一起500kV西門子斷路器合閘故障分析

黃杰

摘? 要：本文主要針對(duì)一起因電子元件損壞導(dǎo)致的500kV西門子3AT3EI型高壓斷路器合閘故障進(jìn)行分析研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障現(xiàn)象，本文通過對(duì)該斷路器的合閘控制回路和相應(yīng)的閉鎖控制回路進(jìn)行仔細(xì)分析推導(dǎo)，尋找出故障發(fā)生真正原因，并根據(jù)故障原因提出相應(yīng)的防范措施，為避免同類斷路器設(shè)備此類故障再次發(fā)生提供借鑒，切實(shí)提高超高壓電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：500kV斷路器? 控制回路? 拒合? 故障分析

中圖分類號(hào)：TM561? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（c）-0119-03

Abstract： This paper mainly analyzes a closing fault of 500kV Siemens 3AT3EI high voltage circuit breaker caused by electronic component damage. According to the on-site fault phenomenon， this paper analyzes and deduces the closing control circuit and the corresponding locking control circuit of the circuit breaker， finds out the real cause of the fault， and puts forward corresponding preventive measures according to the fault causes， so as to provide reference for avoiding similar circuit breaker equipment from happening again， and effectively improve the operation reliability of ultra-high voltage power grid equipment.

Key Words： 550 kV circuit breaker;Control circuit; Refuse to close;Fault analysis

西門子3AT3EI型高壓斷路器采用了定開距、石墨雙噴嘴設(shè)計(jì)，雙運(yùn)動(dòng)壓氣式滅弧方式，液壓氮?dú)鈨?chǔ)能操動(dòng)機(jī)構(gòu)，滅弧能力強(qiáng)，控制性能優(yōu)異，因此在我省500kV電網(wǎng)中有著廣泛應(yīng)用。但由于運(yùn)行環(huán)境不斷變化以及斷路器自身元器件缺陷或老化，設(shè)備在運(yùn)行過程中會(huì)引發(fā)各種故障。本文通過本公司一起500kV西門子3AT3EI型高壓斷路器合閘故障處理過程實(shí)例進(jìn)行分析，并根據(jù)故障原因提出相應(yīng)的防范措施。

1? 故障簡(jiǎn)述

某500kV變電站運(yùn)行人員進(jìn)行送電倒閘操作，遙控合上某500kV斷路器后，發(fā)現(xiàn)測(cè)控屏上斷路器分、合閘位置指示燈都亮起，經(jīng)向調(diào)度部門匯報(bào)后進(jìn)行一次試分合操作，指示燈顯示依舊異常，于是向調(diào)度部門申請(qǐng)將該斷路器轉(zhuǎn)為冷備用狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)行位置指示燈顯示異常消缺。

隨后，檢修人員趕到該變電站現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行位置指示燈顯示異常消缺處理。但在對(duì)該斷路器傳動(dòng)回路進(jìn)行檢查處理過程中，信號(hào)突然消失，指示燈恢復(fù)正常，并未發(fā)現(xiàn)相關(guān)回路異常。于是，將該臺(tái)斷路器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)分合閘操作三次，后臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)分合閘操作三次，均無異?，F(xiàn)象。

運(yùn)行人員向調(diào)度部門申請(qǐng)將斷路器投入運(yùn)行，但在送電過程中斷路器突然合閘不成功，三相不一致繼電器動(dòng)作，三相全跳至分位。檢修人員檢查故障錄波器，發(fā)現(xiàn)A相合閘過程沒有電流通過，A相合閘不成功，因此導(dǎo)致三相不一致繼電器動(dòng)作，斷路器三相全跳至分閘位置。

該臺(tái)高壓斷路器型號(hào)為3AT3EI，德國(guó)西門子生產(chǎn)，于1997年10月15日出廠，1999年12月5日投入運(yùn)行，最近一次的修試日期為2017年5月20日。

