500kV開關(guān)防跳回路問題的分析、驗(yàn)證和處理

李嘉文 聶宏展 李德佳

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.海南核電有限公司，海口 570125）

某開關(guān)站的開關(guān)型號(hào)為500－SFMT-63B，開關(guān)所配操作機(jī)構(gòu)型號(hào)為AM，該操作機(jī)構(gòu)由日本三菱公司生產(chǎn)。該操作機(jī)構(gòu)具有機(jī)械防跳功能，同時(shí)廠家在就地控制盤內(nèi)又配有電氣防跳回路。在調(diào)試與運(yùn)行過程中均發(fā)生過防跳回路工作異常，不起防跳作用的情況。這是由于電氣與機(jī)械防跳、手動(dòng)分/合閘及其同期回路與開關(guān)操作回路配合存在問題。為了能夠徹底解決存在的問題，我們對(duì)開關(guān)的操作回路接線及機(jī)械防跳進(jìn)行了認(rèn)真的分析，同時(shí)，通過繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)各種可能發(fā)生的工況進(jìn)行了實(shí)際模擬試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了改造方案。

1 500kV 開關(guān)氣動(dòng)操作機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)、工作原理和機(jī)械防跳的介紹

緩沖器及防跳躍裝置工作原理簡(jiǎn)述如下：

油緩沖器（3118）與活塞（3122）直接相連，可吸收合閘和分閘終了的剩余能量，避免零部件操作沖擊。在該操作機(jī)構(gòu)上裝有一個(gè)機(jī)械防跳裝置。防跳裝置的關(guān)鍵件是防跳銷釘（3216）如圖1所示。只要合閘信號(hào)一直保持，脫扣桿（3234）由于防跳銷釘（3216）的作用始終是傾斜的， 從而鐵心桿（3282） 便不能撞擊脫扣掣子（3212），因此開關(guān)不能重復(fù)合閘操作，從而實(shí)現(xiàn)了防跳功能。由于機(jī)構(gòu)由（d）狀態(tài)返回到（a）狀態(tài)需要運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定的時(shí)間，在開關(guān)分閘以后180ms內(nèi)合閘線圈如果帶電，開關(guān)機(jī)構(gòu)將閉鎖在圖1中的（e）狀態(tài)，直至合閘線圈失電返回，才能再次合閘。

2 500kV 開關(guān)電氣防跳回路的介紹

圖1 防跳躍裝置圖

500kV 開關(guān)電氣防跳采用的是并聯(lián)式防跳回路。所謂并聯(lián)式防跳回路，即防跳繼電器52YA/52YB/ 52YC 的線圈并聯(lián)在開關(guān)的合閘回路上（如圖5所示）。假如一個(gè)持久的合閘命令存在，合閘線圈通過 防跳繼電器52YA/52YB/52YC 的常閉接點(diǎn)→開關(guān)常閉輔助接點(diǎn)52b/1→空氣壓力低閉鎖繼電器63ALX常閉接點(diǎn)→SF6 壓力低閉鎖繼電器63GLX 常閉接點(diǎn)帶電而合閘，開關(guān)合閘后，開關(guān)常開輔助接點(diǎn)52a/1閉合，啟動(dòng)防跳繼電器52YA/52YB/52YC，52YA/ 52YB/52YC 常開接點(diǎn)斷開合閘回路并自保持。若此時(shí)線路或設(shè)備故障，繼電保護(hù)動(dòng)作跳閘，但由于合閘回路已可靠斷開，從而可防止開關(guān)發(fā)生跳躍。

3 電氣與機(jī)械防跳

1）防跳功能應(yīng)滿足下述三種工況的要求。第一種工況：手動(dòng)合閘情況下，保護(hù)動(dòng)作跳閘，開關(guān)不允許發(fā)生跳躍；第二種工況：跳閘出口信號(hào)存在的情況下，手合開關(guān)時(shí)，開關(guān)不應(yīng)發(fā)生跳躍；第三種工況：運(yùn)行過程中，由于兩點(diǎn)接地及控制把手接點(diǎn)未斷開而導(dǎo)致的合閘信號(hào)始終存在情況下，保護(hù)動(dòng)作跳開關(guān)時(shí)，不允許發(fā)生跳躍[1]。由于第三種工況不存在時(shí)間配合問題，本文不作詳細(xì)討論。

