1 000 kV 特高壓線路電壓檢測二次回路分析及改進

劉 濤，郭 果，李茹勤，岳雷剛，喬振朋，郭 凱

（國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，鄭州 450051）

0 引言

1 000 kV 特高壓線路單端或兩端裝設(shè)有高壓并聯(lián)電抗器[1]（以下簡稱“高抗”），1 000 kV 高抗的絕緣油冷卻方式均為自然油循環(huán)強迫風(fēng)冷，線路帶電壓立即將冷卻器投入運行；1 000 kV 高抗為大型充油設(shè)備，為了在其存在火災(zāi)隱患或發(fā)生火災(zāi)時能及時將火勢控制住，防止事故進一步擴大，1 000 kV 高抗均配置了自動噴水系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須在1 000 kV 線路失去電壓時才能啟動；考慮到某些1 000 kV 線路還裝設(shè)有特高壓串補裝置，1 000 kV 線路出線間隔存在3 組接地刀閘（以下簡稱“地刀”），分別為線路地刀、高抗地刀和串補地刀，3 組地刀均在線路無電壓時才能操作。為此，借鑒500 kV 變電站成熟的設(shè)計經(jīng)驗[2-3]，1 000 kV 線路CVT（電容式電壓互感器）的二次側(cè)均裝設(shè)了電磁型電壓繼電器，用以檢測線路是否有電壓。1 000 kV 特高壓變電站的1 000 kV 出線間隔需要檢測的電壓邏輯較多，現(xiàn)場安裝3 組電磁型電壓繼電器，其輸出3～6 副接點供高抗冷卻器控制回路、高抗自動噴水滅火系統(tǒng)和地刀控制回路使用。

運行實踐證明，CVT 端子箱所處的1 000 kV變電站的電磁環(huán)境明顯比500 kV 變電站更為惡劣[4]，導(dǎo)致目前1 000 kV 線路CVT 端子箱內(nèi)的電壓繼電器及其二次回路存在諸多問題，嚴重影響了1 000 kV 線路間隔設(shè)備的可靠性，不利于特高壓電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。本文以1 000 kV 特高壓南陽站長南Ⅰ線和南荊Ⅰ線間隔線路電壓檢測電壓繼電器及其二次回路為例，分析現(xiàn)場配置方案及其存在的問題，并據(jù)此給出改進的1 000 kV線路間隔電壓檢測新方案。

1 電壓繼電器配置方案及問題

1 000 kV 線路電壓檢測通過線路CVT 二次繞組并聯(lián)電壓型繼電器實現(xiàn)，其原理如圖1 所示。1YJ-9YJ 為線路CVT 二次繞組并聯(lián)的電壓型繼電器，其中1YJ-3YJ 并聯(lián)于線路CVT 端子箱內(nèi)的保護1 電壓二次繞組，用于啟動高抗冷卻器控制回路和高抗自動噴水控制回路[5]；4YJ-6YJ 并聯(lián)于線路CVT 端子箱內(nèi)的保護2 電壓二次繞組，用于閉鎖高抗接地刀閘控制回路；保護1 電壓二次導(dǎo)線同時引至1 000 kV HGIS（復(fù)合式氣體絕緣開關(guān)設(shè)備）匯控柜，7YJ-9YJ 并聯(lián)于1 000 kV HGIS匯控柜內(nèi)的保護1 電壓二次繞組，用于閉鎖HGIS 線路接地刀閘控制回路。1YJ-9YJ 均安裝于現(xiàn)場CVT 端子箱或匯控柜內(nèi)。

圖1 1 000 kV 線路電壓檢測原理

1.1 繼電器故障情況

電磁式繼電器的工頻勵磁電壓是導(dǎo)致其鐵芯、繞組振動及噪音的主要因素，在特高壓變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境下，電磁式繼電器的鐵芯、繞組振動及噪音更為顯著[6-7]。1 000 kV 線路CVT端子箱內(nèi)的電磁式電壓繼電器長期工作于100 V 的工頻勵磁電壓下，繼電器本體尤其是簧片及其動觸頭長期抖動，致使其頻繁損壞。1 000 kV 特高壓南陽站2 條1 000 kV 線路共安裝電磁式繼電器18 只，自2008 年投運至今，故障并更換42次（只），詳細情況統(tǒng)計如表1 所示。