2? 現(xiàn)場(chǎng)檢查

經(jīng)調(diào)度部門批準(zhǔn)將該臺(tái)斷路器轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)，進(jìn)行故障檢查處理。檢修人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量正電源1101端子、負(fù)電源1102端子、遠(yuǎn)控合閘回路端子7a、7b、7c電位全部正常，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

隨后進(jìn)行就地試操作，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)合閘，斷路器合閘成功，未發(fā)生異常現(xiàn)象，故障再次消失。再進(jìn)行兩次操作均未發(fā)生異常。但在進(jìn)行第三次操作時(shí)，故障終于再現(xiàn)，斷路器A相合閘失敗，三相不一致動(dòng)作，三相跳閘。由于三相不一致繼電器K61得電動(dòng)作，導(dǎo)致合閘總閉鎖繼電器K12失電動(dòng)作，合閘回路斷開。

現(xiàn)場(chǎng)將復(fù)位按鈕S3復(fù)位，再次對(duì)斷路器控制回路進(jìn)行檢查測(cè)量，未發(fā)現(xiàn)回路異常。檢修人員再次嘗試進(jìn)行就地手動(dòng)合閘，三相都合閘成功，但是合閘總閉鎖繼電器K12卻未吸合，合閘回路總閉鎖，但是三相不一致出口繼電器K61、K63未吸合，這次三相不一致未動(dòng)作。

合閘總閉鎖K12繼電器的斷電條件包括：K81漏氮告警繼電器、K2合閘油壓低閉鎖繼電器、K7防跳繼電器、K61三相不一致繼電器、K10分閘總閉鎖。現(xiàn)場(chǎng)分閘總閉鎖繼電器K10吸合，分閘回路未閉鎖，可以排除。三相不一致繼電器K61未動(dòng)，可以排除。通過電壓法測(cè)量，將故障范圍縮小到到K7、K2、k81三個(gè)繼電器這段回路，這三個(gè)繼電器裝設(shè)在集成電路板上，測(cè)量電位比較困難。通過間接法測(cè)量繼電器K2、K81端子未動(dòng)作，基本確定K7繼電器動(dòng)作了。

再次對(duì)合閘回路進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量端子排1002上監(jiān)視回路5a端子+10V，而5b，5c端子都是+55V，電位不正常。將5a線頭拔出檢查，測(cè)量5a線端子上+55V，1002剩下端子-55V，有負(fù)電傳過來，但此時(shí)合閘回路S1LA常閉節(jié)點(diǎn)應(yīng)該是打開狀態(tài)，負(fù)電過不來。

于是懷疑輔助開關(guān)節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生粘連，測(cè)量合閘控制回路輔助開關(guān)節(jié)點(diǎn)S1LA31、32，都是-55V，再將31線頭拔掉，31線上-55v，31節(jié)點(diǎn)上沒電，而32節(jié)點(diǎn)上也是-55V，輔助開關(guān)節(jié)點(diǎn)沒有粘連。

若控制回路中各元器件均正常，在分閘狀態(tài)下，S1LA輔助開關(guān)常開節(jié)點(diǎn)打開，常閉節(jié)點(diǎn)閉合，如圖所示。在合閘狀態(tài)下，S1LA輔助開關(guān)切換，常開節(jié)點(diǎn)閉合，常閉節(jié)點(diǎn)打開，且二極管無法反向?qū)?，因此二極管正端電壓為-55V，而二極管負(fù)端1002端子上電壓應(yīng)該約為55V，而非-55V，因此懷疑該斷路器V12LA的二極管性能異常。由于二極管性能異常，發(fā)生反向?qū)?，監(jiān)視回路5a端子上正電從二極管負(fù)端串到二極管正端，導(dǎo)致K7繼電器動(dòng)作。

隨后將該二極管找出，將其拆解后對(duì)V12LA二極管的電阻進(jìn)行測(cè)試，用萬用表歐姆檔測(cè)量發(fā)現(xiàn)該二極管正向?qū)щ姇r(shí)電阻達(dá)3933Ω，反向?qū)щ婋娮铻?547Ω，用萬用表二極管檔測(cè)量正向電壓0.517V，反向電壓1.172V。

