斷路器本體三相不一致保護誤動原因探析

桑嘉薺

（國網(wǎng)寧夏石嘴山市供電公司）

0 引言

目前，220kV及以上電壓級的分相式運行機構(gòu)主要在電網(wǎng)中運行。若斷路器有三相、不一致動作及相缺陷操作，則系統(tǒng)中負序及零序部分會對初級設備產(chǎn)生不利影響，造成次級設備故障。對于三相，為了防止受電弓運行時動作不一致，在受電弓內(nèi)部增加一個三相不一致的電路，以便控制三相電路的三相開度，而在實際運行中，由于受電弓運行狀態(tài)不一致，受電弓的保護不一致，在不同的情況下，電源開關會出現(xiàn)很多故障。分析了斷路器三相不一致保護故障，無錫供電局、珠海供電局認為三相不一致保護故障，是因繼電錯誤引起。國網(wǎng)吉北電力有限公司、佛山供電局提出，從優(yōu)化二次協(xié)調(diào)的角度出發(fā)，應調(diào)整維護周期，以防止三相不一致保護故障。對上述措施的研究與分析主要集中在研究中提出的二次電路優(yōu)化系統(tǒng)存在缺陷，即裝置不能防故障、自維護，不能立即達到保護信號，也不能防止合閘線圈長期燒損。

1 斷路器本體三相不一致保護原理

斷路器是指在正常的開關狀態(tài)下，能夠產(chǎn)生、輸送和中斷電流，并且能夠在規(guī)定的時間內(nèi)產(chǎn)生、輸送和停止電流的開關。根據(jù)使用范圍的不同，斷路器分為高、低壓。但高低壓極限的區(qū)別是相當模糊的，因此通常稱3kV以上的為高壓電器設備。

實用新型斷路器可用于分配電能，啟動極少異步發(fā)動機，保護電源線和發(fā)動機，在過載、短路、欠壓等嚴重干擾情況下，自動切換電路，在現(xiàn)有斷電情況下無需更換元件。目前，已獲得了廣泛的應用。

斷路器三相不一致保護的原理如圖1所示［1］。三相輔助電路開關的常開觸點是QF1A、QF1B、QF1C。常開觸點與常閉觸點先并聯(lián)后再與三相輔助開關QF1A、QF1B、QF1C進行串接。當斷路器的三相分接點與合閘狀態(tài)出現(xiàn)差異時，至少有一個相位輔助開關在此時處于常閉觸點的并聯(lián)支路、常開觸點的并聯(lián)支路處于閉合狀態(tài)，連接支路的是兩個支路的連接，時間繼電器K7在設定了K7恒功率之后，K7常閉常開觸點K7-1、繼電器Q7合閘，控制常開觸點Q7-1、Q7-2、Q7-3合閘，開關接收三相指令。

圖1 三相不一致保護回路示意圖

另外，有些斷路器共享輸出繼電器，采用了遠程手動分配、本地手動分配和不一致保護，見圖2。

圖2 三相不一致保護與手分回路共用出口繼電器示意圖

2 誤動典型故障原因分析

2.1 繼電器質(zhì)量缺陷

2.1.1 繼電器回路間擊穿

2011～2018年間，5個省份出現(xiàn)了5例三相不一致的GL系列保護誤動。失敗是由于繼電器電路的損壞。就500kV變電站中550kV開關而言，經(jīng)下列檢查確定：A1和15個接線柱之間的三相不一致繼電器（編號KO7），導致相線不完整，使斷路器偷跳。圖3中顯示的是繼電器的內(nèi)部擊穿圖，圖4中顯示了誤差循環(huán)控制圖。

圖3 故障繼電器內(nèi)部擊穿圖

圖4 繼電器故障回路示意圖

通過分析發(fā)現(xiàn)，K07擊穿故障是由于A1端子的連接器固定截面存在的設計風險所導致的，見圖5圓形框架。

圖5 繼電器PCB電路板

該固定橫擔可能帶來如下問題：

1）固定橫擔與PCB完全接觸是困難的。固體十字板與PCB板之間有空隙，極易積塵積濕，積塵積濕（潮氣）不易自行散開。使得PCB電路板和固定橫擔的接觸面的絕緣能力大大下降，對15端子和A1端子的絕緣能力也造成了直接影響，使其發(fā)生退化。在電場影響下，電腐蝕問題在接觸面就會逐漸顯現(xiàn)出來，同時還會發(fā)生貫穿性擊穿問題［2］。

2）固定橫擔的絕緣強度較低，其表面的螺絲和防潮性能差，會造成污染和受潮，從而降低A1與15線夾之間的絕緣度。

3）在焊接過程中，固體橫擔的擠壓會造成PCB正面的焊錫外溢起毛，使得電場局部發(fā)生畸變，PCB電路板的絕緣水平也隨之降低。

2.1.2 時間繼電器延時回路故障

一臺500kV變電站中的252kV斷路器跳閘，經(jīng)檢查故障是由于時間繼電器延遲回路損壞造成的，若三相開關繼電器損壞，實際開機時間為20ms，則繼電器損壞后抗EMI性能下降。由于受EMI影響，交叉電路中的繼電器結(jié)點被破壞，導致三相保護功能不一致。

