斷路器本體三相不一致保護(hù)回路性能優(yōu)化提升措施

郭楊，陳昊，高世宇，顧浩，李義峰

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

目前，220 kV及以上電壓等級(jí)的斷路器多采用分相操作機(jī)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]可知，因人為原因或線路單相故障，斷路器重合過程中，斷路器本體氣壓低、油壓低，亦或操作回路異常造成分閘相不能及時(shí)合上，線路非全相運(yùn)行且持續(xù)一定時(shí)間后，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生零序和負(fù)序電流，對(duì)非電阻特性的一次電氣設(shè)備造成很大影響，保護(hù)裝置可能因此越級(jí)跳閘，嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全運(yùn)行[2-6]。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)特高壓交直流電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，特高壓變電站和換流站內(nèi)斷路器本體三相不一致保護(hù)的可靠性直接關(guān)系到系統(tǒng)主網(wǎng)的穩(wěn)定性[7]。根據(jù)電網(wǎng)繼電保護(hù)運(yùn)行規(guī)定，220 kV及以上電壓等級(jí)分相操作的斷路器均配置了本體三相不一致保護(hù)。當(dāng)斷路器出現(xiàn)非全相運(yùn)行工況后，延時(shí)跳開該斷路器，避免系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間非全相運(yùn)行。

故障異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，站內(nèi)運(yùn)檢人員操作不當(dāng)、二次回路設(shè)計(jì)不合理、繼電器元件可靠性降低等原因，造成斷路器本體三相不一致保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的情況時(shí)有發(fā)生。針對(duì)斷路器三相不一致保護(hù)誤動(dòng)的問題，文獻(xiàn)[8]介紹了采用物理隔離法防止誤動(dòng)的措施，但并未從根本上解決斷路器三相不一致誤動(dòng)的問題。文獻(xiàn)[9-11]從優(yōu)化二次回路的角度提出增加判別回路防止誤動(dòng)的措施，但僅從繼電器的單一角度進(jìn)行了分析，未全面考慮三相不一致保護(hù)誤動(dòng)的其他原因，且存在斷路器全相運(yùn)行時(shí)保護(hù)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)以上措施的不足，本文在分析三相不一致保護(hù)動(dòng)作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了改進(jìn)措施，可靠實(shí)現(xiàn)斷路器本體三相不一致回路防誤動(dòng)、自保持、動(dòng)作信號(hào)有效提示的功能。該措施已在某1 000 kV在運(yùn)特高壓變電站試點(diǎn)應(yīng)用，效果良好，對(duì)變電站斷路器三相不一致回路的選型具有指導(dǎo)作用。

1 保護(hù)原理與整定規(guī)則

斷路器本體三相不一致保護(hù)回路位于其本體機(jī)構(gòu)箱內(nèi)，由啟動(dòng)回路和出口回路兩部分組成[12-13]?，F(xiàn)以典型三相不一致保護(hù)回路為例(如圖1所示)分析其動(dòng)作原理。啟動(dòng)回路依靠采集斷路器本身的輔助觸點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)。下面以運(yùn)行中的斷路器出現(xiàn)一相分開，或后臺(tái)手合斷路器一相未合上，以斷路器A相分開為例加以說明。

圖1 典型斷路器本體三相不一致保護(hù)回路

圖1中斷路器常開輔助觸點(diǎn)DL-A斷開，常閉輔助觸點(diǎn)DL-a閉合，時(shí)間繼電器KT所在回路導(dǎo)通，繼電器勵(lì)磁，經(jīng)過延時(shí)，KT-1觸點(diǎn)閉合，跳閘繼電器KQ、信號(hào)繼電器KX勵(lì)磁，KQ三相觸點(diǎn)閉合，跳閘回路導(dǎo)通，斷路器三相分閘。其中，LP1、LP2分別為三相不一致功能壓板和出口壓板，用于兩個(gè)回路的投退。另外，三相不一致保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間需要與對(duì)應(yīng)線路重合閘時(shí)間配合，按躲過線路單相重合閘時(shí)間整定。根據(jù)各電壓等級(jí)繼電保護(hù)定值要求，一個(gè)典型的時(shí)間整定見表1。

表1 斷路器本體三相不一致動(dòng)作時(shí)間整定值s

2 典型三相不一致保護(hù)回路隱患

三相不一致保護(hù)回路中各繼電器、接觸器、元件位于室外開關(guān)匯控柜(箱)、端子箱內(nèi)，容易受雨霧冰雪等惡劣天氣的影響，運(yùn)維人員不定期開展箱柜維保、排查工作，其運(yùn)行環(huán)境差、可靠性較低。

