Gas Insulated Substation)是一种由全封闭组合电器构成的高压成套配电装置，其全部导电设备都密封在六氟化硫气体中，因此也被叫做六氟化硫全封闭组合电器，GIS以其结构紧凑、占地面积小、抗干扰性良好、可靠性高、维护简单及检修周期长等优势，已经广泛应用于高压输电系统中[1-3]。GIS中的六氟化硫气体具有优异的绝缘和灭弧性能，由于六氟化硫气体中电子的净碰撞电离系数很小，迁移率低的负离子又极易与正离子结合为中性分子，因此气体的绝缘强度很高[4]。GIS外部由金属管道和套管组成的管道树构成，内部使用盆式绝缘子作为导体与管道连接处的支撑物，同时盆式绝缘子也承担了一部分的绝缘作用，而GIS中主要的绝缘介质则是具有一定压力的六氟化硫气体，若气体间隔内的六氟化硫压力过低，则会使其绝缘性能下降，导致GIS发生短路故障的概率提高。

GIS中的断路器、隔离开关、接地开关全部采用电动操作，元件普遍采用远方操作或开关柜就地操作，为了防止误操作事故、保证GIS设备运行安全，断路器、隔离开关、接地开关必须满足一定的联锁条件才允许操作，行业内一般采用五防联锁式的电气闭锁回路，主要通过相关设备的辅助触点来实现“五防”，即：1）防止误分、误合断路器；2）防止带负荷分、合隔离开关；3）防止带电挂（合）接地线（接地开关）；4）防止带接地线合断路器；5）防止误入带电间隔。因此在一般情况下，开关柜安装五防联锁后，能达到强制性防止误操作开关的目的。

然而台湾303停电事故表明，传统的五防联锁逻辑存在漏洞，在某些情况下依然无法可靠防止开关误操作的发生，本文将全面分析台湾303停电事故的始末，提出一种断路器与隔离开关之间的五防联锁改进方案。

1. 事故介绍与分析

1.1事故背景

2022年3月3日，台湾台电公司兴达发电厂燃煤机组二、三号机配合环保停机进行大修，345kV（北）开关站配合兴达二号机大修进行断路器号3540、3550维护保养工作。事故发生前，相关人员检测断路器3540发现绝缘气体六氟化硫含水量过高，因此将该断路器所属区间的六氟化硫回收，上午9时16分，操作人员进行隔离开关3541操作测试时，在未确认相邻区间的绝缘气体压力的情况下，误将其合闸，导致开关站发生由闪络引起的短路接地故障，并引发连结至龙崎超高压变电所的发电机组全数跳脱，虽然此时系统备转容量率达24.61%，但事故仍导致台湾南部地区电力供需失衡，造成南部地区停电，并使全台电力系统受到瞬间频率变化影响，从而引发中、北部地区低频自动卸载，因此，中、北部地区也有部分用户受其影响而停电[5]。

图1事故发生前GIS状态示意图

此次事故合计减少供电约10500MW，相当于当日全系统用电需求的三分之一，全台停电户数约为549万户，对台湾省造成较大经济损失。

1.2原因分析

当隔离开关3541合闸后，断路器3540此时对地电压为345kV，断路器气室间隔内无六氟化硫绝缘气体，仅有盆式绝缘子作为唯一的对地绝缘，无法满足GIS正常运行的绝缘要求。

从保护的角度来说，传统的五防联锁回路也无法强制性防止此类误操作情况，断路器即使处于六氟化硫气体压力低的状态下，操作人员也能成功合闸隔离开关，导致事故的发生。关键在于，应当在GIS隔离开关的电气闭锁合闸回路中加入基于相邻断路器气室内六氟化硫气体压力的闭锁合闸逻辑，以及在NCS系统中也加入相关闭锁逻辑，尽可能防止人因失误。

下面将根据某电厂开关站的实际情况，提出对应的具体改造与实施方案。

2. 符号说明

Q11GIS第一串进线侧断路器

GS210隔离开关#1

GS220隔离开关#2

GS310接地刀闸#1

GS320接地刀闸#2

SK3就地/远方转换开关

SA1就地分合闸转换开关

KD2分合闸信号输入接口

XP2分合闸动作输出接口

3. 改进方案

3.1方案一

首先介绍某电厂开关站Q11两侧隔离开关的电气闭锁回路具体工作原理。Q11GS210和Q11GS220分合闸回路分别如图2、图3所示.

