變電站中繼電器的常見故障分析

馬 凱, 杜 鵬, 黃道均, 黃偉民, 蘇 文, 高 燃, 束 暢

國家電網(wǎng)安徽省電力公司 檢修公司 合肥 230009

1 繼電器概述

繼電器是一種電控制器件,可以給予規(guī)定輸入量并保持足夠長的時(shí)間,在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化。當(dāng)輸入量降至一定程度并保持足夠長的時(shí)間后,再恢復(fù)到初始狀態(tài)[1-3]。常見繼電器由控制電流通過線圈所產(chǎn)生的電磁吸力驅(qū)動(dòng)磁路中的可動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)開、閉或轉(zhuǎn)換功能,主要由磁路系統(tǒng)、返回系統(tǒng)及接觸系統(tǒng)三大部分組成。此外,有根據(jù)氣體壓力變化控制觸點(diǎn)通斷的繼電器,如六氟化硫繼電器[4-5];還有根據(jù)氣體流速變化控制觸點(diǎn)通斷的繼電器,如氣體繼電器[6-7]。文獻(xiàn)[8]介紹了繼電器的選型要求和使用注意事項(xiàng)。文獻(xiàn)[9]介紹了繼電器的主要參數(shù)及其擾動(dòng)因素。文獻(xiàn)[10]結(jié)合實(shí)際工作中的繼電器失效案例,從可靠性評(píng)價(jià)條件、失效機(jī)理、可靠性改善三個(gè)方面進(jìn)行研究,為可靠性理論和實(shí)際工程提供參考。文獻(xiàn)[11]討論了繼電器在使用過程中觸頭部分的故障,并給出了相應(yīng)的處理方法。

繼電器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,目前,包括組合電器、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等在內(nèi)的變電設(shè)備二次回路中大量使用繼電器,以實(shí)現(xiàn)保護(hù)與控制的功能。繼電器在使用過程中經(jīng)常發(fā)生故障,如果處理不當(dāng),會(huì)給整個(gè)電力系統(tǒng)造成潛在的危機(jī),甚至造成系統(tǒng)癱瘓[12-15]。因此,有必要對(duì)變電站中繼電器的常見故障進(jìn)行分析總結(jié)。

2 繼電器常見故障統(tǒng)計(jì)

目前,國家電網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司下轄28座500 kV超高壓變電站和2座1 000 kV特高壓變電站。上述變電站構(gòu)成安徽電網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò),自2014年以來,共發(fā)生117起繼電器故障,造成變電設(shè)備一般缺陷86起、嚴(yán)重缺陷18起、危急缺陷13起,500 kV斷路器跳閘有4次,220 kV斷路器跳閘有3次,其中,涉及氣體繼電器24起、相序繼電器20起、時(shí)間繼電器11起、分合閘接觸器10起、熱耦繼電器8起、儲(chǔ)能信號(hào)繼電器6起、電壓繼電器6起、密度繼電器4起、防跳繼電器3起、電流繼電器2起,其它缺陷23起。

上述繼電器故障有的是在設(shè)備投運(yùn)時(shí)就存在隱患,如部分氣體繼電器在投運(yùn)時(shí)就存在輕微滲油的情況,隨著設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長,滲油情況加劇。有的繼電器選型不當(dāng)導(dǎo)致存在家族性缺陷,在一定情況下會(huì)引發(fā)設(shè)備故障。有的繼電器運(yùn)行維護(hù)管理不當(dāng),如繼電器接線松動(dòng)或受潮導(dǎo)致設(shè)備故障。更多的則是隨著運(yùn)行時(shí)間的延長,繼電器內(nèi)部元器件老化導(dǎo)致故障。

3 氣體繼電器故障導(dǎo)致主變跳閘

2018年2月6日21:53,某220 kV變電站220 kV 1號(hào)主變有載開關(guān)氣體繼電器重瓦斯保護(hù)動(dòng)作,斷開該主變?nèi)齻?cè)斷路器。導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的氣體繼電器型號(hào)為URF25/10 12-25-48,生產(chǎn)廠家為德國EMB。運(yùn)行維護(hù)檢修人員到達(dá)故障現(xiàn)場,對(duì)1號(hào)主變及三側(cè)斷路器進(jìn)行檢查,主變油位、油溫、斷路器壓力未發(fā)現(xiàn)明顯異常。1號(hào)主變保護(hù)裝置顯示有載開關(guān)氣體繼電器重瓦斯保護(hù)動(dòng)作。對(duì)1號(hào)主變本體端子箱、有載調(diào)壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查,無明顯異常。調(diào)取非電量及輔助保護(hù)裝置自檢報(bào)告,發(fā)現(xiàn)2018年2月6日21:53發(fā)生有載開關(guān)重瓦斯動(dòng)作后信號(hào)迅速恢復(fù),反復(fù)發(fā)生四次。非電量及輔助保護(hù)裝置自檢報(bào)告截圖如圖1所示。