表1 1 000 kV 特高壓南陽站1 000 kV CVT 二次電磁式電壓繼電器故障情況統(tǒng)計

由表1 可知，該18 只繼電器自投運以來，每年均有故障，至今平均每只故障并被更換2.33次，且10 年來已被全部更換。經(jīng)檢查，故障繼電器有以下幾種情況：

（1）動作或返回電壓不合格。在1.1 倍動作電壓下不能可靠動作或在0.9 倍返回電壓下不能可靠返回。

（2）簧片及動觸頭長期抖動損壞，常開或常閉接點不能可靠斷開或閉合。

1 000 kV 線路CVT 二次電磁式電壓繼電器較高的故障頻次給運行設(shè)備帶來了較嚴重的安全隱患。

1.2 對運行設(shè)備的影響

（1）1 000 kV 高抗的絕緣油冷卻方式為自然油循環(huán)強迫風(fēng)冷，線路帶電壓立即將冷卻器投入運行。1 000 kV 高抗冷卻器檢測線路有壓啟動原理如圖2 所示。

圖2 1 000 kV 高抗冷卻器檢線路有壓啟動原理

圖2 中1YJ，2YJ 及3YJ 為圖1 所示中間繼電器的輔助觸點， 三者并聯(lián)后啟動中間繼電器ZJ，ZJ 繼電器的常閉輔助觸點閉合后啟動中間繼電器KA，KA 繼電器的常閉輔助觸點閉合后啟動高抗冷卻器運轉(zhuǎn)?？梢?，1 000 kV 線路停電檢修期間， 若1YJ-3YJ 任一繼電器不可靠返回（1.1 中所列故障），均會將高抗冷卻器錯誤地投入運轉(zhuǎn)，該情況在1 000 kV 特高壓南陽站已發(fā)生過多次。其關(guān)鍵在于1 000 kV 線路失電后1YJ-3YJ 繼電器不能可靠返回。為避免該安全隱患，1 000 kV 特高壓南陽站采用的辦法是：1 000 kV 線路停電轉(zhuǎn)檢修后，立即將高抗冷卻器電源斷開，以防止1YJ-3YJ 繼電器不能可靠返回而誤啟動高抗冷卻器，同時帶來的問題是進行高抗冷卻器試驗和檢修工作時需申請投入冷卻器電源，增加了運維檢修人員工作量，降低了工作效率。

同樣，高抗正常帶電運行中，若1YJ-3YJ 3個輔助觸點同時誤閉合，將會造成三相高抗冷卻器全停事故。根據(jù)表1 所示，2012 年南荊I 線間隔、2013 年南荊I 線間隔、2014 年長南I 線間隔已分別發(fā)生1YJ-3YJ 3 個輔助觸點中2 個誤閉合案例，若第3 個觸點再發(fā)生閉合，后果十分嚴重。

（2）1 000 kV 高抗為大型充油設(shè)備，為了在其存在火災(zāi)隱患或發(fā)生火災(zāi)時，及時將火勢控制住，防止事故進一步擴大，其均配置了自動噴水滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須在1 000 kV 線路失去電壓時才能啟動。為防止電壓檢測接點誤啟動自動噴水系統(tǒng)，3 個電壓檢測接點串聯(lián)后接入自動噴水控制回路，其原理圖如3 所示。