對(duì)該斷路器B相（可正常分合閘）的相同的二極管進(jìn)行電阻測(cè)量，用萬用表歐姆檔測(cè)量二極管正向?qū)щ姇r(shí)電阻達(dá)4.86MΩ，反向?qū)щ婋娮铻闊o窮，用萬用表二極管檔測(cè)量V12LB正向0.528V，反向?qū)щ婋娮铻闊o窮，因此確定V12LA二極管異常。

3? 故障分析與處理

3.1 合閘控制回路原理

斷路器在分閘位置時(shí)，跳位監(jiān)視繼電器TWJ正電，經(jīng)過1002端子，經(jīng)過斷路器輔助開關(guān)常閉節(jié)點(diǎn)S1LA31、32，經(jīng)過合閘線圈Y1LA，再經(jīng)過合閘總閉鎖繼電器K12常開節(jié)點(diǎn)（正常狀態(tài)吸合）到負(fù)電，分閘位置指示燈亮，實(shí)現(xiàn)分位監(jiān)視。

斷路器遠(yuǎn)控A相合閘操作時(shí)，正電從測(cè)控端子7a過來，經(jīng)過遠(yuǎn)近控切換開關(guān)，經(jīng)過二極管V12LA，經(jīng)過1002端子，經(jīng)過斷路器輔助開關(guān)常閉節(jié)點(diǎn)S1LA31、32，經(jīng)過合閘線圈Y1LA，再經(jīng)過合閘總閉鎖繼電器K12常開節(jié)點(diǎn)到負(fù)電，合閘線圈動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)合閘。

斷路器合閘后，輔助開關(guān)S1LA常開常閉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切換，合閘回路中常閉節(jié)點(diǎn)S1LA31、32打開，防跳回路中防跳繼電器K7前面串聯(lián)的S1LA常開節(jié)點(diǎn)閉合。此時(shí)，如果合閘回路還有正電過來，合閘回路中常閉節(jié)點(diǎn)S1LA31、32已經(jīng)打開，合閘回路不通，但是可以經(jīng)過S1LA常開節(jié)點(diǎn)（此時(shí)閉合），經(jīng)過防跳繼電器K7到達(dá)負(fù)電，防跳繼電器K7吸合，防跳功能啟動(dòng)。此時(shí)雖然合閘命令存在，合閘回路有正電過來，但是合閘回路不通，不會(huì)再進(jìn)行合閘動(dòng)作。

3.2 合閘總閉鎖回路原理

合閘總閉鎖K12繼電器的斷電條件包括：K81漏氮告警繼電器、K2合閘油壓低閉鎖繼電器、K7防跳繼電器、K61三相不一致繼電器、K10分閘總閉鎖。而K10分閘總閉鎖的斷電條件又包括：K3分閘油壓低閉鎖繼電器、K5 SF6低閉鎖分合閘繼電器、K14漏氮延時(shí)閉鎖分閘。

當(dāng)油泵打壓至355bar且油泵繼續(xù)打壓時(shí)，K81漏氮告警繼電器啟動(dòng)閉鎖合閘，3小時(shí)后K14漏氮延時(shí)繼電器啟動(dòng)閉鎖分閘;

當(dāng)油壓低至278bar時(shí)，K2合閘油壓低閉鎖繼電器啟動(dòng)閉鎖合閘，油壓低至263bar時(shí)K3分閘油壓低閉鎖繼電器啟動(dòng)閉鎖分閘;

當(dāng)SF6氣壓低至閉鎖值K5繼電器啟動(dòng)閉鎖分合閘;

當(dāng)斷路器三相狀態(tài)不一致時(shí)，K61三相不一致繼電器啟動(dòng)，斷路器三相跳至分位同時(shí)閉鎖合閘;

