一起220 kV 斷路器非全相保護誤動事件分析 及回路改進方法

張 彬 林建雄 馬永春

(廣東電網有限責任公司汕頭供電局 汕頭 515041)

1 引言

電網中220 kV 及以上電壓等級的斷路器大部分運用分相操作機構[1-3]，由于外部環(huán)境、倒閘操作、設備質量、單相重合閘失敗等各種因素，斷路器將出現三相不同期合閘的異常情況，非全相運行時系統(tǒng)中將出現較大的負序和零序電流，對設備極為有害，嚴重時可能導致越級跳閘擴大事故范圍，大大影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性[4-5]。而非全相保護是有效防止斷路器非全相運行事故的一種重要保護手段[6]。

非全相保護分為斷路器本體非全相保護和微機非全相保護，由于本體非全相保護接線回路簡單，動作可靠性高，故現場斷路器通常采用此保護，但是由于220 kV 斷路器設備多為戶外敞開式設備，該保護回路設備長期在大雨、高溫、潮濕等天氣下運行，容易導致回路絕緣性能下降而發(fā)生保護誤動[7-8]。鑒于此，電力系統(tǒng)內專家學者們都對如何提高斷路器本體非全相保護動作準確性問題展開了研究。文獻[9]提出對此類繼電器從原理和結構進行立項反措，雖然能加強維護，但是未有實質性改進。文獻[10]提出在本體非全相保護回路中增加零序和負序電流判據，實現對繼電器常開接點的閉鎖，但是當負荷較小時，保護可能拒動。文獻[11]提出在回路中額外增加多個非全相時間繼電器，雖然能避免單個繼電器時間偏差，但是繼電器越多，節(jié)點故障的風險越大。

本文介紹了斷路器非全相保護兩種實現方式的動作原理，以一起220 kV 線路斷路器本體非全相保護誤動事件為例，分析其誤動的原因，并提出在啟動回路和出口跳閘回路中分別串接斷路器輔助觸點的改進策略。

2 非全相保護動作原理

非全相保護分為電氣量和斷路器本體兩種實現方式[12]。相比較而言，斷路器本體非全相保護接線回路簡單、串接接點較少、輔助判據較少、動作可靠性高，因而普遍應用于高壓電力系統(tǒng)中。

2.1 電氣量非全相保護

斷路器電氣量非全相保護是由微機實現的數字式斷路器失靈啟動及輔助保護裝置來實現的，以深圳南瑞科技有限公司的PRS-723A 為例進行分析。

如圖 1 所示，非全相保護由非全相接點啟動，由軟壓板控制字及硬壓板相“與”作用投退，并將負序電流或零序電流用于動作的輔助判據，可分別由“不一致經零序開放”(軟壓板)或“不一致經負序開放”(軟壓板)選擇投退。當相應的“不一致零序過流元件”或“不一致負序過流元件”判據條件滿足后，經可整定的“不一致動作時間”，非全相保護動作，出口跳閘[12]。

當三相均有電流且有不一致開入時，延時1 s鐘報不一致異常，同時閉鎖非全相保護。如果三相不均有流或無流且有不一致開入時則經10 s 延時報不一致異常告警。A、B、C 三相電流中相電流大于0.06 In時，則判為該相有流。

2.2 本體非全相保護

斷路器本體非全相保護以北京ABB 高壓開關設備有限公司為例，其接線圖如圖2 所示，K36 是 非全相時間繼電器，K37、K38 是非全相出口繼電器，LP31 是非全相保護投退壓板，該保護將三相斷路器的分位輔助常閉觸點(BG1 222:221)并聯、合位輔助常開觸點(BG1 224:223)并聯后再串聯啟動時間繼電器K36，時間繼電器經延時后啟動非全相保護出口跳閘[13-14]。

3 案例分析

3.1 事故描述

事故前運行方式為：220 kV 某變電站220 kV某輸電乙線正常運行，保護裝置的非全相保護與斷路器本體非全相保護均在投入狀態(tài)，220 kV 某輸電乙線4686 開關型號為LTB245E1，廠家為北京ABB高壓開關設備有限公司。

事故主要經過為：某年某月某日10 時02 分220 kV 某輸電乙線斷路器跳閘，監(jiān)控收到“220 kV某輸電乙線第一組控制回路斷線、220 kV 某輸電乙線4686 開關位置分閘”等信號。運行人員到達事故現場進行檢查，發(fā)現后臺報文中保護無動作出口信息。除4686 開關分閘外，220 kV 某輸電乙線保護屏保護裝置無異常信息，錄波裝置啟動錄波，如圖3 所示。從錄波圖分析，某輸電乙線A、B、C 三相開關同時分閘，未出現非全相運行過程，分閘前三相電流平衡，零序電流為0。主一保護、主二保護、斷路器輔助保護未動作，開關跳閘后，操作箱跳閘燈未亮，說明自操作箱以上沒有保護動作向開關發(fā)跳令，保護裝置行為正確。

3.2 現場檢查

一次設備檢查：220 kV 某輸電乙線4686 開關確在分閘位置，該間隔設備外觀、開關動作次數、SF6 壓力正常；二次設備檢查：后臺報文、220 kV某輸電乙線保護、220 kV 某輸電乙線4686 開關機構箱及端子箱正常，在檢查到4686 開關匯控箱時發(fā)現非全相信號燈(同時也是復歸按鈕)有亮燈，打開面板檢查K34 非全相信號繼電器動作。