圖1 非電量及輔助保護(hù)裝置自檢報(bào)告截圖

該有載開關(guān)氣體繼電器的接線方式如圖2所示,測量觸點(diǎn)11電壓僅為直流120 V,而正常應(yīng)為220 V,初步確定有載氣體繼電器存在故障。

圖2 氣體繼電器接線

檢修人員立即聯(lián)系設(shè)備廠家準(zhǔn)備備用有載開關(guān)氣體繼電器,同時(shí)安排對(duì)原氣體繼電器進(jìn)行送檢分析。2月7日14:30,更換完畢新氣體繼電器,再次檢查二次絕緣芯對(duì)芯電阻值為5.35 GΩ,芯對(duì)地電阻值為1.56 GΩ和3.78 GΩ。16:00,電科院檢測發(fā)現(xiàn)原有載開關(guān)氣體繼電器觸點(diǎn)內(nèi)絕緣不合格,觸點(diǎn)23、24間絕緣電阻值為0.4 MΩ,觸點(diǎn)11、14間絕緣電阻值為0.05 MΩ。進(jìn)一步解體檢查,發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)11、14間的干簧管尾部絕緣薄弱,存在放電現(xiàn)象,進(jìn)一步確認(rèn)主變跳閘為氣體繼電器故障引起,如圖3所示。2月7日16:00,向省調(diào)申請(qǐng)恢復(fù)送電,并于16:30送電成功,現(xiàn)場主變恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖3 觸點(diǎn)11、14間干簧管情況

該變電站1號(hào)主變于2005年12月投運(yùn),運(yùn)行超過12 a,有載開關(guān)氣體繼電器內(nèi)部干簧管尾部絕緣性能下降,最終導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)導(dǎo)通,主變有載重瓦斯保護(hù)誤動(dòng)。

4 非全相時(shí)間繼電器故障導(dǎo)致斷路器跳閘

2017年12月6日9:24,某1 000 kV特高壓變電站A后臺(tái)發(fā)直流接地信號(hào)。9:28,500 kV平淮5011斷路器非全相繼電器動(dòng)作,5011斷路器跳閘,無負(fù)荷損失。運(yùn)行維護(hù)人員立即前往檢查,發(fā)現(xiàn)為第一套非全相保護(hù)回路時(shí)間繼電器誤動(dòng)。該繼電器生產(chǎn)廠家為西安凱盛,型號(hào)為LTD 3000。2018年2月1日,使用同樣型號(hào)時(shí)間繼電器的另一個(gè)1 000 kV特高壓變電站B發(fā)生同樣的跳閘事故。

兩次跳閘事故現(xiàn)象高度相似,主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

(1) 跳閘前站內(nèi)后臺(tái)均發(fā)出直流接地信號(hào),運(yùn)行維護(hù)人員隨即響應(yīng)開展排查。跳閘時(shí)間與直流接地信號(hào)發(fā)出時(shí)間間隔較短,在排查過程中已發(fā)生了跳閘,特別是變電站A,直流接地僅4 min之后便發(fā)生跳閘。

(2) 調(diào)閱故障前后的報(bào)文及光字信息,確認(rèn)跳閘前除直流接地外無其它異常信號(hào)。跳閘時(shí),后臺(tái)發(fā)非全相保護(hù)動(dòng)作,保護(hù)裝置無動(dòng)作及異常報(bào)警信號(hào)。

(3) 通過二次回路檢查,確認(rèn)接地點(diǎn)位于第一套非全相保護(hù)回路時(shí)間繼電器。拆除繼電器后恢復(fù)操作電源,直流接地信號(hào)消失。通過絕緣電阻值測試,繼電器觸點(diǎn)間,以及觸點(diǎn)對(duì)地絕緣不良。拆解時(shí)間繼電器,發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在凝露、銹跡,如圖4所示。