電氣防跳：從第一種工況實(shí)測(cè)時(shí)序圖可見（圖2），防跳繼電器的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與開關(guān)跳閘時(shí)間之和，即動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于52ms。從第二種工況的實(shí)測(cè)時(shí)序圖可見（圖3），防跳繼電器的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于開關(guān)跳閘時(shí)間，即動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于17ms。防跳繼電器52YA/52YB/52YC 實(shí)測(cè)動(dòng)作時(shí)間為20ms，對(duì)于第一種工況是沒有問題的，但從第二種工況看，存在防跳繼電器動(dòng)作時(shí)間稍慢的問題，防跳功能有些不是很可靠。

圖2 第一種工況時(shí)序圖

圖3 第二種工況時(shí)序圖

機(jī)械防跳：從第一種、第二種工況的實(shí)測(cè)時(shí)序圖可見（圖2、圖3），開關(guān)分閘后機(jī)械防跳在開關(guān)處于不穩(wěn)定情況下的180ms 內(nèi)有效。而手動(dòng)合閘不可能在180ms 內(nèi)復(fù)歸，因此，這種工況下機(jī)械防跳不起作用，只有依靠電氣防跳。機(jī)械防跳起作用的前提條件是合閘回路無開關(guān)的輔助接點(diǎn)和合閘線圈應(yīng)按長(zhǎng)期通電設(shè)計(jì)。對(duì)于合閘回路具有輔助接點(diǎn)的機(jī)械防跳，只有當(dāng)發(fā)生合閘線圈直接帶電情況下（例如：正電與合閘線圈正電端兩點(diǎn)接地），機(jī)械防跳才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，但合閘線圈一定會(huì)燒毀。從以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，機(jī)械防跳在運(yùn)行中的表現(xiàn)不佳，無法替代電氣防跳。這也是為什么開關(guān)設(shè)計(jì)了機(jī)械防跳后又設(shè)計(jì)了電氣防跳的原因所在。

2）對(duì)于電氣防跳功能的傳動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)模擬上述第一種和第二種工況。對(duì)于第一種工況的傳動(dòng)試驗(yàn)方法：首先，利用控制把手合上開關(guān)并保持把手在合閘位置不動(dòng)，利用保護(hù)發(fā)跳閘命令，開關(guān)不應(yīng)再合閘。對(duì)于第二種工況傳動(dòng)試驗(yàn)方法：首先，利用保護(hù)發(fā)跳閘命令并應(yīng)保持，而后利用控制把手合上開關(guān)，開關(guān)合上后立即跳閘而不應(yīng)再合閘。對(duì)于串聯(lián)式防跳通常采用前者的試驗(yàn)方法，而對(duì)于并聯(lián)式防跳通常采用后者。對(duì)于同時(shí)具有電氣與機(jī)械防跳的開關(guān)，防跳試驗(yàn)的方法應(yīng)考慮開關(guān)分閘過程中和剛分閘后機(jī)械防跳的不穩(wěn)定所需的時(shí)間，采用第一種試驗(yàn)方法可能無法檢查電氣防跳回路的功能。

建議工程中應(yīng)同時(shí)利用兩種方法對(duì)防跳功能進(jìn)行傳動(dòng)試驗(yàn)，同時(shí)，應(yīng)觀察機(jī)械防跳是否動(dòng)作，以便于區(qū)分是電氣防跳起作用還是機(jī)械防跳起作用，這樣較為穩(wěn)妥。

4 竣工調(diào)試期間電氣防跳回路的修改

500kV 開關(guān)的控制方式是這樣，正常操作在網(wǎng)控室的控制盤，通過把手SC 進(jìn)行合/分操作，只有檢修情況下才通過就地控制盤（LCP）把手11-52對(duì)開關(guān)進(jìn)行操作，這種功能是通過開關(guān)兩側(cè)閘刀聯(lián)鎖來實(shí)現(xiàn)的。因此，應(yīng)保證在控制盤通過把手SC對(duì)開關(guān)進(jìn)行合閘操作時(shí)，開關(guān)不發(fā)生跳躍。按照電氣防跳回路的傳統(tǒng)試驗(yàn)方法，首先用把手SC 合上開關(guān)并保持SC 在合閘位置，通過保護(hù)將開關(guān)跳開，觀察防跳繼電器52YA/52YB/52YC 是否自保持和開關(guān)是否重新合閘。

