斷路器操作機構(gòu)TBJ誤動作風險分析

張麗，許守東，姜訸，胡永承

（1. 云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.南京智匯電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

斷路器控制回路是通過電氣回路來實現(xiàn)的，它是一個由繼電器及相關(guān)二次回路構(gòu)成、能滿足斷路器控制回路要求的最為簡單的回路，斷路器能否正確控制電網(wǎng)設(shè)備、送出或斷開負荷電流、切除故障，其控制回路尤為重要。由于斷路器的種類和型號是多種多樣，故控制回路的接線方式也很多，但其基本原理與要求是相似的。斷路器控制回路繼電器包括斷路器操作箱內(nèi)電子式繼電器、斷路器本體機構(gòu)箱電磁式繼電器以及連接保護室至開關(guān)廠的控制電纜組成，當控制回路、繼電器動作行為異?；蛘唠娎|絕緣異常，都會造成斷路器控制回路故障，導致斷路器誤跳或拒跳事故發(fā)生[1-5]。

下面結(jié)合一起220 kV變電站110 kV斷路器操作箱TBJ誤動作導致斷路器不正確動作事件，對斷路器操作箱TBJ誤動作風險進行分析并提出改進意見。

1 事件分析

某220 kV變電站繼電保護裝置壓板投入運行前，運行人員開展例行出口壓板電壓測量，誤將萬用表測量電壓的線錯誤接在了電流檔上，造成110 kV斷路器跳閘回路直流（-110 V）經(jīng)萬用表電流檔小內(nèi)阻接地，導致斷路器操作箱跳閘保持繼電器TBJ線圈勵磁，運行中的斷路器跳閘。斷路器跳閘回路示意圖如圖1所示。

圖1 斷路器跳閘回路

1.1 元件檢查測試

檢查斷路器TBJ繼電器動作電流，是否滿足《南方電網(wǎng)繼電保護通用技術(shù)規(guī)范》以及《南方電網(wǎng)電力系統(tǒng)繼電保護反事故措施匯編》：“單口繼電器的自保持電流不應大于額定跳（合）電流的50%，線圈壓降小于額定值的5%”[6-11]。斷路器TBJ繼電器為自適應電流型繼電器，相關(guān)參數(shù)測試結(jié)果如表1所示，斷路器TBJ動作特性及返回特性滿足要求。

表1 繼電器特性測試

1.2 直流系統(tǒng)電流的暫、穩(wěn)態(tài)分析

開展對地電容與直流系統(tǒng)疊加電流的暫、穩(wěn)態(tài)分析；開展接地時對地電容電流與直流電流的KCL分析。

1.2.1 電流測試

跳閘回路如圖1所示，其中TBJ均為電流型繼電器。經(jīng)萬用表測試，斷路器TBJ并聯(lián)所謂的“自適應元件”，電阻值約為4.7 Ω，跳閘線圈電阻值約為96 Ω，跳閘回路簡化電路如圖2所示。其中，A和B為試驗電流監(jiān)測點，測點A布置于支路1（出口壓板處），用于開展KCL分析；測點B布置于支路2（TBJ與跳閘線圈TQ）之間，用于開展跳閘邏輯分析。

圖2 跳閘回路簡化電路圖

根據(jù)TBJ和TQ功能，TBJ啟動瞬間將導通支路3，引入+km；TQ跳閘完成瞬間將斷開支路2，隔斷電流?；陔娐稫CL理論分析：

系統(tǒng)正常運行時，TBJ未啟動，斷路器處于合閘位置，支路1的電流等于支路3的電流（支路1無接地時均為0，有接地時均為對地電容放電電流值）；

系統(tǒng)故障時的暫態(tài)瞬間，TBJ啟動，斷路器處于未完全分開位置，支路2的電流為支路1與支路3的電流之和。

1.2.2 斷路器跳閘情景模擬

情景模擬前均將斷路器置于合位。帶+km經(jīng)萬用表接地，布置監(jiān)測點于測點A和B，斷路器TBJ線圈電流波形如圖3所示。

圖3 測點支路電流情況（左：測點A；右：測點B）

測點A：帶+km經(jīng)萬用表接地時暫態(tài)最大電流為7.39 A，有效值為3.243 A，暫態(tài)時長約為4 ms；穩(wěn)態(tài)電流為1.52 A，穩(wěn)態(tài)電流經(jīng)支路3和支路1流入接地點，不流入TBJ回路。

測點B：帶+km經(jīng)萬用表接地時暫態(tài)最大電流為2.01 A，有效值為1.234 A，暫態(tài)時長約為50 ms，超過動作電流0.155 A，故TBJ動作，斷路器跳閘；穩(wěn)態(tài)電流為0 A。

