隔離開關(guān)控制回路相序繼電器故障頻發(fā)處理

丁可為，邱靜宜，喬 豐

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 紹興 312000)

0 引言

某500?kV變電站在進(jìn)行GW10-550系列高壓隔離開關(guān)(以下簡(jiǎn)稱“刀閘”)操作過程中，刀閘無動(dòng)作。經(jīng)過檢查核實(shí)，發(fā)現(xiàn)該刀閘的控制回路無電，進(jìn)一步檢查無電原因是刀閘機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的相序檢測(cè)繼電器XJ3-G故障。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，該繼電器運(yùn)行中發(fā)熱非常嚴(yán)重，部分外殼發(fā)生變形，導(dǎo)致在倒閘操作中刀閘經(jīng)常無法正常拉合。僅僅1年時(shí)間里，該繼電器就發(fā)生10余次類似故障，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

1 XJ3-G相序繼電器相序檢測(cè)電路原理

XJ3-G相序檢測(cè)繼電器作為檢測(cè)低壓動(dòng)力電源系統(tǒng)三相電源是否正常的設(shè)備，主要能實(shí)現(xiàn)三相順相序、三相電壓平衡以及全相的測(cè)量，一旦繼電器不能測(cè)量其中1項(xiàng)，將立即作出響應(yīng)，使控制設(shè)備的控制回路處于閉鎖狀態(tài)。

繼電器檢測(cè)原理如圖1所示，由R1/R7，R3/R8及R5/R9組成三相交流電阻性降壓采樣電路，R2/C1，R4/C2及R6/C3組成阻容串聯(lián)降壓移相采樣電路，2個(gè)電路相間交叉移相，組成了全相、順相序和三相平衡的采樣電路。

1.1 三相交流順相序時(shí)的動(dòng)作情況分析

當(dāng)三相交流電順相序接入時(shí)，如圖2所示，通過移相組成的采樣電路可以實(shí)現(xiàn)相序的判別和比較?，F(xiàn)以A相基準(zhǔn)相量疊加C相移相后的相量為例(其余各相以此類推)加以說明。

在圖2中，R1為A相公共電阻，通過R7的是A相電阻性基準(zhǔn)電流分量而C相通過由R6和C3組成的阻容電路，經(jīng)移相后的C相電流與A相基準(zhǔn)電流分量求和后，可實(shí)現(xiàn)對(duì)相序的判別。

由圖3可知，通過對(duì)C相R6和C3阻容串聯(lián)后計(jì)算，相移角約為60°;由于電容的超前作用，可知C相電流超前原C相60°。經(jīng)計(jì)算，R6和C3串聯(lián)后的阻抗約為240?kΩ，與A相基準(zhǔn)電阻R7的阻值240?kΩ一致。如果此時(shí)采樣的三相電壓平衡，其矢量大小相等，通過圖3矢量平移疊加后，將無電流輸出(其余兩相也相同)，即即圖1中由V1—V6所組成的整流橋無直流電壓信號(hào)輸出。

由于無整流輸出，因此圖1中運(yùn)算放大器IC1同相輸入端3腳電壓大于反相輸入端2腳電壓，IC1有輸出，并通過R16，V12和V14組成的繼電器驅(qū)動(dòng)電路，使繼電器J1和J2動(dòng)作，J2接點(diǎn)閉合，使刀閘控制回路開放實(shí)現(xiàn)正常操作。同時(shí)，由R15和V13組成的驅(qū)動(dòng)雙色LED指示燈電路綠燈變亮，表示繼電器相序正確。

1.2 三相交流反相序時(shí)的動(dòng)作情況分析

當(dāng)電源接入相序錯(cuò)誤，按照平移疊加原則，如此時(shí)接入相序變成為C-B-A，如圖4所示，則A相經(jīng)R6，C3移相到基準(zhǔn)相C相。

圖1 XJ3-G相序繼電器原理

按照三相交流電基準(zhǔn)相序不變?cè)瓌t，各矢量經(jīng)移相后得圖5所示的矢量平移，此時(shí)得到輸出電流為(其余各相以次類推)。經(jīng)V1—V6三相組成的全橋整流后，經(jīng)C4濾波，V8單向?qū)ǎ琕10穩(wěn)壓，提供給圖1所示運(yùn)算放大器IC1的反相輸入端2腳。如果此時(shí)IC1輸入端2腳的電壓大于同相輸入端3腳電壓，則V14和V13晶體管截止，繼電器J1和J2失磁返回，J2接點(diǎn)斷開，閉鎖刀閘控制回路，使刀閘不能正常操作，同時(shí)V9雙色LED指示燈的紅燈變亮。

圖2 順相序移相電路

圖3 順相序移相矢量

另外，當(dāng)接入該繼電器的三相電壓嚴(yán)重不平衡(即整定三相不平衡率不小于13?%)以及發(fā)生缺相時(shí)，V1—V6所組成的三相全橋整流也將有輸出，這里不再贅述。