存在問題：按照上述的傳動(dòng)試驗(yàn)方法對(duì)開關(guān)電氣防跳回路進(jìn)行了檢驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，開關(guān)電氣防跳回路工作異常，不起防跳作用?，F(xiàn)象是防跳繼電器52YA/52YB/52YC 不能自保持和開關(guān)又重新合閘了。

問題分析：經(jīng)過對(duì)電氣防跳回路的分析，發(fā)現(xiàn)其二次回路存在設(shè)計(jì)問題。由于為了使合閘繼電器CMR1 合閘后解除自保持，在其線圈回路串入了跳閘位置繼電器的常開接點(diǎn)（見圖4、5）。這樣導(dǎo)致開關(guān)在合閘后CMR1 失磁，52YA/52YB/52YC 不能自保持，開關(guān)合閘回路未能斷開，導(dǎo)致電氣防跳功能失效，開關(guān)重新合閘的后果。

圖4 修改前接線圖

回路修改的方案：將合閘繼電器LCMR1 保持回路斷開，同時(shí)將TWJ 自保持回路短接（見圖6）。修改后進(jìn)行了相應(yīng)的傳動(dòng)試驗(yàn)，開關(guān)的電氣防跳功能正常。

該方案可能帶來的問題分析：取消了合閘繼電器自保持功能，可能會(huì)導(dǎo)致手動(dòng)合閘和自動(dòng)重合閘的失敗，同時(shí)，有可能燒毀合閘繼電器的接點(diǎn)。由于手動(dòng)合閘會(huì)由運(yùn)行人員保持一段時(shí)間，而自動(dòng)重合閘的合閘脈沖已經(jīng)展寬了200ms，另外，該合閘繼電器是大容量接點(diǎn)的中間繼電器，可斷開合閘回路電流。因此，不存在上述問題。

5 #1 主變充電時(shí)，5033 開關(guān)跳躍情況的介紹

機(jī)組大修后，#1 主變由500kV Ⅱ母經(jīng)5033 開關(guān)進(jìn)行充電操作。在手動(dòng)合上5033 開關(guān)時(shí)，#1 主變分相差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，導(dǎo)致了5033 開關(guān)連續(xù)兩次跳閘三次合閘。從當(dāng)時(shí)的故障錄波圖可分析到，5033開關(guān)動(dòng)作的時(shí)序是：首次合閘56ms 后 5033 開關(guān)三相跳閘→經(jīng)192ms 后5033 開關(guān)三相合閘→又經(jīng)29ms 后5033 開關(guān)三相再次跳閘→再經(jīng)192ms 后5033 開關(guān)三相合閘成功。

圖5 開關(guān)控制回路接線圖

圖6 修改后接線圖

6 5033 開關(guān)跳躍原因的初步分析

6.1 同期系統(tǒng)介紹

500kV 網(wǎng)控的同期系統(tǒng)屬于手動(dòng)準(zhǔn)同期的分散同期方式，即同期表計(jì)集中，各同期點(diǎn)的操作開關(guān)分別裝設(shè)在各同期點(diǎn)的控制屏上。開關(guān)站采用3/2開關(guān)接線，變壓器進(jìn)線的兩側(cè)開關(guān)在主控室和網(wǎng)控室均能操作。網(wǎng)控室的同步電壓采用“近區(qū)電壓優(yōu)先法”取得，利用低電壓繼電器K127、K227 對(duì)開關(guān)兩側(cè)電壓進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)的單側(cè)無壓合閘。