圖3 1 000 kV 高抗自動噴水控制回路原理

圖3 中ZJa，ZJb 及ZJc 為中間繼電器，檢1 000 kV 線路三相均無電壓后動作，其輔助常開觸點分別經(jīng)各自相高抗感溫電纜動作，信號串聯(lián)后啟動該相自動噴水系統(tǒng)電磁閥DFA，DFB 及DFC，電磁閥動作后該相高抗消防管網(wǎng)立即注入高壓水并噴淋。由圖3 原理可知，電磁閥動作需2 個條件：一是該相高抗感溫電纜動作；二是本文所述線路3 只電壓檢測繼電器返回。然而，南陽站現(xiàn)場10 余年的運維檢修經(jīng)驗表明，受現(xiàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境影響，火災(zāi)報警系統(tǒng)24 V 控制回路可靠性偏低，當(dāng)前大型充油設(shè)備（高抗、變壓器等）感溫電纜動作可靠性不足，誤動作概率較高。這就要求電磁閥動作的另一條件，即1 000 kV線路3 只電壓檢測繼電器及其回路的動作必須可靠，才能閉鎖該回路誤導(dǎo)通，否則DFA，DFB 及DFC 3 個電磁閥誤動作的可能性大大提高。1 000 kV 線路正常運行期間，若高抗自動噴水系統(tǒng)誤動，后果非常嚴重，可能造成高抗1 000 kV 引線對地閃絡(luò)，不僅損害特高壓一次設(shè)備，還嚴重威脅特高壓電網(wǎng)安全[8]。因此，對圖3 中1YJ-3YJ繼電器及其輔助觸點的可靠性有極高的要求。

然而，南陽站現(xiàn)場10 余年的運維檢修經(jīng)驗表明（1.1 中所列故障），1YJ-3YJ 繼電器及其輔助觸點的可靠性明顯不足。 南陽站現(xiàn)場為防止1 000 kV 線路正常運行期間，1YJ-3YJ 繼電器誤返回導(dǎo)致1 000 kV 高抗自動噴水系統(tǒng)誤動作而造成嚴重后果，將現(xiàn)場高抗消防主管網(wǎng)閥門關(guān)閉，即使DFA，DFB 和DFC 電磁閥誤動作，高抗消防主管網(wǎng)也不會充水。但這樣帶來的風(fēng)險是，若1 000 kV 高抗確實發(fā)生火災(zāi)，高抗感溫電纜動作的同時，1 000 kV 線路失壓，高抗自動噴水系統(tǒng)也不能及時啟動，需要運維人員手動打開消防主管網(wǎng)閥門，勢必會造成噴水系統(tǒng)投入延遲，而造成更嚴重的后果。

尤其自2018 年國家電網(wǎng)有限公司為提高現(xiàn)場超（特）高壓充油設(shè)備自動噴水滅火系統(tǒng)的快速及有效性，要求現(xiàn)場所有設(shè)備的自動噴水滅火系統(tǒng)必須置“自動”方式，類似南陽站正常運行時關(guān)閉大型充油設(shè)備消防主管網(wǎng)閥門，發(fā)生火災(zāi)時手動打開消防主管網(wǎng)閥門的做法已不能滿足該項要求。大型充油設(shè)備自動噴水滅火系統(tǒng)的可靠性亟需提高，因此提高1 000 kV 線路無電壓啟動高抗自動噴水滅火系統(tǒng)的功能可靠性是解決該問題的關(guān)鍵所在，提高1 000 kV 線路CVT 二次電壓中間繼電器的可靠性工作更是至關(guān)重要。

