500 kV隔離開關(guān)控制接觸器頻繁故障的原因分析及反事故措施

鄧光武，宋述波，王超，林慶標(biāo)，莫文斌

(中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州市，510405)

0 引言

完善的二次控制回路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓隔離開關(guān)在遠(yuǎn)方或就地、帶聯(lián)鎖或不帶聯(lián)鎖、單相或三相等方式下靈活操作，是自動(dòng)化變電站的重要組成部分［1］。實(shí)際運(yùn)行中二次控制回路并不十分可靠，文獻(xiàn)［2-5］就控制回路出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，并提出了改進(jìn)措施，但隔離開關(guān)控制回路因受現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾的影響而頻繁故障的案例未見提及和分析。本文就穗東換流站500 kV隔離開關(guān)二次控制回路接觸器頻繁故障的原因進(jìn)行查找分析，同時(shí)提出針對(duì)性的改進(jìn)措施。

1 接觸器故障概況

穗東換流站500 kV隔離開關(guān)及接地刀閘采用相同的二次控制回路，其單相控制原理如圖1所示。圖中SA1為遠(yuǎn)方/就地切換把手;SB1、SB2為手動(dòng)按鈕;KM1、KM2為控制接觸器;SP1、SP2為刀閘限位開關(guān);KT為熱繼電器;SP5、SP6為手動(dòng)閉鎖接點(diǎn);QF1為交流真空開關(guān)。該二次控制回路實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)方、就地帶連鎖、就地解聯(lián)鎖的電動(dòng)操作，具備手動(dòng)/電動(dòng)聯(lián)鎖、自保持、自動(dòng)停止、電機(jī)過流保護(hù)等功能，能滿足現(xiàn)場(chǎng)控制要求。

穗東換流站500 kV隔離開關(guān)和接地刀閘2009年5月投運(yùn)。在隨后運(yùn)行操作中，先后出現(xiàn)近百次由于控制接觸器(圖1中KM1或KM2)故障引起的隔離開關(guān)(接地刀閘)遠(yuǎn)方及就地均無(wú)法電動(dòng)操作的設(shè)備故障。檢查發(fā)現(xiàn):操作命令發(fā)出后，控制接觸器線圈兩端有直流電壓，但線圈不勵(lì)磁;測(cè)量線圈的直流電阻均較大(大于30 MΩ)，部分還出現(xiàn)線圈絕緣降低現(xiàn)象，檢查線圈內(nèi)部漆包線發(fā)現(xiàn)有斷裂現(xiàn)象，斷裂點(diǎn)兩端有灼熱痕跡。KM1、KM2為國(guó)產(chǎn)3TB4117型接觸器，且經(jīng)過其他工程運(yùn)行檢驗(yàn)，未出現(xiàn)大面積損壞的問題。初步懷疑該批次接觸器存在質(zhì)量問題，同時(shí)安裝調(diào)試期間正處于廣東地區(qū)的雷雨季節(jié)，部分線圈受潮可能引起性能下降。

圖1 隔離開關(guān)單相控制原理Fig.1 Single-phase control circuit of disconnecter

2010年2月采用國(guó)外LS公司GMD-12型接觸器對(duì)穗東站所有隔離開關(guān)及接地刀閘控制回路中原有接觸器進(jìn)行了更換，分合試驗(yàn)無(wú)異常。同時(shí)對(duì)控制箱的密封性和加熱除濕回路進(jìn)行了檢查，確保接觸器線圈不再受潮。但在隨后的運(yùn)行中大批出現(xiàn)隔離開關(guān)(接地刀閘)均無(wú)法電動(dòng)分合的現(xiàn)象，經(jīng)檢查也均為接觸器線圈開路。