2.2 繼電器受潮

通過對一例500kV變電站550kV斷路器的故障分析，發(fā)現(xiàn)故障原因如下：開關缺相循環(huán)K35第二組插

頭之間發(fā)現(xiàn)氧化銅綠，絕緣下降擊穿導通，啟動第二組全相輸出繼電器，三相斷路器無故障跳變。

2.3 二次線纜破損或老化

在2016～2018年間，某省發(fā)生了4起由保護三相不一致回路導致繼電器受潮誤動事故。結(jié)合一個220kV變電站252kV斷路器跳閘的實例，通過下列檢查，找出了故障的原因：三相位置不一致，繼電回路中電纜安裝質(zhì)量不合格，造成電纜損壞。與此同時，吊箱防水防潮性能較差，在圖6所示的電纜破損部位，產(chǎn)生了很重的銅銹。故障發(fā)生前，該地區(qū)下過雨，機構(gòu)箱內(nèi)的水被濕氣嚴重影響，機構(gòu)箱內(nèi)進水受潮嚴重，以及生銹部件的支架被損壞，導致繼電器電路的導電三相位置不一致，如圖7所示，最終導致電源開關三相啟動。最終引起斷路器三相跳閘。

圖6 二次線纜破損并產(chǎn)生銅銹

圖7 三相不一致保護異常導通示意圖

3 斷路器本體三相不一致保護改進措施

由于保護體的三相保護環(huán)不一致，在跳動后很長時間內(nèi)，在跳動之前發(fā)出相應的繼電器的觸發(fā)信號也會消失，造成誤操作后不能及時準確地找到原因。

改進措施如下：

1）在斷路器設備的采購階段，應選擇性能良好、制造經(jīng)驗成熟的繼電系統(tǒng)的制造商。不應選擇高故障率繼電器，推薦使用電磁繼電器，以免在操作過程中出現(xiàn)故障。

2）在斷路器調(diào)試階段，電路絕緣電阻不小于10MQ，采用2500V兆歐表測量。檢查繼電器的電壓、電流和時間特性，確保其各項參數(shù)符合工藝要求。

3）斷路器竣工驗收后，驗收單位應控制繼電器的工作環(huán)境。為了檢查繼電器端子的密度，必須將接線盒的螺栓孔，電纜孔和其他部位堵住。

4）在斷路器的操作和維修階段，操作和維修組應確保繼電器操作終端的加溫和除濕裝置工作可靠。必要時，可根據(jù)需要安裝一個抽濕型除濕機。

5）操作和維修設備的單位應與維修開關斷路器相結(jié)合，對相對隔離電阻、運行電壓、運行時間和其他參數(shù)進行定期測試。保證二次回路的絕緣電阻沒有明顯下降（與交流值比較），電源電壓在55%～70%額定直流電壓范圍內(nèi)，時序延時特性滿足調(diào)整要求。

斷路器三相不一致二次電流優(yōu)化的原則是：斷路器的常閉輔助觸點與三相不一致斷路器的輸出觸點和正電源電路之間串聯(lián)，只有三相不一致的保護功能設于板外（三相不一致時繼電器和輸出繼電器電路回路共用）；輸出繼電器具有自我保持功能。

圖8顯示了三相不一致的保護環(huán)優(yōu)化原理圖。K7是三相時間不一致的繼電器，Q7是三相不一致的輸出繼電器，LP是三相不一致的壓板，S1是復位鍵。其中，Q7輸出繼電器與常開Q7-4組成一個獨立電路，在三相保護不一致時，具有自我約束功能。

圖8 三相不一致保護回路示意圖（優(yōu)化后）

圖9顯示了三相不一致保護和手動支路環(huán)的優(yōu)化示意圖。K7是三相不一致時間繼電器，Q7是三相不一致輸出繼電器，M是新增加的不一致輸出繼電器。

圖9 三相不一致保護與手分回路共用出口繼電器示意圖（優(yōu)化后）

4 注意事項

從故障案例中可以看出，設定以上兩種保護裝置的理由是：發(fā)電機組有人運行，電網(wǎng)聯(lián)接與分接是從站操作，電工和維護人員必須在現(xiàn)場，三相不一致的保護人體在超低負荷時，由于裝置缺相運行的機理，導致斷路器三相不一致，斷路器不能動作，系統(tǒng)零序和負序電流小，對發(fā)電機的損壞較小，不會引起下一線路的零序保護，微機三相不一致的保護一直在運行，如果電流大到危及系統(tǒng)安全，可啟動防故障隔離開關，這就是為什么在這種情況下，當電源開關三相不一致時，允許現(xiàn)場服務人員緊急處理電源開關，而不允許發(fā)電機超低負荷運行，不能低于低壓。在使用過程中，可采用三相微機不一致保護，使主體退出三相不一致保護，避免不必要的誤操作。

以該故障保護為例，斷路器故障保護電流元件最小值為0.1A，所以在初期并網(wǎng)、斷路器電流低于0.1A時，斷路器故障保護也不能啟動，本體三相不一致保護也沒有必要啟動故障保護。

5 結(jié)束語

本文對斷路器三相不一致保護的原理、故障產(chǎn)生的主要原因及其改進措施進行了詳細地論述。在一些地方推廣應用了相應的三相不一致回路保護改進措施，對主流廠家的220kV及以上電壓回路進行了優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)調(diào)試的斷路器在近一年的運行中，沒有發(fā)現(xiàn)三相不一致的保護缺陷，提高了設備運行的可靠性。