2.1 二次回路絕緣降低

當(dāng)遇到雨雪居多的潮濕天氣，加之開關(guān)匯控柜長(zhǎng)時(shí)間戶外運(yùn)行，密封性能退化，很容易發(fā)生凝露、回路電纜老化等現(xiàn)象，造成二次回路絕緣能力下降[14-15]。直流回路兩點(diǎn)接地，導(dǎo)致時(shí)間繼電器KT正電端與直流正電源短接，造成時(shí)間繼電器勵(lì)磁，進(jìn)而導(dǎo)致出口繼電器動(dòng)作，斷路器跳閘?；蛘吖駜?nèi)有凝露，出口繼電器受潮，其常開接點(diǎn)閉合，導(dǎo)通跳閘回路，導(dǎo)致斷路器分閘。

2.2 人為原因?qū)е抡`動(dòng)

為了試驗(yàn)的便捷性，部分廠家在繼電器外部設(shè)置了凸起的試驗(yàn)按鈕，當(dāng)繼電器正常勵(lì)磁時(shí)，機(jī)械按鈕會(huì)因聯(lián)動(dòng)特性進(jìn)入繼電器內(nèi)部；同理，若是手動(dòng)觸碰機(jī)械按鈕，也會(huì)進(jìn)入繼電器內(nèi)部，其常開接點(diǎn)也會(huì)閉合，導(dǎo)通相關(guān)回路，存在誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[8]顯示，某地500 kV變電站檢修人員對(duì)220 kV開關(guān)匯控柜內(nèi)加熱除濕機(jī)進(jìn)行定期維護(hù)工作時(shí)，因繼電器安裝過于密集，誤碰了端子排上三相不一致出口繼電器的機(jī)械試驗(yàn)按鈕，導(dǎo)致斷路器跳閘；某220 kV變電站運(yùn)維人員在進(jìn)行220 kV開關(guān)匯控箱定期開箱檢查過程中，遇大風(fēng)天氣，未將箱門抓牢，導(dǎo)致箱門直接撞在匯控箱上，造成劇烈振動(dòng)，使三相不一致出口繼電器接點(diǎn)因振動(dòng)而閉合，導(dǎo)致斷路器跳閘。

2.3 回路壓板設(shè)置不當(dāng)

傳統(tǒng)的斷路器三相不一致回路中，時(shí)間繼電器KT和出口繼電器KQ各自回路獨(dú)立，且功能回路與出口回路各有一塊壓板。當(dāng)斷路器進(jìn)行定期或不定期的檢修試驗(yàn)，斷路器做直流電阻測(cè)試、單相分合閘特性試驗(yàn)，均會(huì)出現(xiàn)三相不一致的狀況。在進(jìn)行試驗(yàn)工作期間，按一次設(shè)備檢修工作要求，需退出功能回路壓板LP1，防止回路出口動(dòng)作，但因?yàn)楣δ軌喊逯慌c時(shí)間繼電器共回路，出口繼電器還有可能因?yàn)槠渌蚨秒?，所以不能完全退出三相不一致保護(hù)功能。某220 kV變電站運(yùn)維人員倒閘操作過程中，因需要投入的壓板過多，操作時(shí)注意力不集中，發(fā)生了壓板虛合的情況，造成斷路器非全相運(yùn)行時(shí)三相不一致保護(hù)無法出口的現(xiàn)象。同樣若出口壓板操作不當(dāng)，也會(huì)發(fā)生壓板虛合的情況[16-17]。

2.4 回路無提示性功能

由圖1可知，當(dāng)斷路器確實(shí)因?yàn)槿嗖灰恢露鴮?dǎo)致跳閘時(shí)，回路沒有記錄或者提示性的信息，站內(nèi)運(yùn)維人員僅看到斷路器變位情況，無法及時(shí)準(zhǔn)備判定跳閘原因，給事故判定和匯報(bào)造成了不便[18]?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備亦不能保留動(dòng)作狀況。

3 優(yōu)化措施

措施一:在三相不一致保護(hù)跳閘出口繼電器接點(diǎn)與正電源之間串接斷路器常閉輔助觸點(diǎn)。從本質(zhì)上確保斷路器真實(shí)發(fā)生了三相不一致工況才出口跳閘，防止全相運(yùn)行的斷路器誤動(dòng)作。