6.2 初步分析

通過對(duì)開關(guān)電氣和機(jī)械防跳原理的分析、調(diào)試期間對(duì)電氣防跳回路的修改并結(jié)合以往的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)存在問題進(jìn)行了初步的綜合分析和判斷。初步結(jié)論如下：合開關(guān)前，Ⅱ母正常運(yùn)行，母線電壓互感器（PTB11）有電，K227 帶電動(dòng)作，其常閉接點(diǎn)斷開。主變500kV 電壓互感器（PTG31）無電，K127 不動(dòng)作，其常閉接點(diǎn)閉合，同期回路處于單側(cè)無壓合閘狀態(tài)。開關(guān)合閘命令發(fā)出，5033 開關(guān)合閘。防跳繼電器動(dòng)作并自保持，同時(shí)斷開了合閘回路。5033 開關(guān)合上后，PTG31 帶電，K127 帶電動(dòng)作，其常閉接點(diǎn)斷開，防跳繼電器失磁，其常閉接點(diǎn)又接通了合閘回路。此時(shí)分相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘，5033 開關(guān)跳開。由于合閘信號(hào)還存在，5033 開關(guān)第二次合閘。又由于分相差動(dòng)保護(hù)出口的展寬時(shí)間為250ms，導(dǎo)致開關(guān)合閘后的第二次跳閘，第三次合閘的情況與前述相同。

7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證初步分析的結(jié)論，結(jié)合202 大修，對(duì)5041開關(guān)的電氣防跳功能進(jìn)行了相應(yīng)的模擬試驗(yàn)。通過測(cè)試儀模擬當(dāng)時(shí)5033 開關(guān)跳躍的工況。

模擬試驗(yàn)接線圖見圖7，具體步驟如下。

7.1 步驟一：驗(yàn)證第一種工況的防跳功能

1）在控制屏上手動(dòng)合上5041 開關(guān)并保持，直到試驗(yàn)結(jié)束。

2）確認(rèn)5041 開關(guān)合閘，檢查開關(guān)防跳繼電器52YA/A、52YB/A、52YC/A 帶電動(dòng)作。

3）短接第四串接口屏X3：36-42 端子，手動(dòng)模擬跳閘信號(hào)，短接后立即斷開。

4）檢查確認(rèn)5041 開關(guān)跳閘。

5）觀察5041 開關(guān)在跳閘后不在重新合閘。

6）松開5041 開關(guān)把手。

7.2 步驟二：驗(yàn)證第二種工況的防跳功能

1）跳閘信號(hào)首先發(fā)出并保持。

2）在控制屏上手動(dòng)合上5041 開關(guān)并保持，直到試驗(yàn)結(jié)束。

3）檢查5041 開關(guān)的狀態(tài)。

4）觀察5041 開關(guān)合閘后，再跳閘不再合閘。

5）松開5041 開關(guān)把手。

7.3 步驟三：模擬5033 開關(guān)跳躍工況

1）保護(hù)測(cè)試儀模擬I 母PTB11 帶電。測(cè)試儀狀態(tài)1 的設(shè)置：電壓U1=100V∠0°；狀態(tài)時(shí)間為10s。

2）檢查確認(rèn)電壓繼電器K227 動(dòng)作，常閉接點(diǎn)斷開。

3）在控制屏上手動(dòng)合上5041 開關(guān)并保持，直到試驗(yàn)結(jié)束。

4）確認(rèn)5041 開關(guān)合閘，檢查開關(guān)防跳繼電器52YA/A、52YB/A、52YC/A 帶電動(dòng)作。

5）保護(hù)測(cè)試儀模擬PTG41 帶電，電壓施加大小和相位與模擬PTB11 電壓相同。測(cè)試儀狀態(tài)2 的設(shè)置：電壓U1=100V∠0°；電壓U2=100V∠0°狀態(tài)時(shí)間為32ms。

6）檢查確認(rèn)電壓繼電器K127 動(dòng)作，常閉接點(diǎn)斷開。

7）檢查同期繼電器K95 的動(dòng)作情況。

8）由保護(hù)測(cè)試儀短接第四串接口屏跳閘端子，模擬保護(hù)跳閘信號(hào)。測(cè)試儀狀態(tài) 3：電壓U1=100V∠0°）、電壓U2= 100V∠0°，節(jié)點(diǎn)輸出1：狀態(tài)時(shí)間為25ms。