1.3 原因分析

通過對相關(guān)單體元件的測試和情景還原，結(jié)合電路原理的理論分析，當TBJ接地時，直流負母線對地電容會對斷路器操作回路進行放電，放電過程如圖4所示。當放電衰減時間及放電電流的某個物理意義值（幅值、均值或有效值）都超過TBJ的動作值時，可能就會引起TBJ動作繼而造成斷路器跳閘。

圖4 TBJ線圈接地時的放電示意圖

綜合以上原理分析，TBJ線圈接地時造成斷路器誤跳閘的主要原因可能如下：

1）變電站直流系統(tǒng)回路電纜長、對地分布電容較大；

2）斷路器TBJ回路抗干擾能力不足（TBJ整定值不合理或?qū)α鬟^TBJ的電流控制不足）。

由于目前還沒有有效辦法消除或降低直流系統(tǒng)對地分布電容，且110 kV及以下斷路器操作箱TBJ為電流型自適應繼電器，因此若想從技術(shù)措施方面解決這一問題，可提高對流過TBJ的電流控制來解決這一問題。

2 防范技術(shù)分析

結(jié)合事件的原因分析及其他類似事件的技術(shù)處理經(jīng)驗，TBJ誤動作的技術(shù)防范措施可借鑒繼電器加裝并聯(lián)電阻的方式，廠家提供針對110 kV斷路器TBJ為自適應繼電器，建議TBJ采用1.5Ω電阻的并聯(lián)方案。

2.1 理論計算

經(jīng)測試，斷路器跳閘線圈電阻值約為96.3 Ω，電感值約為1.038 H。110 kV對地電容值參考為30 uF。基于電容和電感的電氣特性[3]，可知暫態(tài)時段KVL方程如下：

對應帶入相關(guān)上述數(shù)值，根據(jù)特征根求解二階微分方程，可得未并電阻時，TBJ回路的特征值為137.03和-234.34，故TBJ回路電流通用模型分別為：

由于e234.34t的斜率曲線為234.34e234.34t，其毫秒級的增量也遠大于實際，故特征值-234.34僅為數(shù)學意義上的解，故可令B=0。

由于C為暫態(tài)時的定量，可與直流電源電流特性相匹配，故C暫按保護正確出口時的電流進行歐姆定律計算，約為2.178 A。

因此Ae-137.03t為暫態(tài)時的變量，故可與對地電容電流相匹配。取1 ms時的值與測試數(shù)據(jù)的峰值進行比例折算修正，得A=0.38。

綜上假設(shè)可建立未并電阻時流過TBJ回路的電流模型可近似等效為：

根據(jù)廠家提供的TBJ采用1.5 Ω，同上述分析方法，得并電阻時流過TBJ回路的電流模型可近似等效為：

假設(shè)發(fā)生接地時斷路器跳閘，則1 ms時TBJ回路電流峰值為2.509A，則50 ms內(nèi)的有效值為：

進一步依據(jù)分流原理計算，流過TBJ繼電器的電流有效值為0.121 A，小于TBJ動作值不能跳閘，這與假設(shè)前提矛盾，故原假設(shè)錯誤，實際為未跳閘。該方案可行。

2.2 實驗驗證

1）帶+ km經(jīng)萬用表接地，布置監(jiān)測點于測點A和B，TBJ線圈電流波形如圖5所示。

圖5 測點支路電流情況（左：測點A；右：測點B）

測點A：帶+ km經(jīng)萬用表接地時暫態(tài)最大電流為0.313 A，有效值為0.145 A，暫態(tài)時長約為41.8 ms；穩(wěn)態(tài)電流為0 A。

測點B：帶+ km經(jīng)萬用表接地時暫態(tài)最大電流為0.373 A，有效值為0.187 A，暫態(tài)時長約為34.9 ms，未超過動作電流0.155 A，故TBJ不動作，101未跳閘；穩(wěn)態(tài)電流為0 A。

2）正常情況下保護動作，布置監(jiān)測點于測點B，TBJ線圈電流波形如圖6所示。

圖6 測點支路電流情況（測點B）

測點B：正常情況保護動作時暫態(tài)最大電流為1.893 A，有效值為1.289 A，暫態(tài)時長約為44.8 ms，超過動作電流0.155 A，故TBJ動作，101跳閘；穩(wěn)態(tài)電流為0 A。

3 TBJ誤動作風險評估

1）現(xiàn)有規(guī)程的要求：根據(jù)標準T / CEC 124-2016《斷路器操作箱通用技術(shù)條件》，適用于220 kV及以上電壓等級斷路器操作箱，保持繼電器額定電流可采用動作電流自適應方式或在一定范圍內(nèi)按極差整定方式，實際動作電流不應大于斷路器跳合閘線圈額定電流的50%，按級差整定時，保持繼電器的實際動作電流宜不小于斷路器跳合閘線圈額定電流的20%。