2 接觸器故障原因分析

為查找接觸器故障的原因，生產(chǎn)廠家在試驗(yàn)室中外加直流電源對(duì)隔離開關(guān)進(jìn)行了3 000次電動(dòng)分合閘試驗(yàn)，以檢測(cè)控制接觸器的質(zhì)量，試驗(yàn)中未出現(xiàn)任何異常。試驗(yàn)室中試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)的主要區(qū)別在于控制回路未外接大量的控制電纜芯線。由此可見，控制接觸器出現(xiàn)大批量損壞主要原因并不在于其自身質(zhì)量，可能與現(xiàn)場(chǎng)使用工況有關(guān)，故障原因可能為受到外界干擾源的影響所致。

2.1 操作過程中的波形監(jiān)視

為監(jiān)測(cè)控制接觸器在現(xiàn)場(chǎng)受到的干擾，在不同安裝地點(diǎn)的多個(gè)隔離刀閘操作過程中，用數(shù)字示波器監(jiān)視接觸器線圈兩端電壓和流經(jīng)線圈電流的波形，電壓和電流整體上波形基本相同，如圖2所示。

圖2 操作過程中線圈電壓和電流波形Fig.2 Voltage and current waveforms of control contactor coil during operation

由圖2可以看出，操作開始(線圈勵(lì)磁瞬間)以及整個(gè)操作過程中(線圈一直勵(lì)磁)電流、電壓均無(wú)異常，線圈兩端電壓在230 V左右，流經(jīng)線圈的電流在45 mA左右，均在接觸器額定值以內(nèi)，不會(huì)對(duì)接觸器構(gòu)成危害。但在刀閘操作到位后(線圈勵(lì)磁返回瞬間)，線圈兩端電壓出現(xiàn)了幅值較高的尖峰，電壓的最大值達(dá)到其額定電壓的2～3倍。流經(jīng)線圈的電流未出現(xiàn)尖峰。線圈的損壞可能和其受到的暫態(tài)沖擊有直接關(guān)系。

2.2 控制接觸器的等值電路

控制接觸器及其所連外回路等效電路如圖3所示，其中L、r、C分別是接觸器線圈的電感、內(nèi)阻、雜散電容。U0、L0、C0、R0分別是控制電路的電源、導(dǎo)線分布電感、分布電容和電阻。K為線圈勵(lì)磁的控制接點(diǎn)［6-7］。

圖3 控制接觸器等效電路Fig.3 Equivalent circuit of control contactor

對(duì)于控制電路來說，接觸器線圈是一種電感性負(fù)載，當(dāng)通過控制接點(diǎn)突然斷開時(shí)，線圈通過雜散電容構(gòu)成振蕩回路，其頻率由電感和寄生電容決定。

對(duì)于安裝在現(xiàn)場(chǎng)的控制接觸器，同一型號(hào)控制接觸器線圈的電感、內(nèi)阻數(shù)值較穩(wěn)定，因與線圈相連的電纜長(zhǎng)短不同及所處環(huán)境各異，其等效電路中的雜散電容離散性較大。在控制接觸器勵(lì)磁返回瞬間，因回路參數(shù)的不同，在不同地點(diǎn)檢測(cè)到的線圈兩端電壓和流經(jīng)線圈的電流波形也就存在較大差異。

2.3 線圈失磁瞬間暫態(tài)波形比較

為深入分析控制接觸器失磁瞬間線圈兩端的電壓暫態(tài)特性，將同一隔離開關(guān)在不同操作方式下的暫態(tài)波形進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)還將安裝在不同地點(diǎn)隔離開關(guān)操作時(shí)波形進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)波形有如下特點(diǎn):

(1)同一隔離開關(guān)就地三相電動(dòng)和遠(yuǎn)方操作(遠(yuǎn)方只能三相操作)時(shí)的暫態(tài)波形基本相同;同一操作方式下的多次操作，其暫態(tài)波形基本相同。

(2)同一隔離開關(guān)遠(yuǎn)方(或就地三相電動(dòng))操作時(shí)的暫態(tài)波形和就地單相電動(dòng)操作時(shí)的波形振蕩幅值區(qū)別較大，三相操作時(shí)的振幅要大，如圖4所示。

