500kV變電站開關(guān)故障分析

楊金戈

（廣東省能源集團(tuán)有限公司沙角C 電廠，廣東 東莞523936）

1 概述

500KV 變電站是電力系統(tǒng)中非常重要的組成部分，分析500KV變電站的故障有利于掌握變電站的運(yùn)行規(guī)律，杜絕故障的發(fā)生。沙角C電廠執(zhí)行中調(diào)令斷開500kV第五串聯(lián)絡(luò)5052 開關(guān)、5053 開關(guān)。當(dāng)合上50521、50522 刀閘電動機(jī)220V 直流動力電源時(shí)，50521、50522 刀閘突然分閘，開關(guān)短引線保護(hù)一、保護(hù)二動作5052、5053 開關(guān)跳閘。

圖1 故障前運(yùn)行方式

2 故障過程

2.1 運(yùn)行操作情況。2019 年8 月28 日，值長接到調(diào)度令：斷開500kV第五串聯(lián)絡(luò)5052 開關(guān)；斷開500kV第五串5053 開關(guān)；電氣操作員接到值長令后，填寫操作票經(jīng)審核簽名后到現(xiàn)場操作。首先在現(xiàn)場檢查500kV第五串開關(guān)、刀閘狀態(tài)及第五串5052、5053 就地GIS匯控柜情況，檢查無異常；電氣操作員送上第五串就地控制S2 柜-F2M （50521 刀閘、50522 刀閘、505217 地刀、505227 地刀操作電動機(jī)的動力電源）220V 直流空開時(shí)，50521 刀閘、50522 刀閘、5052 開關(guān)、5053 開關(guān)相繼跳閘，現(xiàn)場檢查50521 刀閘、50522 刀閘、5052 開關(guān)、5053 開關(guān)三相斷開。電氣操作員立即匯報(bào)值長，值長即將該事件匯報(bào)中調(diào)和電廠相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，通知繼保班進(jìn)廠檢查處理。

2.2 保護(hù)動作情況及動作順序。5052、5053 開關(guān)短引線保護(hù)一、保護(hù)二動作，故障相為A相，最大故障電流為10.26A(對應(yīng)一次側(cè)電流為41kA)，5053 開關(guān)三相跟跳動作，故障相電流顯示為A相。故障錄波報(bào)告顯示故障相為5053 開關(guān)支路A相，繼電保護(hù)正確動作。查閱500kV監(jiān)視系統(tǒng)SOE，從SOE 結(jié)果看，開關(guān)及刀閘的分閘順序依次是：50522 刀閘、50521 刀閘、5053 開關(guān)、5052 開關(guān)。

3 故障后檢查情況

3.1 一次設(shè)備檢查情況。檢測人員分別檢測5052、5053、50521、50522 刀閘氣室SF6 分解物。發(fā)現(xiàn)5053 開關(guān)A 相氣室的SO2為106ppm，H2S 為105ppm，50522 刀閘A 相氣室的SO2為295ppm，H2S 為176ppm, 表明50522 刀閘A 相氣室發(fā)生過電弧故障，5053 開關(guān)A 相斷路器本體開斷過故障電流。根據(jù)各氣室SF6氣體分解物的檢測結(jié)果及故障錄波結(jié)果分析，確定故障點(diǎn)位于50522 A相刀閘。50522 A相刀閘所在氣室的所有部件因50522 刀閘誤分閘導(dǎo)致的接地故障而受到嚴(yán)重污染，該氣室內(nèi)的三臺A相隔離刀閘（50522、50531、50536）、三臺A 相接地刀閘（505227、505317、505367）和四組CT（503、504 用于II 母母差保護(hù)；505、506用于沙東乙線T區(qū)保護(hù)）均需更換。5053 斷路器A 相斷路器由于切斷過近距故障電流需解體檢修。

3.2 二次回路檢查情況。對50521、50522 刀閘二次回路的詳細(xì)檢查，可以排除刀閘控制回路接錯(cuò)線、聯(lián)鎖板跳閘出口接點(diǎn)擊穿、聯(lián)鎖板功能失效、電纜絕緣下降、直流接地、交流竄入直流、寄生回路等設(shè)備原因引起的50521、50522 刀閘誤分的可能性。500kV 遠(yuǎn)方監(jiān)視系統(tǒng)SOE 記錄本次50521、50522 刀閘幾乎同時(shí)分閘，因此也排除停電過程中人為誤操作的可能。