（3）為避免帶電合接地刀閘，如圖1 所示4YJ-6YJ 和7YJ-9YJ 中間繼電器常閉輔助觸點分別用于閉鎖1 000 kV 線路高抗接地刀閘和1 000 kV線路HGIS 接地刀閘，某些特高壓變電站1 000 kV 線路安裝有串聯(lián)補償電容器（串補）裝置，1 000 kV 線路CVT 二次中間電壓繼電器還用于閉鎖串補裝置接地刀閘。當(dāng)1 000 kV 線路有電壓時，閉鎖該接地刀閘的操作。 為提高閉鎖功能的可靠性，3 個常閉輔助觸點串聯(lián)，但帶來的問題是：任一繼電器或其觸點故障不能可靠返回，均會造成1 000 kV 接地刀閘控制回路聯(lián)鎖回路斷開，接地刀閘無法操作，嚴重影響1 000 kV 變電站停送電操作效率。目前的解決方法是，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)某1 000 kV 接地刀閘無法操作，若確認為1 000 kV 線路CVT 二次中間繼電器或其觸點未可靠閉合所致，則及時短接該故障的觸點，盡快將該刀閘操作完成。因此，1 000 kV 線路CVT 二次中間繼電器或其觸點故障是制約1 000 kV 變電站停送電操作效率的關(guān)鍵因素之一[9-10]。

1.3 其他問題

如圖1 所示，目前1 000 kV 線路電壓檢測原理及其方案不僅在啟動高抗冷卻器功能、高抗自動噴水滅火功能和閉鎖1 000 kV 接地刀閘操作功能上存在明顯的問題，還存在以下現(xiàn)場問題：

（1）CVT 二次負載過大。一般CVT 二次僅配置2 個保護用繞組，如圖1 所示1 000 kV 線路配置線路電壓檢測中間繼電器3 組（1YJ-3YJ，4YJ-6YJ，7YJ-9YJ），這樣需要其中一個保護用繞組（例如保護1 電壓）接入2 組電壓檢測中間繼電器，增大了保護1 電壓繞組的二次負載。典型設(shè)計下1 000 kV 線路CVT 二次保護繞組所帶負載還有線路保護裝置、過壓遠傳裝置、高抗保護、斷路器保護、失步解列裝置（1～2 套）、穩(wěn)控裝置（2～4套）、錄波器等，總計8～12 套，所帶負載已經(jīng)較多，再考慮到1 000 kV CVT 端子箱內(nèi)的2 組電磁型電壓中間繼電器，如此多的負載對于CVT 二次繞組的運行是極為不利的，可能會造成電壓互感器二次誤差增大[11-12]、電磁單元過熱等問題[2-3]。

（2）斷路器匯控柜安全隱患。3/2 主接線方式下，HGIS 匯控柜按照斷路器配置，每面屏柜主要包含本間隔二次線及其元件，典型設(shè)計下一般不含有出線電壓二次線。如圖1 所示原理，由于所配置中間繼電器數(shù)量較多（達9 個）且1 000 kV線路CVT 端子箱內(nèi)空間一般偏小，只能將7YJ-9YJ 繼電器布置于該線路邊斷路器匯控柜內(nèi)，需要將二次保護1 電壓線引至邊斷路器匯控柜內(nèi)，該匯控柜內(nèi)存在非典型二次回路，帶來新的危險點，易發(fā)生因運維檢修工作的疏忽而造成該回路的接地、短路等故障，造成保護裝置用電壓丟失。

2 改進方案

2.1 固態(tài)繼電器

工頻勵磁電壓下帶來電磁型繼電器鐵芯、繞組振動，是導(dǎo)致簧片、觸點損壞的主要原因。固態(tài)繼電器利用晶閘管的導(dǎo)通、截止原理實現(xiàn)繼電器的動作和返回，不存在工頻勵磁電壓下的振動現(xiàn)象，而且固態(tài)繼電器的動作性能、各項參數(shù)均優(yōu)于電磁式繼電器。因此，建議將當(dāng)前方案中采用的電磁式繼電器全部更換為固態(tài)繼電器，將顯著提高繼電器的可靠性。

該方案的優(yōu)點是便于現(xiàn)場改造，不改變電壓繼電器的安裝位置，所接二次回路及其線纜基本維持原有不變；缺點是相對于電磁型繼電器，固態(tài)繼電器需要獨立電源供電，需要CVT 端子箱內(nèi)為其配置較為可靠的交流或直流電源及其二次線纜，方案稍顯復(fù)雜。

2.2 繼電器安裝于保護室屏柜內(nèi)