(3)不同隔離開關(guān)同在現(xiàn)場(chǎng)三相電動(dòng)(或遠(yuǎn)方操作)時(shí)的暫態(tài)波形的幅值和頻率均有較大區(qū)別，圖5列出了3個(gè)不同地點(diǎn)隔離開關(guān)同在遠(yuǎn)方操作時(shí)的暫態(tài)電壓波形。

通過分析可知，同一隔離開關(guān)三相操作與單相電動(dòng)操作時(shí)與控制接觸器相連的外回路不相同;不同隔離開關(guān)因其安裝地點(diǎn)的不同，與控制接觸器線圈相連的控制電纜長(zhǎng)短和輻射路徑不同，這些都將引起對(duì)地雜散電容的不同，暫態(tài)波形也就存在差異。

圖5 遠(yuǎn)方操作時(shí)不同隔離刀閘暫態(tài)波形Fig.5 Transient waveforms during remote operation of different disconnector

3 反事故措施

在線圈兩端加裝消弧電路，控制電感線圈在勵(lì)磁返回時(shí)其兩端的電壓和流經(jīng)線圈的電流在允許范圍內(nèi)，將能有效保護(hù)控制接觸器［8］?！峨娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置反事故措施要點(diǎn)》中明確要求“直流電壓在110 V及以上的中間繼電器一般應(yīng)有符合要求的消弧回路”。

消弧電路有以下幾種［9-10］:(1)在線圈兩端并接單一電阻或二極管;(2)在線圈兩端并接穩(wěn)壓二極管或壓敏電阻;(3)在線圈兩端并接電阻加二極管;(4)在線圈兩端并接RC支路;(5)以上消弧措施的組合。

為可靠起見，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)如圖6所示的2種消弧回路的效果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。圖中KM為接觸器線圈。

圖6 消弧回路原理Fig.6 Arc suppression circuit

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)消弧回路1安裝在不同隔離開關(guān)的控制回路，測(cè)試不同操作方式下暫態(tài)波形不盡相同，圖7～8列出了安裝在不同回路、相同操作方式下的暫態(tài)波形。安裝消弧回路1對(duì)部分回路能改善暫態(tài)過程，對(duì)部分回路卻進(jìn)一步惡化暫態(tài)過程，出現(xiàn)震蕩加劇或峰值比安裝前更高的尖峰。原因可能為儲(chǔ)能元件C的引入，改變了原回路的分布電容參數(shù)，引起暫態(tài)波形的改變。

(2)消弧回路2安裝在不同隔離開關(guān)的控制回路，不同操作方式下測(cè)試隔離開關(guān)分合到位時(shí)的暫態(tài)波形基本相同，如圖9所示。對(duì)線圈兩端電壓及流經(jīng)線圈的電流在失磁瞬間的波形改善非常明顯，消弧的效果比較理想。最終選用該種方式來實(shí)施反事故措施。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)隔離開關(guān)控制接觸器在啟停過程中的線圈兩端電壓及流經(jīng)線圈的電流波形進(jìn)行監(jiān)視，分析認(rèn)為控制接觸器頻繁故障的原因與其自身啟停瞬間在內(nèi)部產(chǎn)生暫態(tài)電源脈沖有關(guān)，并選擇了適合該回路的消弧元件作為反事故措施，效果明顯。

圖9 加裝消弧回路2后暫態(tài)波形圖Fig.9 Transient waveform with arc suppression circuit 2

為提高隔離開關(guān)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行水平，在其二次控制回路設(shè)計(jì)中，除了保證功能完善外，還須考慮設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)使用工況，采取屏蔽電纜有效接地、浪涌抑制器等一系列防護(hù)措施，減少設(shè)備受到現(xiàn)場(chǎng)的干擾和暫態(tài)沖擊。

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