4 故障原因分析

4.1 設(shè)備情況。500kV開關(guān)站為戶內(nèi)SF6 氣體絕緣全封閉組合電器，采用二分之三接線方式，瑞士ABB 公司生產(chǎn)的GIS 設(shè)備，設(shè)備制造時(shí)間為1991 年，投運(yùn)時(shí)間為1992 年，500kV GIS 斷路器型號為ELK.SP3-21，額定開斷電流為50kA，隔離刀閘型號為ELK-TX/TV。第五串50521、50522 隔離刀閘操作閉鎖邏輯完好。

4.2 短引線保護(hù)動作原因分析。當(dāng)送上50521、50522 刀閘操作電動機(jī)220V 直流動力電源時(shí)，50521、50522 刀閘在5052 斷路器仍在合閘運(yùn)行狀態(tài)時(shí)突然帶負(fù)荷分閘，導(dǎo)致50522 A相刀閘在分閘過程中起弧，發(fā)生接地故障，最大故障電流達(dá)到41kA,造成5052、5053 開關(guān)短引線保護(hù)一、保護(hù)二動作，5053 開關(guān)保護(hù)三相跟跳動作，跳開5052、5053 開關(guān)，短引線保護(hù)一、二正確動作及出口，快速切除故障。

圖2 刀閘分閘操作回路邏輯圖

4.3 50521、50522 刀閘異常分閘的原因分析。分析50521、50522 刀閘分、合閘控制回路圖，發(fā)現(xiàn)該控制回路設(shè)計(jì)原理存在安全隱患：50521、50522 刀閘分、合閘回路均設(shè)計(jì)自保持電路，該自保持電路不受50521、50522 刀閘的動力電源開關(guān)F2M控制，在開關(guān)斷開、刀閘在合閘狀態(tài)、刀閘動力電源退出的情況下，如進(jìn)行刀閘分閘操作，將導(dǎo)致分閘自保持回路持續(xù)導(dǎo)通，在下一次投入動力電源時(shí)，將觸發(fā)刀閘直接分閘。在正常情況下，控制電源F2、動力電源F2M都合上，該設(shè)計(jì)不存在安全漏洞。此時(shí)即使有人為分閘信號，信號無法通過電氣五防邏輯閉鎖，無法導(dǎo)致分閘自保持回路持續(xù)導(dǎo)通，分析以下情況。

4.3.1 50521 刀閘動力電源開關(guān)F2M合上。在5052 開關(guān)在合閘狀態(tài)、50521 刀閘在合上狀態(tài)，此時(shí)操作拉開50521 刀閘，由于刀閘分閘的聯(lián)鎖條件不滿足，聯(lián)鎖板無分閘指令輸出，50521 刀閘分閘繼電器K21A1、K21A2、K21A3 繼電器不會動作，50521 刀閘無法拉開。

在5052 開關(guān)在分閘狀態(tài)、50521 刀閘在合上狀態(tài)，此時(shí)操作拉開50521 刀閘，由于刀閘分閘的聯(lián)鎖條件滿足，聯(lián)鎖板有分閘指令輸出，50521 刀閘分閘繼電器K21A1、K21A2、K21A3 繼電器動作，50521 刀閘正常拉開，不會導(dǎo)致帶負(fù)荷拉刀閘，對系統(tǒng)不會造成任何不良影響。當(dāng)50521 刀閘拉開后，刀閘常開輔助接點(diǎn)（25、26）打開，分閘繼電器K21A1、K21A2、K21A3 自動返回，不會自保持。

4.3.2 50521 刀閘動力電源開關(guān)F2M斷開。在5052 開關(guān)在合閘狀態(tài)、50521 刀閘在合上狀態(tài)，此時(shí)操作拉開50521 刀閘，由于刀閘分閘的聯(lián)鎖條件不滿足，聯(lián)鎖板無分閘指令輸出，50521 刀閘分閘繼電器K21A1、K21A2、K21A3 繼電器不會動作，50521 刀閘無法拉開。

