500kV斷路器阻容加速分閘回路分析及故障模式研究

聶 航，鐘齊勇

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司廣州蓄能水電廠，廣東 廣州510950）

1 引言

500kV斷路器為主網(wǎng)的重要電氣設(shè)備，正常運(yùn)行時(shí)需要承擔(dān)大負(fù)荷電流，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，需要與保護(hù)或安自裝置配合，跳開500kV斷路器快速切除故障，因此其分閘回路的可靠性對(duì)于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，我們一般通過定期對(duì)分閘回路進(jìn)行保護(hù)傳動(dòng)試驗(yàn)或者手動(dòng)分閘試驗(yàn)以驗(yàn)證回路的完好性[1]，而對(duì)于斷路器分閘回路中元件的檢查有所忽視，導(dǎo)致無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)或預(yù)測(cè)元件故障，存在拒動(dòng)及損傷斷路器分閘回路的風(fēng)險(xiǎn)，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2 500kV斷路器阻容加速分閘回路動(dòng)態(tài)過程分析

某水電廠500kV開關(guān)站為五角型接線方式，通過3回500kV出線送出至廣東電網(wǎng)，承擔(dān)廣東電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻及應(yīng)急響應(yīng)的任務(wù)。500kV斷路器為西門子8DQ1-550系列，其現(xiàn)地控制箱配置有2組分相分閘回路，接受保護(hù)操作箱的分閘命令，原理圖見圖1[2]。

圖1中U為分閘回路直流電源，R1為斷路器操作箱分閘保持繼電器（串聯(lián)其自保持接點(diǎn)），R2為線圈兩端并聯(lián)的限流電阻，R3為分閘線圈電阻，R4為阻容加速分閘回路電阻，C為阻容加速分閘回路電容，并串聯(lián)有斷路器位置輔助接點(diǎn)。

其分閘動(dòng)態(tài)過程如下：分閘保持繼電器勵(lì)磁R1并自保持—分閘線圈R3勵(lì)磁并跳開斷路器（電容C充電）—開關(guān)位置接點(diǎn)斷開（電容C放電）—結(jié)束，可以分為2個(gè)RC一階電路：①在接受到分閘令后，直流電源對(duì)電容C進(jìn)行充電；②在開關(guān)位置接點(diǎn)斷開分閘回路后，電容C中存儲(chǔ)的能量通過電阻放電。故全部可以利用一階RC電路的時(shí)域分析方法[3]，計(jì)算得到分閘全過程的分閘回路的電氣量。

圖1 500kV開關(guān)分閘回路原理圖

第1個(gè)動(dòng)態(tài)過程分析：

（1）一階電路的時(shí)間常數(shù)如下：

（2）電容電壓：

根據(jù)三要素法計(jì)算得到電容電壓為：

（3）電容電流：

Ic（t）初始時(shí)刻電流最大，然后隨指數(shù)函數(shù)衰減。

（4）分閘電阻電壓：

UR4（t）=分閘電阻的電壓變化規(guī)律與電容相同。

（5）分閘電阻電流：

IR4（t）=分閘電阻電流變化規(guī)律與電容電壓變化規(guī)律相似。

（6）分閘線圈電壓：

（7）分閘線圈電流：

通過上述計(jì)算分析可知，設(shè)置阻容回路在第1個(gè)動(dòng)態(tài)過程中的作用如下：在分閘指令施加到分閘回路的瞬間，由于電容電壓不能突變，此時(shí)電容的兩端相當(dāng)于短路的狀態(tài)，電阻不起作用，由于分閘線圈R3的電阻很小（15Ω），分閘線圈在短時(shí)間內(nèi)流過大電流，讓線圈銜鐵快速吸合，快速跳閘。在此過程中阻容回路起一個(gè)建立瞬間大電流的作用，縮短斷路器分閘時(shí)間，故稱之為阻容分閘加速回路。

第2個(gè)動(dòng)態(tài)過程分析：

（1）一階電路的時(shí)間常數(shù)如下：

（2）電容電壓：

根據(jù)三要素法計(jì)算得到電容電壓為：

（3）電容電流：

Ic（t）=C×dUc（t）/dt=-C/τ×Uc（60ms）×e（-t/τ），電容電流為負(fù)值，說明此時(shí)電容在釋放能量，并全部消耗在電阻上。

通過上述分析可知，設(shè)置阻容回路在第2個(gè)動(dòng)態(tài)過程的作用如下：因開關(guān)跳開時(shí)需要通過斷路器位置接點(diǎn)斷開跳閘回路，電容C中儲(chǔ)存的能量通過R釋放，電流減小，有利于上述觸點(diǎn)滅弧[4]，同時(shí)也防止電容中的能量損傷分閘線圈。