2）主流廠家設(shè)備情況：少量TBJ采用電流自適應方式，其余廠家均采用跳線方式，在投產(chǎn)調(diào)試時根據(jù)現(xiàn)場跳閘回路的額定電流值進行整定。其他采用跳線整定方式，且TBJ動作值為整定電流的25%～50%，只要TBJ的動作電流嚴格按照斷路器跳閘回路額定電流進行整定，可避免直流一點接地導致TBJ誤動。

自適應方式：其TBJ啟動電流不小于0.5 A，考慮到云南電網(wǎng)220 kV及以上電壓等級斷路器跳閘回路額定電流為1 A至2 A之間，也滿足大于20%的要求，可避免直流一點接地導致TBJ誤動。

跳線整定方式：默認啟動電流為0.15~0.25 A；許繼公司采用自適應方式，可提供焊接整定，默認啟動電流為0.25 A。兩個廠家TBJ啟動電流均可現(xiàn)場整定，驗收及定檢過程中，嚴格按照標準《斷路器操作箱通用技術(shù)條件》及《10 kV～500 kV輸變電及配電工程質(zhì)量驗收與評定標準（2012版）》中“操作箱跳、合閘保持繼電器檢查”條款，并依據(jù)斷路器跳閘回路額定電流進行整定?？杀苊庵绷饕稽c接地導致TBJ誤動風險。

3）投產(chǎn)調(diào)試情況：根據(jù)規(guī)程規(guī)定，要求動作電流小于斷路器額定跳閘電流的50%，投產(chǎn)調(diào)試時會根據(jù)斷路器跳閘額定電流進行跳線整定。

4 改進措施

結(jié)合對不同電壓等級的斷路器出口控制回路分析，對斷路器操作箱跳閘保持繼電器TBJ的誤動作風險評估總結(jié)：

1）220 kV及以上電壓等級，在驗收或定檢過程中，若嚴格按照《斷路器操作箱通用技術(shù)條件》、《10 kV～500 kV輸變電及配電工程質(zhì)量驗收與評定標準（2012版）》相關(guān)條款，開展斷路器跳閘回路額定電流的整定，再發(fā)生TBJ線圈正極直流接地時，可避免直流一點接地導致TBJ誤動。

2）110 kV及以下電壓等級斷路器操作箱TBJ采用自適應方式，現(xiàn)場無法整定。如果啟動電流值過低，當直流系統(tǒng)電容電流較大時，存在TBJ誤動作隱患。但考慮保護裝置動作接點至操作箱TBJ線圈正極這段回路是屏內(nèi)配線，發(fā)生線纜破損接地概率較小。

3）正常運行時，該風險只存在保護裝置動作接點至操作箱TBJ線圈正極這段回路中，目前，運行中沒有發(fā)生過在因TBJ線圈正極回路線纜破損接地引起的誤動作。公司系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的幾起案例均屬于人員操作不當導致。

4）斷路器操作箱TBJ線圈正極一點直流接地時，對地電容電流是一個相對變化的量。首先，TBJ線圈正極接地時，平衡橋電阻的大小決定了變電站一點接地瞬間的電容電流的大??；其次，隨著變電站內(nèi)的不斷改擴建，該站的規(guī)模發(fā)生變化后，全站的電容電流也隨之變化，通過對TBJ一次參數(shù)調(diào)整或采用并電阻后，不能保證電容電流變化后TBJ不再誤動，因此，要結(jié)合定檢停電檢修時，及時測試該站的電容電流，并動態(tài)合理調(diào)整TBJ啟動電流值；此外，重點還在于防止人為原因造成TBJ線圈正極一點接地。

5）從電網(wǎng)風險的角度進行評估，防TBJ線圈正極一點接地誤動，可以通過對TBJ線圈正極一點接地的電容電流的測試、TBJ的啟動電流測試以及對跳閘電流的綜合考慮，采取并電阻的方式，避免了電網(wǎng)的誤動風險，但并電阻后通過抬高TBJ啟動電流值降低了該繼電器的靈敏性，并電阻后TBJ及操作回路的可靠性問題，可能引起電網(wǎng)拒動的風險。

5 結(jié)束語

1）220 kV及以上電壓等級，不同變電站的分布電容不同，其電容電流值也不一樣，建議：結(jié)合驗收或定檢過程，嚴格按照標準要求，并依據(jù)斷路器跳閘回路額定電流進行整定。

2）110 kV及以下電壓等級斷路器操作箱TBJ電流整定值采用自適應方式，基于防電網(wǎng)誤動風險需求，建議：結(jié)合驗收或定檢停電時，測量TBJ線圈正極一點接地的電容電流及TBJ動作電流，必要是采取并聯(lián)電阻方式間接整定TBJ動作電流。