圖7 5041 開關(guān)防跳模擬試驗(yàn)接線圖

9）檢查確認(rèn)5041 開關(guān)跳閘。

10）觀察5041 開關(guān)在跳閘后是否重新合閘，同時(shí)觀察合閘線圈動(dòng)作情況。

11）在控制屏上松開5041 開關(guān)把手。

8 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）步驟一的試驗(yàn)結(jié)果

按照試驗(yàn)方案進(jìn)行了防跳試驗(yàn)，防跳繼電器能動(dòng)作并自保持同時(shí)斷開了合閘回路，開關(guān)沒有再次合閘，防跳回路的功能正常。說明調(diào)試期間的回路修改是正確的。

2）步驟二的試驗(yàn)結(jié)果

按照試驗(yàn)方案進(jìn)行了該項(xiàng)模擬試驗(yàn)，防跳繼電器能帶電并自保持同時(shí)斷開了合閘回路，開關(guān)沒有再次合閘，防跳回路的功能正常。該項(xiàng)試驗(yàn)的目的主要是檢查防跳繼電器與開關(guān)跳閘時(shí)間的配合情況。為了說明問題，我們對(duì)52YA/YB/YC 防跳繼電器動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)測(cè)動(dòng)作時(shí)間為20ms。由于開關(guān)跳閘時(shí)間為17ms，說明52YA/YB/YC 防跳繼電器動(dòng)作時(shí)間基本滿足防跳功能。

3）步驟三的試驗(yàn)分析

從錄波圖分析（見圖8），在開關(guān)合閘同時(shí)模擬電壓互感器PTG 帶電情況時(shí)，同期回路中的K127電壓繼電器動(dòng)作，其常閉接點(diǎn)斷開。但，此時(shí)同期繼電器K95 在未來得及動(dòng)作的情況下，使合閘回路失去正電源，防跳繼電器不能自保持。由于52YA失電時(shí)間（間斷時(shí)間）為120ms，導(dǎo)致52YA 防跳繼電器返回，防跳功能喪失。在開關(guān)跳閘后，致使合閘線圈帶電，開關(guān)再次合閘。這與初步分析是吻合的。

9 處理方案

通過上述的分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，開關(guān)控制回路存在電壓繼電器K127 或K227 與同期繼電器K95 配合的時(shí)間差問題。

具體改造建議如下。

方案1：在同期回路增加同期閉鎖開關(guān)（STK），并取消電壓繼電器（見圖9）。

圖8 防跳回路失靈的情況錄波圖

圖9 方案1 接線圖

方案2：各控制屏同期開關(guān)改型號(hào)，使其具備解除、同期、同期閉鎖三個(gè)位置，并取消電壓繼電器（見圖10）。

圖10 方案2 接線圖

兩個(gè)方案優(yōu)、缺點(diǎn)的比較：

方案1 接線簡(jiǎn)單，三、四串只需增加一個(gè)同期閉鎖開關(guān)（STK）即可，改造容易實(shí)施。為了防止值班員操作此開關(guān)后忘記復(fù)位，將此開關(guān)納入運(yùn)行操作票內(nèi)進(jìn)行管理，同時(shí)，利用STK 的空接點(diǎn)發(fā)到閃光報(bào)警系統(tǒng)，提示值班員防止誤操作。

方案2 接線較復(fù)雜，需更換各開關(guān)的同期開關(guān)。改造實(shí)施相對(duì)困難。但操作比較安全，不易誤操作。

10 結(jié)論

通過具體分析、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證及制定具體處理方案，并對(duì)兩個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。方案2 雖然接線復(fù)雜，改造實(shí)施難度大，但按照“保守決策”的原則，現(xiàn)場(chǎng)選擇了方案2。實(shí)施后經(jīng)過了5年的運(yùn)行及大修后啟動(dòng)操作，再?zèng)]有出現(xiàn)類似問題，證明了改造方案的正確性。該改造方案對(duì)新建及運(yùn)行電廠有一定的參考價(jià)值。

[1] 國(guó)家電力調(diào)度通訊中心.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)用技術(shù)問答[M]. 北京:中國(guó)電力出版社,2000.

[2] 王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M]. 北京:中國(guó)電力出版社,1998.

[3] 王維儉,桂林,畢大強(qiáng).大型發(fā)電機(jī)－變壓器組繼電保護(hù)的探討[J].中國(guó)電力,2001(1).