3 阻容加速分閘回路故障模式研究

阻容回路完好性的檢查是一個(gè)經(jīng)常被忽視的問題，但該回路承擔(dān)著重要的作用，一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致斷路器分閘速度變慢或者拒動(dòng)，當(dāng)電阻故障，將導(dǎo)致電容在充電期間的能量無法釋放，如果故障恰好發(fā)生在分閘的瞬間，當(dāng)電阻燒斷后，由于電容處于充電狀態(tài)，與該電阻相連的斷路器分閘線圈必然受到損傷，因此必須對(duì)出現(xiàn)故障的電阻進(jìn)行及時(shí)的處理。本文主要從兩個(gè)方面分析電阻的故障情況：

（1）正常分閘過程電阻故障

某電站采用的電阻參數(shù)如下：功率型繞線電阻，15Ω，誤差5%，耐壓514V，額定功率32W。如上文分析，在斷路器分閘的過程中電阻會(huì)承擔(dān)兩端電壓快速上升然后又很快衰減的過程，這種運(yùn)行工況對(duì)電阻是不利的。如果電阻存在匝間絕緣異?；虮∪醯沫h(huán)節(jié)，就會(huì)在每次分閘后逐步產(chǎn)生電阻匝間的絕緣損壞，并造成損傷積累。

圖2 電阻兩端電壓變化圖

在電阻的繞線匝間絕緣產(chǎn)生損壞后，隨著斷路器操作次數(shù)的增多，匝間絕緣受損的繞線匝數(shù)將會(huì)逐漸增多，最終會(huì)在某一次分閘的時(shí)候，燒斷電阻繞線，在后臺(tái)顯示斷路器分閘回路斷線，導(dǎo)致斷路器失去一組跳閘回路，嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全。

（2）線圈動(dòng)作試驗(yàn)時(shí)電阻故障

按照南方電網(wǎng)電力設(shè)備檢修試驗(yàn)規(guī)程的要求，500kV斷路器分閘線圈要定期進(jìn)行分閘動(dòng)作電壓試驗(yàn)，尤其是在30%額定動(dòng)作電壓下線圈不動(dòng)作試驗(yàn)[5]，存在試驗(yàn)電壓施加過長(zhǎng)的可能。試驗(yàn)回路圖見圖3。

回路參數(shù)如下：R3=5.6Ω，R4=15Ω，C=130μF，U=30%Un=33V，R1//R2約等于2Ω

利用一階RC電路分析方法計(jì)算電阻電壓為：

UR4（t）=24.04-24.04e（-t/τ）

電阻電流為：

圖3 斷路器跳閘線圈動(dòng)作電壓測(cè)試圖

因該試驗(yàn)為線圈不動(dòng)作電壓測(cè)試，如果單純依靠人工手動(dòng)控制，時(shí)間存在很大的不確定性，如長(zhǎng)期施加試驗(yàn)電壓，電阻在阻容電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后承擔(dān)的功率為：P=UR4（∞）×IR4（∞）=24.04V×1.6A=38.464W，超過了電阻的額定功率32W，如果散熱不良，電阻無法長(zhǎng)時(shí)間工作于超負(fù)荷狀態(tài)的，將會(huì)燒損（圖4為故障電阻現(xiàn)場(chǎng)圖片）。

圖4 故障電阻現(xiàn)場(chǎng)圖片

4 結(jié)語

針對(duì)斷路器正常分閘過程及分閘線圈預(yù)防性試驗(yàn)過程中可能造成的電阻燒損，可采取如下的維護(hù)策略及試驗(yàn)建議：

（1）在日常檢修中增加電阻的檢查內(nèi)容，定期測(cè)量電阻值是否已嚴(yán)重偏離出廠值，收集歷次定期檢查數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比，判斷電阻性能是否存在惡化趨勢(shì)；檢查電阻繞線匝間是否存在明顯的短路或者斷線；統(tǒng)計(jì)斷路器的分閘次數(shù)，當(dāng)積累至一定次數(shù)時(shí)，對(duì)電阻進(jìn)行更換。

（2）在進(jìn)行斷路器分閘線圈動(dòng)作電壓測(cè)試時(shí)嚴(yán)格控制試驗(yàn)電源施加的時(shí)間，根據(jù)保護(hù)帶斷路器整組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在保護(hù)跳閘接點(diǎn)閉合后斷路器位置觸點(diǎn)約在70ms左右斷開跳閘回路，因此建議采用的試驗(yàn)儀需具備精確控制輸出電壓脈寬的功能，整定試驗(yàn)電壓的脈寬在70ms附近。