圖4 時(shí)間繼電器內(nèi)部凝露與銹蝕

經(jīng)了解,該繼電器生產(chǎn)廠家同類設(shè)備之前在其它地區(qū)發(fā)生過類似故障,廠家于是對(duì)該型號(hào)時(shí)間繼電器進(jìn)行了改進(jìn)。如圖5所示,右側(cè)為改進(jìn)前外形,左側(cè)為改進(jìn)后外形。安徽省電力公司要求廠家對(duì)改進(jìn)前后繼電器開展環(huán)境模擬試驗(yàn)。廠家于2018年1月2日出具了試驗(yàn)報(bào)告,試驗(yàn)表明,當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度達(dá)到80%以上,且環(huán)境溫度發(fā)生快速升高時(shí),改進(jìn)前繼電器內(nèi)部出現(xiàn)凝露,改進(jìn)后繼電器內(nèi)部無凝露。除繼電器密封不良易導(dǎo)致凝露外,安徽省電力公司通過對(duì)改進(jìn)前后繼電器進(jìn)行拆解對(duì)比,認(rèn)為導(dǎo)致繼電器內(nèi)部凝露的內(nèi)在原因可能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷,使繼電器內(nèi)電子元件較多,布局緊湊,特別是金屬外殼的濾波器上容易產(chǎn)生凝露,廠家改進(jìn)后的繼電器則取消了該濾波器。如圖6所示,右側(cè)為改進(jìn)前繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu),左側(cè)為改進(jìn)后繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

綜上分析認(rèn)為,造成斷路器跳閘的直接原因?yàn)闀r(shí)間繼電器內(nèi)部凝露使絕緣降低,導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作出口跳閘。繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,是產(chǎn)生凝露的本質(zhì)原因。改進(jìn)前的該型號(hào)繼電器,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性、故障后果等幾方面分析,已經(jīng)具備家族缺陷的特征。目前在安徽省電力公司的要求下,廠家已完成對(duì)所有相同型號(hào)繼電器的更換。

圖5 改進(jìn)前后時(shí)間繼電器外形

圖6 改進(jìn)前后時(shí)間繼電器內(nèi)部

5 繼電器參數(shù)匹配不當(dāng)導(dǎo)致異響

2018 年1 月26 日,某220 kV變電站220 kV繁盛2D22斷路器防跳回路改造完成后合閘,斷路器三相機(jī)構(gòu)持續(xù)存在繼電器開斷、閉合的聲響,同時(shí)保護(hù)室內(nèi)2D22間隔第一套保護(hù)裝置的斷路器三相跳位指示燈也持續(xù)存在亮、熄的閃滅現(xiàn)象?，F(xiàn)場測量K3防跳繼電器兩端電壓為170 V。該斷路器為ABB公司產(chǎn)品,型號(hào)為LTB245E1,操動(dòng)機(jī)構(gòu)型號(hào)為BLK222。

該型號(hào)斷路器的分合閘控制回路如圖7所示。圖7中Y3為合閘線圈,K9為六氟化硫閉鎖繼電器觸點(diǎn),K13為儲(chǔ)能繼電器觸點(diǎn)。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí),操作箱繼電器TWJ與斷路器機(jī)構(gòu)箱的合閘回路接通,監(jiān)視合閘回路的完好性。正常情況下,當(dāng)斷路器合閘完成后,斷路器三相機(jī)構(gòu)防跳繼電器K3應(yīng)該在失電狀態(tài),不應(yīng)吸合。但是檢查實(shí)際發(fā)現(xiàn),當(dāng)斷路器在合閘位置時(shí),TWJ和K3不斷吸合并返回,發(fā)出異響。經(jīng)查明,K3與該間隔第一套保護(hù)裝置繼電器TWJ參數(shù)不匹配,導(dǎo)致TWJ和K3異常啟動(dòng)。當(dāng)斷路器在合閘位置時(shí),斷路器輔助開關(guān)常開+BG 23-24觸點(diǎn)閉合,正電經(jīng)TWJ、K3到負(fù)電形成通路。此時(shí),TWJ及其電阻VR1與K3的參數(shù)匹配不當(dāng),導(dǎo)致TWJ與K3在斷路器合位時(shí)動(dòng)作。K3動(dòng)作后,K3的11-12觸點(diǎn)斷開,TWJ和K3形成的回路斷開,然后TWJ和K3返回,K3的11-12觸點(diǎn)又閉合,TWJ與K3 再次形成通路,TWJ和K3再次動(dòng)作,重復(fù)上述現(xiàn)象。