1 000 kV 特高壓變電站場區(qū)復(fù)雜的電磁環(huán)境是造成1 000 kV 線路CVT 端子箱內(nèi)電壓繼電器損壞的重要因素。1 000 kV 繼電保護小室內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)接屏為全站1 000 kV 電壓二次回路的匯集點，空間也寬敞，完全滿足線路電壓檢測用電壓中間繼電器的安裝要求，而且繼電保護小室內(nèi)電磁環(huán)境遠優(yōu)于室外1 000 kV 場區(qū)，因此可以將1 000 kV 線路CVT 二次電壓中間繼電器的安裝地點由室外CVT 端子箱、斷路器匯控柜改為1 000 kV 繼電保護小室內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)接屏，這樣也將顯著提高電壓中間繼電器的可靠性。

該方案的優(yōu)點是合理利用了目前變電站空間較為寬裕的電壓轉(zhuǎn)接屏，有效避開了復(fù)雜的室外電磁環(huán)境；缺點是改變了繼電器安裝位置，相關(guān)二次線纜改動工作量較大。

2.3 測控裝置輸出電壓檢測接點

1 000 kV 線路CVT 二次測量繞組電壓由間隔測控裝置采集后送至變電站綜合自動化后臺，測控裝置也具備檢測該CVT 二次“有壓”和“無壓”的邏輯與功能，僅需驅(qū)動出口繼電器輸出無源觸點即可。線路CVT 二次三相中任一相有電壓即認為該線路“有壓”，驅(qū)動出口繼電器動作；否則，判斷該線路“無壓”，出口繼電器返回。出口繼電器輸出常開觸點即為“有壓”觸點；輸出常閉觸點即為“無壓”觸點。邏輯原理如圖4 所示。

圖4 測控裝置電壓檢測邏輯

圖4 中，“有壓”門檻定值可設(shè)定為額定電壓Un的30%，Un=57.7 V。理論上，驅(qū)動的出口繼電器數(shù)量可以無限擴展，考慮到變電站現(xiàn)場實際需求，該出口繼電器設(shè)置3～4 個即可。類似于圖1所示原理，“有壓”觸點用于高抗冷卻器自動投入回路，“無壓”觸點用于啟動高抗自動噴水滅火系統(tǒng)和閉鎖與線路連接的各接地刀閘操作。

該方案的優(yōu)點是簡化了現(xiàn)場元器件和二次線，充分利用了測控裝置的原有功能，實現(xiàn)方案簡單可靠[13-14]。缺點是方案原理變動較大，現(xiàn)場運維檢修人員改造實施難度大。建議新建特高壓變電站1 000 kV 線路電壓檢測采用此方案。原有特高壓變電站1 000 kV 線路電壓檢測可采用2.1或2.2 中所述方案進行改造，也可以綜合采用2.1和2.2 中所述方案，即1 000 kV 線路CVT二次采用固態(tài)電壓繼電器同時將其安裝于室內(nèi)電壓轉(zhuǎn)接屏實現(xiàn)線路電壓檢測的方案。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)前特高壓變電站1 000 kV 線路電壓檢測方案在啟動1 000 kV 高抗冷卻器、1 000 kV高抗自動噴水滅火系統(tǒng)和閉鎖1 000 kV 接地刀閘操作功能上存在顯著問題。

（2）現(xiàn)場采用電磁型中間電壓繼電器，特高壓變電站現(xiàn)場電磁環(huán)境較為復(fù)雜、特高壓線路間隔電壓檢測系統(tǒng)較復(fù)雜是造成當(dāng)前1 000 kV 線路電壓檢測方案存在問題的主要因素。

（3）將線路電壓檢測用的電磁型中間電壓繼電器更換為固態(tài)繼電器，同時將其安裝位置改至繼電保護室內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)接屏，是解決已投運特高壓變電站該問題的可行方案。建議今后新建特高壓線路電壓檢測采用測控裝置功能實現(xiàn)的方案。