2 XJ3-G相序繼電器電源供給電路原理

XJ3-G繼電器內(nèi)部工作電壓由1只1W的小型變壓器變換整流后供給(圖1中T1)。實(shí)測(cè)該變壓器的變比為380?V/14.2?V，其副邊交流電壓為14.2?V。分析圖1的工作原理可知，該變壓器副邊電壓經(jīng)過由V9，V15，V16和V17橋式整流二極管整流，再經(jīng)C5濾波后，獲得理想直流工作電壓：

式中：0.9為全橋整流系數(shù)，1.414為交流電峰值。

圖4 逆相序移相電路

考慮負(fù)載、濾波電容容量大小等綜合因素影響，實(shí)際直流電壓約為 15?V。由R20，V11(8.7?V)組成穩(wěn)壓電路，提供運(yùn)算放大器IC1電路的工作電壓和同相輸入端3腳上的參考電壓。J1和J2繼電器的工作電源直接由15?V電壓供給，而J1和J2繼電器實(shí)際額定工作電壓為12?V。這樣能確保繼電器穩(wěn)定可靠動(dòng)作，但也會(huì)使其工作電流增大，導(dǎo)致整個(gè)繼電器的工作電源功耗隨之增大。

通過對(duì)XJ3-G繼電器二次工作電流的實(shí)測(cè)，其工作狀態(tài)下的最大工作電流約為80?mA。

由此可知，繼電器工作電源部分的實(shí)際額定功率P=14.2?V×0.080?A=1.136?W。

2.1 XJ3-G相序繼電器電源故障內(nèi)因

由于實(shí)際運(yùn)行中該繼電器發(fā)熱十分嚴(yán)重，部分外殼因長(zhǎng)期受熱而變形。通過拆解發(fā)現(xiàn)，該繼電器故障無一例外都是由繼電器內(nèi)部電源變壓器T1繞組燒毀、斷路所致，因此對(duì)該繼電器進(jìn)行實(shí)測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)該變壓器設(shè)計(jì)上無冗余備份。實(shí)測(cè)鐵芯截面S=0.95?cm×1.4?cm=1.332?cm2，按照小型變壓器鐵芯截面和容量關(guān)系公式P=S2/1.56計(jì)算，約為1.137?W(此為理想值，實(shí)際要稍小)，與前述用電流、電壓所計(jì)算的額定功耗1.136?W基本一致，這說明繼電器的工作電源變壓器T1長(zhǎng)期處于滿功率使用狀態(tài)。

進(jìn)一步拆解分析發(fā)現(xiàn)，該變壓器還存在設(shè)計(jì)問題。對(duì)該變壓器的繞組伏匝數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)副邊繞組匝數(shù)為360匝，按照副邊電壓14.2?V計(jì)算，約為25.3匝/V。按此伏匝數(shù)推算原邊繞組，減去變比誤差修正系數(shù)，原邊匝數(shù)應(yīng)該約為9?000匝。對(duì)變壓器鐵芯所使用硅鋼片質(zhì)量和厚度檢查，發(fā)現(xiàn)變壓器硅鋼片厚度為0.5?mm，屬于普通硅鋼片，其磁通密度Bm取值約為10?000?Gs，最高也不能超過12?000?Gs；且對(duì)于不同使用環(huán)境，Bm需要有一定的冗余。

副邊匝數(shù)可依據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：U—副邊電壓，V；f—電源頻率，Hz；Bm—磁通密度，Gs；S—鐵芯截面積，cm2。

當(dāng)Bm取 10?000?Gs時(shí)可得：W=14.2/(4.44×50×1.332×104×10-8)≈ 480 匝。

據(jù)此計(jì)算所得，當(dāng)硅鋼片Bm取10?000?Gs時(shí)，其二次繞組約為480匝，與實(shí)際所測(cè)360匝出入較大。由此可見，在伏匝數(shù)計(jì)算中，該變壓器鐵芯Bm取值需達(dá)到13?000?Gs，才能滿足360匝的要求。由于鐵芯硅鋼片實(shí)際并未有如此高的導(dǎo)磁率，因此導(dǎo)致伏匝數(shù)不能滿足正常變壓器勵(lì)磁阻抗的要求，使變壓器空載激磁電流較大，承受過電壓情況下的過勵(lì)磁能力特性較差。由于繼電器正常工作時(shí)長(zhǎng)期處于滿載工況，較大的空載電流與滿載工作電流之和使變壓器的發(fā)熱量大增，這是繼電器故障頻發(fā)的主要內(nèi)在因素。

圖5 逆相序移相矢量圖

2.2 XJ3-G相序繼電器電源故障外因

由于該繼電器測(cè)量為三相相序，實(shí)際工作在三相三線交流電源場(chǎng)所，因此該變壓器的原邊需要承受380?V的線電壓。在相同功率情況下，電壓升高，變壓器繞組匝數(shù)就需要增加，但由于變壓器鐵芯的窗口面積是一定的，因此只有減小絕緣導(dǎo)線的線徑，才能容納下所增加的繞組匝數(shù);而導(dǎo)線線徑減小，繞組所需承受的電流密度(A/mm2)也將提高。