圖7 斷路器分合閘控制回路

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,采用一種簡單的方法,在TWJ與機(jī)構(gòu)控制回路之間串接斷路器的常閉輔助觸點(diǎn),如圖8所示,使TWJ與K3不存在匹配不當(dāng)問題。

采用以上方法后,繼電器異響故障消除,斷路器分合閘功能恢復(fù)正常。

圖8 解決方案

6 預(yù)防措施

變電站中繼電器對(duì)于變電設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行具有重要意義。就繼電器而言,提高其使用壽命或節(jié)省一個(gè)繼電器,價(jià)值少則十幾元,多則也僅幾千元。但對(duì)繼電器所處的系統(tǒng)而言,將產(chǎn)生很大影響。繼電器正確運(yùn)行可使系統(tǒng)處在良好的狀態(tài)下,所創(chuàng)造的價(jià)值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于繼電器本身的價(jià)值。從上述繼電器常見故障統(tǒng)計(jì)和案例可以看出,繼電器故障的原因多種多樣,故障發(fā)生的時(shí)間也貫穿設(shè)備從建設(shè)到退役的各個(gè)階段。為了防止因繼電器故障導(dǎo)致變電設(shè)備故障,提出以下預(yù)防措施。

(1) 加強(qiáng)新入網(wǎng)變電設(shè)備所用繼電器的選型。一般新建擴(kuò)建變電設(shè)備都會(huì)召開設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì),可結(jié)合繼電器常見故障和各品牌繼電器的實(shí)際使用效果,在這一階段對(duì)繼電器的選型進(jìn)行把關(guān)。如目前安徽省電力公司要求新入網(wǎng)的非全相時(shí)間繼電器應(yīng)優(yōu)先選用電磁式繼電器,且無試驗(yàn)按鈕。

(2) 加強(qiáng)新入網(wǎng)變電設(shè)備所用繼電器的驗(yàn)收。新安裝的繼電器定值按照相關(guān)規(guī)定整定需正確,動(dòng)作電壓、功率校驗(yàn)需合格,絕緣電阻值測試需合格,上述工作驗(yàn)收人員需旁站見證。各繼電器的功能模擬試驗(yàn)需正常,后臺(tái)信號(hào)需正確。針對(duì)氣體繼電器滲漏油的情況,應(yīng)嚴(yán)把驗(yàn)收關(guān),確保氣體繼電器原始安裝正確到位,密封良好,杜絕帶病上崗。

(3) 加強(qiáng)繼電器的運(yùn)行維護(hù)。加強(qiáng)運(yùn)行環(huán)境的檢查、維護(hù),重點(diǎn)檢查非全相繼電器所處箱柜的防雨、防潮、防塵、防小動(dòng)物措施是否完善,內(nèi)部加熱、除濕裝置運(yùn)行是否正常,內(nèi)部是否存在凝露,發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)處置。繼電器外殼、底座存在松動(dòng)或破裂時(shí),應(yīng)及時(shí)停電更換,嚴(yán)禁采用扎帶緊固。有條件時(shí)可結(jié)合主設(shè)備帶電檢測計(jì)劃開展繼電器本體、接線端子的紅外測溫。

(4) 加強(qiáng)繼電器檢修管理。嚴(yán)格按照《國家電網(wǎng)公司變電設(shè)備檢修通用細(xì)則》實(shí)施檢修項(xiàng)目,校驗(yàn)不合格的繼電器應(yīng)更換為品質(zhì)更優(yōu)的產(chǎn)品。加強(qiáng)檢修記錄管理,做好備件儲(chǔ)備及使用。繼電器的更換周期與變電設(shè)備大修周期應(yīng)保持一致。

7 結(jié)束語

繼電器是實(shí)現(xiàn)對(duì)變電設(shè)備保護(hù)和控制的基礎(chǔ),對(duì)于變電設(shè)備安全可靠運(yùn)行具有重要意義。筆者總結(jié)了變電站中繼電器的常見故障,分析具體故障案例,并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的預(yù)防措施,為繼電器故障的處理和預(yù)防提供參考。