在5052 開關(guān)在分閘狀態(tài)、50521 刀閘在合上狀態(tài)，此時(shí)操作拉開50521 刀閘，由于刀閘分閘的聯(lián)鎖條件滿足，聯(lián)鎖板有分閘指令輸出，50521 刀閘分閘繼電器K21A1、K21A2、K21A3 繼電器動作，但是由于50521 刀閘電機(jī)沒有動力電源，50521 刀閘不會拉開，50521 刀閘常開輔助接點(diǎn)（25、26）一直閉合，則分閘繼電器回路長期自保持。即使合上5052 開關(guān)，50521 刀閘聯(lián)鎖板輸出的分閘指令也仍然長期存在，而當(dāng)再次送上50521 刀閘動力電源F2M時(shí)，50521 刀閘會自動分閘，可能造成帶負(fù)荷拉刀閘的嚴(yán)重后果。

4.3.3 比較其它分閘繼電器。通過以上分析可以看出，當(dāng)?shù)堕l的動力電源斷開后，若開關(guān)在熱備用狀態(tài)，由于某種意外原因造成刀閘的分閘繼電器動作，則刀閘的分閘指令將一直自保持，當(dāng)再次送上刀閘動力電源后存在帶負(fù)荷拉刀閘的安全隱患。從ABB公司了解的信息, 目前ABB公司新設(shè)計(jì)的控制回路是在其馬達(dá)回路中設(shè)置電壓型中間繼電器，把繼電器的常開接點(diǎn)接入刀閘的控制回路，可防止刀閘分、合閘自保持回路誤動作。

為了間接驗(yàn)證這種推測，2019 年9 月5 日拆下同一時(shí)期投用且運(yùn)行條件相似的分閘繼電器進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)K21A1 繼電器線圈偏深，說明50521 刀閘的分閘繼電器極可能處于帶電狀態(tài)并自保持了比較長的時(shí)間。

5 改進(jìn)措施

針對隔離刀閘分、合閘控制回路中的自保持回路存在的設(shè)計(jì)功能不完善問題，可采用在刀閘操作電動機(jī)回路上設(shè)置電壓型中間繼電器，把繼電器的常開接點(diǎn)接入刀閘的控制電源回路。當(dāng)?shù)堕l的控制電源開關(guān)投入、動力電源開關(guān)斷開時(shí)由于中間繼電器失電，其常開接點(diǎn)打開，刀閘的控制電源回路被切斷。這種情況下，即便開關(guān)在熱備用狀態(tài)，由于某種意外原因，誤動刀閘的分閘按扭，刀閘分閘繼電器也不會動作，可防止開關(guān)合閘時(shí)，再次送上刀閘動力電源，刀閘自動分閘的情況，避免帶負(fù)荷拉刀閘。改進(jìn)后，即使是刀閘控制電源和操作電機(jī)電源長期投入，也能保障當(dāng)電機(jī)電源回路失電的情況下可避免帶負(fù)荷拉刀閘。該改進(jìn)措施適用于500kV升壓站內(nèi)所有隔離刀閘和接地刀閘。

國內(nèi)外刀閘的出廠設(shè)計(jì)均以刀閘電源保持投入進(jìn)行考慮，如采取刀閘操作電源長期退出的措施，表面上依靠人工投退電源可避免刀閘誤分合，但實(shí)際影響原有信號監(jiān)控，且經(jīng)常性投退操作電源對復(fù)雜控制回路的影響無法充分辨識，存在可能導(dǎo)致繼電器損壞、接點(diǎn)導(dǎo)通等原因引起刀閘自動分合閘的情況。

6 結(jié)論

通過分析本次故障的過程，我們找出了500kV隔離刀閘帶負(fù)荷拉跳開的原因是由于控制回路的自保持回路存在不合理設(shè)計(jì)。針對隔離刀閘分、合閘控制回路中的自保持回路存在的設(shè)計(jì)功能不完善問題，采用在刀閘操作電動機(jī)回路上設(shè)置電壓型中間繼電器，把繼電器的常開接點(diǎn)接入刀閘的控制電源回路中。我們還將改進(jìn)措施應(yīng)用于500kV升壓站內(nèi)所有隔離刀閘和接地刀閘，杜絕事故再次發(fā)生。