以图2为例，SK3:27经过一联锁回路到达DS1K:26端子，SA1为分合闸三工位转换开关，正常状态下处于中间位，当SK3处于就地控制位且联锁回路无闭锁条件时，转动

SA1至合闸位，GS210-XP2:4与GS210-XP2:7导通，Q11GS210合闸。

图2Q11GS210分合闸回路

图3Q11GS220分合闸回路

Q11断路器六氟化硫压力低闭锁回路如图4所示，红色方框内为新增继电器位置。通过新增加的扩展继电器K42对断路器六氟化硫压力降低闭锁功能进行扩展，将继电器接点接入断路器两侧刀闸动作的电气回路：将K42的A1，A2与K41的A1，A2并接，将K42的接点11，14和21，24分别接入Q11GS210和Q11GS220隔离开关的合闸回路中，见图5、6.

Q11GS210合闸回路的具体实施步骤为：在DS1K的端子排上，将编号为GS210-XP2:4与DS1K:4之间的接线拆除，接到GS210-XP2:4与DS1K:2之间；在DS1K:2与DS1K:4之间接入K42的常开接点11，14.

Q11GS220合闸回路的具体实施步骤为：将编号为GS220-XP2：4与DS2K:4之间的接线拆除，接到GS220-XP2:4与DS2K:2之间；在DS2K:2与DS2K:4之间接入K42的常开接点21，24.

图4Q11断路器六氟化硫压力低闭锁回路

图5新增接点位置1

图6新增接点位置2

当Q11的六氟化硫气体压力处于正常状态下时，继电器线圈K42得电，11，14和21，24为常闭接点，无闭锁功能；当Q11的六氟化硫气体压力降低至定值时，开关CD501/502/503均跳开，继电器线圈K42失电，常闭接点11，14和21，24跳开，Q11GS210和Q11GS220的合闸回路均被闭锁，无法正常合闸。

此外，还应在NCS系统中，新增加六氟化硫气压低闭锁Q11GS210，Q11GS210的逻辑，如图7、8所示，红色方框内为新增逻辑。

图7新增闭锁逻辑示意图

具体过程为：当ADQ11断路器的六氟化硫气体压力处于正常状态且无其他闭锁信号时，Q11GS210与Q11GS220的允许合闸指令均为1，操作人员可在NCS系统正常发送合闸指令至两侧隔离开关。当ADQ11断路器的六氟化硫气体压力降低至定值时，Q11GS210与Q11GS220的允许合闸指令均为0，操作人员无法从NCS系统发送合闸信号给两侧隔刀，从而实现闭锁功能。

图8新增闭锁逻辑示意图

若采用此方案，当断路器处于检修状态需要合两侧刀闸时，现场操作人员可以在汇控柜中，用端子短接片分别将接线端子DS1K:2与DS1K:4、DS2K:2与DS2K:4短接，可解除此闭锁。

3.2方案二

在方案一的基础上，使K42的接点11，14和21，24两端分别并接SK4的1，2、5，6（SK4为带钥匙的转换开关，在常开接点位置转换开关锁死，钥匙可以拔出），具体效果见附图6、7。方案二的闭锁工作原理及NCS系统中修改的逻辑与方案一相同，不再赘述。

若采用此方案，现场操作人员可较为方便地解除此闭锁，只需要将SK4转换开关钥匙插入其中并旋转到常闭接点位置使闭锁回路短接即可，但此方案的设备采购与施工周期均较方案一更长，且在使用过程中有人为误操作使闭锁解除的可能性，因此需要从操作规程上明确可能存在的风险，防止人因失误。

图9新增转换开关与继电器接点位置1

图10新增转换开关与继电器接点位置2

4. 结论

本文针对台湾303事故中发现的传统五防联锁回路缺陷，结合某电厂GIS的现场实际情况，提出了两种具体改造与实施方案，通过在隔离开关合闸回路串联闭锁接点以及在NCS系统添加闭锁逻辑两种方式相互配合，实现了当GIS断路器六氟化硫气体压力低时，闭锁其相邻隔离开关，防止误合闸操作。本文中的所有改造方案具有可行性高、成本较低、对系统影响较小等优点，因此对于同类型的变电站来说，本文中的方案具有较强的可推广性，投入使用后可强化变电站在运行和检修过程中的防人因失误功能，使其具备更高的安全性与可靠性，为电力安全生产保驾护航。

参考文献：

[1]黎大健，梁基重，步科伟等．GIS 中典型缺陷局部放电的超声波检测[J]．高压电器，2009，45(1)：72-75.

[2]李继胜，赵学风，杨景刚等．GIS 典型缺陷局部放电测量与分析[J]．高电压技术，2009，35(10)：2440-2445.

[3]Eriksson A, Pettersson K G, et al. Experience with gas insulated substations in the USA[C]//IEEE Transactions on Power Delivery, 1995, 10(1):210-218.

[4]胡雨龙. 六氟化硫绝缘开关气体中微水含量在线监测原理与方法的研究[D]. 重庆：重庆大学，2015：2.

[5]台湾经济部. 303停电事故检讨报告[R]. 台湾经济部，2022：6-7.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------