前述設(shè)計(jì)缺陷的存在，無法平衡內(nèi)部發(fā)熱和散熱，如果采用220?V的同樣功率變壓器，則發(fā)熱量將明顯下降，但需要三相四線接入。同時(shí)，由于繼電器安裝在戶外刀閘機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，在高溫季節(jié)會(huì)加劇故障的發(fā)生。

2.3 XJ3-G相序繼電器電路設(shè)計(jì)缺陷

通過分析繼電器原理，發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)也存在缺陷。該缺陷雖不會(huì)導(dǎo)致相序繼電器不工作，但無法調(diào)節(jié)三相電壓不平衡時(shí)的檢測(cè)靈敏度。

如圖 6所示，在由R10，C5，R23，R11所組成的信號(hào)取樣電壓分壓調(diào)節(jié)電路中，調(diào)節(jié)R23只改變了R11上的電壓，調(diào)節(jié)后也只能使V8亮度發(fā)生變化，無法對(duì)由R10，C5和R12組成的2級(jí)濾波的信號(hào)輸出電壓進(jìn)行有效幅值調(diào)節(jié)。現(xiàn)場(chǎng)通過實(shí)際模擬信號(hào)電壓輸入并調(diào)節(jié)后，確證了該缺陷的存在，這使得運(yùn)算放大器IC1的反相輸入端2腳輸入電壓的靈敏度調(diào)節(jié)失去意義。

該電路的正確設(shè)計(jì)應(yīng)是：將R10，C5和R12組成的2級(jí)濾波電路接入到由R23與R11組成的分壓電路中間U2點(diǎn)上，如圖7所示。這樣，當(dāng)調(diào)節(jié)R23時(shí)，在R11上就能獲得分壓值改變，即U2上電壓應(yīng)為(U1×R11)/(R11+R23)。由于該缺陷與所要解決的關(guān)鍵問題無足輕重，因此不再討論。

3 解決方法

通過分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致繼電器頻發(fā)故障原因是：繼電器內(nèi)部作為工作電源的變壓器，容量小且設(shè)計(jì)不合理。如更換容量較大的變壓器，可以解決上述問題;但由于涉及改變繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且無法保證更換后產(chǎn)品的使用安全性，責(zé)任無法澄清，因此該方案不可取。

繼電器正常工作時(shí)處于長(zhǎng)勵(lì)磁狀態(tài)，發(fā)熱量較大，因此采取在刀閘不操作時(shí)將刀閘機(jī)構(gòu)箱內(nèi)電源拉停，使繼電器不工作的方法。此方法可顯著提高繼電器的使用壽命且方便可靠，但給變電站無人值守帶來考驗(yàn)，不利于緊急情況下的遠(yuǎn)控操作。

圖6 原相序取樣分壓電路

圖7 改進(jìn)后的相序取樣分壓電路

通過聯(lián)合廠家改進(jìn)刀閘控制回路設(shè)計(jì)，使所選用的相序繼電器在相序正確時(shí)處于不勵(lì)磁狀態(tài)，以降低繼電器的工作電流，降低內(nèi)部變壓器的發(fā)熱量，提高繼電器的使用壽命。但由于需要在繼電器后增加一級(jí)輔助繼電器來達(dá)到所需的邏輯條件，雖解決了存在問題，但需要修改設(shè)計(jì)圖以及現(xiàn)場(chǎng)接線等，比較復(fù)雜。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，浙江正泰電氣股份有限公司生產(chǎn)的XJ3-G相序繼電器質(zhì)量和發(fā)熱情況等要明顯好于正在使用的產(chǎn)品，替換后該產(chǎn)品已使用1年多時(shí)間，至今尚未發(fā)生故障。

幾種方案對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)最后一種方案最為實(shí)用可靠，且無需作改動(dòng)。但由于繼電器仍處于常勵(lì)磁工作狀態(tài)，仍然存在類似的工作環(huán)境，僅可降低故障發(fā)生的頻次。

4 結(jié)論

在低壓三相交流動(dòng)力供電系統(tǒng)中，為防止三相交流電接入設(shè)備的相序不正確，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，需要對(duì)三相交流電相序進(jìn)行檢測(cè)控制，以確保在相序不正確或電壓異常時(shí)，設(shè)備控制回路處于閉鎖狀態(tài)。但相序檢測(cè)設(shè)備本身一旦發(fā)生故障，設(shè)備同樣無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。作為三相異步電機(jī)正確運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的相序接入保護(hù)，相序繼電器被廣泛應(yīng)用在變電站的斷路器、刀閘、變壓器冷卻器等控制回路中，其工作環(huán)境、質(zhì)量和在控制電路中的使用及設(shè)計(jì)方法是否合理，都可影響繼電器故障的頻發(fā)程度。

對(duì)該500?kV變電站高壓隔離開關(guān)的動(dòng)力電源相序檢測(cè)繼電器頻發(fā)連續(xù)性故障進(jìn)行探討分析，研究隔離開關(guān)無法正常操作的異常故障，查找到了故障頻發(fā)原因，提出了解決的方法，可供同行解決類似問題時(shí)參考借鑒。