當(dāng)合閘命令節(jié)點(diǎn)粘連或合閘按鈕卡死，合閘回路持續(xù)給電，防跳繼電器K7啟動(dòng)閉鎖合閘回路。

正常情況下，K12和K10繼電器都是吸合狀態(tài)，一旦有一個(gè)控制條件不滿足，都會(huì)導(dǎo)致合閘閉鎖繼電器K12斷電，合閘回路總閉鎖。

3.3 故障現(xiàn)象分析

綜合斷路器分合位位置指示燈同時(shí)亮、A相無法合閘、防跳繼電器K7動(dòng)作三個(gè)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析：

當(dāng)斷路器全部合位時(shí)，合閘位置指示燈應(yīng)該正常亮起，而跳閘位置指示燈亮是由于跳位監(jiān)視繼電器TWJ通過劣化的二極管反向?qū)ê头捞芈沸纬蓪?dǎo)通回路，因此造成了斷路器合閘后分、合閘指示燈都亮的現(xiàn)象。

由于二極管性能異常，當(dāng)進(jìn)行合閘操作時(shí)，回路電阻變大，流過合閘線圈電流減小，達(dá)不到合閘線圈動(dòng)作條件，導(dǎo)致A相合閘線圈不動(dòng)作，A相合閘失敗。

由于二極管發(fā)生反向?qū)?，監(jiān)視回路5a端子上正電從二極管負(fù)端串到二極管正端，導(dǎo)致防跳繼電器K7繼電器動(dòng)作，從而合閘總閉鎖K12繼電器動(dòng)作，閉鎖合閘回路。

該二極管的性能劣化處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，因此造成了多個(gè)故障現(xiàn)象，具有很強(qiáng)的迷惑性，給快速排除故障帶來了不少麻煩。

3.4 故障處理

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一系列故障現(xiàn)象的診斷分析，最終將故障原因確定為二極管元件性能異常。隨后，檢修人員立即尋找備品，將故障的二極管進(jìn)行了更換處理。更換二極管后，合閘回路檢查正常，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行五次就地分合閘測(cè)試和五次遠(yuǎn)控分合閘測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)三相分合閘正常，后臺(tái)顯示的分合閘狀態(tài)正常，分合閘位置指示燈顯示正常，最終故障成功消除。

4? 防范措施

目前老式德國(guó)西門子斷路器產(chǎn)品使用此種結(jié)構(gòu)的二極管，在運(yùn)行過程中可能存在劣化失效的情況，因此提出以下建議：

（1）在例行停電檢修時(shí)，針對(duì)西門子斷路器二次回路中使用的二極管進(jìn)行重點(diǎn)排查，確保控制回路中二極管性能正常;

（2）目前西門子斷路器老式產(chǎn)品使用此種結(jié)構(gòu)的二極管，且該公司不再提供此類備品，一旦發(fā)生損壞可能無備品備件替換，因此需要考慮進(jìn)行此種類型二極管的同類產(chǎn)品性能替代;

（3）對(duì)各類斷路器跳閘位置監(jiān)視繼電器TWJ接入合閘回路的方式、TWJ與防跳繼電器K7線圈的匹配情況進(jìn)行分析排查，對(duì)可能存在的K7通過TWJ持續(xù)得電風(fēng)險(xiǎn)的情況應(yīng)進(jìn)行回路技術(shù)改造，例如在跳閘位置監(jiān)視回路中多加一副斷路器輔助開關(guān)常開節(jié)點(diǎn)從而避免串電可能，進(jìn)一步提高產(chǎn)品運(yùn)行可靠性。

5? 結(jié)語

通過對(duì)一起500kV西門子斷路器合閘故障檢查處理過程進(jìn)行仔細(xì)分析，找出了該型號(hào)斷路器的拒合故障原因，并提出了相關(guān)防范措施和改進(jìn)建議，從而避免此類故障再次發(fā)生，影響電網(wǎng)運(yùn)行安全。

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