措施二:在三相不一致回路中取消出口壓板，僅設(shè)置一塊三相不一致保護(hù)功能壓板，且三相不一致時(shí)間繼電器與出口繼電器線圈回路公用。只保留一塊功能壓板且時(shí)間繼電器和出口繼電器共回路，能明顯提高回路可靠性，使功能壓板可完全實(shí)現(xiàn)三相不一致功能的投退。

措施三:使三相不一致出口繼電器具備自保持功能。增加自保持回路，在斷路器因三相不一致出口跳閘后，運(yùn)維人員至現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)匯控柜(匯控箱)復(fù)歸信號(hào)，能及時(shí)準(zhǔn)確判定斷路器動(dòng)作原因。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

根據(jù)以上優(yōu)化措施，結(jié)合某1 000 kV在運(yùn)特高壓變電站年度技改工程，開展斷路器三相不一致回路優(yōu)化改造工作。該站分為1 000 kV、500 kV、110 kV三個(gè)電壓等級(jí)，其中1 000 kV、500 kV為3/2串型接線方式，串內(nèi)為線路或主變間隔；110 kV為單母線接線方式，主要連接無功補(bǔ)償設(shè)備間隔。各電壓等級(jí)斷路器型號(hào)信息見表2。優(yōu)化前后的回路如圖2—4所示，優(yōu)化措施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況見表3。

表2 斷路器配置表

表3 斷路器三相不一致保護(hù)回路優(yōu)化措施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況

圖2 1 000 kV斷路器三相不一致保護(hù)回路

圖3 500 kV斷路器三相不一致保護(hù)回路

圖4 110 kV斷路器三相不一致保護(hù)回路

5 回路優(yōu)化后的功能驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)采用以下方法驗(yàn)證優(yōu)化改造之后的斷路器三相不一致保護(hù)回路是否正確可靠。

1)斷路器三相分閘情況下，就地合上A、B、C任意一相，斷路器三相合位情況下，手動(dòng)分開A、B、C任意一相，檢查三相不一致保護(hù)動(dòng)作時(shí)間、出口及信號(hào)繼電器動(dòng)作的正確、完整。同時(shí)，檢查保護(hù)室內(nèi)該斷路器間隔保護(hù)屏、測(cè)控屏、操作箱信號(hào)情況，以及監(jiān)控系統(tǒng)光字牌動(dòng)作情況。檢查開關(guān)匯控柜內(nèi)告警燈是否點(diǎn)亮，若點(diǎn)亮且需要手動(dòng)復(fù)歸才能熄滅，說明回路改動(dòng)正確。

2)人為短接三相不一致保護(hù)啟動(dòng)和出口回路，如圖2(b)中短接正電源小母線+KM和時(shí)間繼電器KT-7接點(diǎn)，短接正電源小母線+KM和出口繼電器K4-1接點(diǎn)，此時(shí)KT、K4均會(huì)動(dòng)作，若三相斷路器不跳閘，說明回路改動(dòng)正確，否則應(yīng)重新檢查回路接線。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)電壓等級(jí)，共計(jì)21組斷路器進(jìn)行回路優(yōu)化后的功能驗(yàn)證，結(jié)果完全達(dá)到了預(yù)期效果，從根本上減少了典型三相不一致保護(hù)回路的隱患。自回路優(yōu)化后，設(shè)備運(yùn)行至今的4年內(nèi)，設(shè)備一直安全穩(wěn)定運(yùn)行，在運(yùn)行維護(hù)操作任務(wù)繁重、氣象條件惡劣的多雨水年份，也未發(fā)生過一起因三相不一致保護(hù)回路誤動(dòng)而造成斷路器跳閘的事故。

6 結(jié)語

通過對(duì)斷路器三相不一致保護(hù)回路在實(shí)際運(yùn)行中誤動(dòng)及相關(guān)性能不足情況的分析，本文提出了回路優(yōu)化的改進(jìn)措施，同時(shí)結(jié)合在運(yùn)特高壓變電站開展改造工作，驗(yàn)證了回路優(yōu)化之后的可靠性，極大地降低了斷路器誤跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，有效提高了供電的可靠性。改進(jìn)措施對(duì)在運(yùn)變電站的三相不一致回路改造工作和新建變電站的斷路器三相不一致回路接線具有指導(dǎo)意義。