對220 kV 某輸電乙線4686 開關保護及二次回路檢查發(fā)現，發(fā)現K36 非全相時間繼電器有水汽。拆除開關本體非全相繼電器K38、K37，時間繼電器K36，并將該回路正電源拆除。繼電器拆下來，大約10 min 后，繼電器內水汽已全部蒸發(fā)，外觀已恢復正常。進一步檢查K36 繼電器內部接點，發(fā)現有油水結合物，如圖4 所示。

由此判斷220 kV 某輸電乙線4686 開關跳閘故障原因是K36 繼電器接點(14-11)導通導致K38 繼電器動作，回路原理圖如圖5 所示。K38 繼電器動作后跳開關并接通K34 非全相信號繼電器動作。但該信號只在開關本體機構燈光信號顯示，設計圖紙未接入后臺報文，導致后臺無報文信息，回路原理圖如圖6 所示。

3.3 絕緣測試驗證

大約20 h 后，在室內干燥環(huán)境下用500 V 搖表測試K36、K37、K38 繼電器接點兩端絕緣，結果如表1 所示，從測試結果可以看出時間繼電器K36 的接點(14-11)絕緣偏低。

3.4 模擬繼電器受潮試驗驗證

模擬潮氣滲入繼電器：將K36 繼電器放在正在燒水的壺上面，模擬受潮情況20 s 左右，測試(14-11)接點，絕緣繼續(xù)降低，如圖7 所示(用萬用表測量只有21.63 M?，曾出現只有3.1 M? 的情況) 。

3.5 原因分析

根據以上排查結果分析，判斷220 kV 某輸電乙線4686 斷路器跳閘故障原因是由于在高溫潮濕或雨水天氣下，水汽滲入導致本體非全相時間繼電器K36 接點(14-11)絕緣逐步降低，導致(14-11)接點誤導通，致使K38 繼電器動作后跳開三相開關。

表1 K36、K37、K38 繼電器接點兩端絕緣阻值

4 斷路器非全相保護回路改進方法

通過以上分析可知，此事件發(fā)生的直接原因是時間繼電器絕緣降低，環(huán)境因素影響較大。而且目前220 kV 斷路器本體非全相保護大部分都 沒有設置零序和負序電流判據，跳閘回路簡單。同時監(jiān)控后臺機無對應動作報文，嚴重影響對故障的快速判斷。因此針對傳統(tǒng)非全相保護回路的不足之處，提出新型斷路器本體非全相保護回路改進方法。

4.1 非全相保護信號回路改進方法

該線路斷路器本體非全相動作信號只在斷路器本體機構燈光信號顯示，設計圖紙未接入后臺報文，導致后臺無報文信息，嚴重影響運行和監(jiān)控人員對故障的快速判斷和定位，延長了異常處理的時間，因此需要對設計圖紙進行改進，如圖8所示，將非全相動作信號圖中的921 和922 接點接到對應線路測控屏，從而使后臺能夠及時收到本體繼電器動作信號。

4.2 基于斷路器輔助觸點的保護回路改進方法

將非全相時間繼電器K36 的輔助接點11 和21端子與正電源的602 接點解開，更改成和K36 繼電器的A1 端子連接；將非全相出口繼電器K37 和K38輔助接點11/21/31 和12/22/32 端子與正電源的601解開，改為與K36 繼電器的A1 端子連接。改進后的保護回路如圖9 所示，此接線方式下，即使非全相繼電器K36、K37 和K38 的接點絕緣不良誤導通的話，也不會導致本體非全相保護誤動，因為K36、K37 和K38 繼電器輔助接點與正電源之間串接了斷路器的三對常開和三對常閉輔助觸點，因此僅在斷路器本體真正出現非全相運行時，斷路器則有一對常開和常閉輔助觸點導通，非全相保護才會動作，從而避免了因繼電器故障或外部干擾而導致的保護誤動。

5 試驗驗證

為了驗證本文所提斷路器本體非全相保護回路改進方案的可行性，進行了相關試驗，試驗對象為某 220 kV 線路備用甲、乙間隔，其開關型號為LTB245E1，廠家為北京ABB 高壓開關設備有限公司。根據回路改進的圖8 和圖9，僅對220 kV 備用乙線斷路器本體非全相保護回路進行改進，220 kV備用甲線斷路器本體非全相保護回路保持不變。通過繼保試驗驗證了保護動作的準確性和可靠性，試驗結果如表2 所示。

表2 某220 kV 備用甲、乙線斷路器非全相保護 試驗參數及結果

由表2 可知，首先在220 kV 備用甲、乙線斷路器AB 相合位、C 相分位時，對其進行非全相保護試驗，試驗結果驗證了非全相保護回路及動作邏輯的正確性；通過兩個斷路器間隔的對比，可看出本文所提回路改進方案能使監(jiān)控后臺機實時收到非全相保護動作報文，方便了運行和監(jiān)控人員對事故的快速判斷和準確定位，縮短了異常處理的時間。

然后在220 kV 備用甲、乙線斷路器ABC 相合位，同時模擬外部作用使非全相繼電器勵磁吸合的情況下，對其進行非全相保護試驗，試驗結果驗證了外界因素使非全相繼電器勵磁吸合時，斷路器輔助常閉常開接點能有效閉鎖非全相保護動作回路。

該保護試驗驗證了本文非全相保護回路改進方案的有效性和可行性，能有效避免由于人為誤碰、外力作用、繼電器故障及環(huán)境因素引起的本體非全相保護回路誤動，同時可以降低由于輔助開關觸點故障引起的非全相保護回路誤動，提高運行可靠性。

6 結論

針對如何提高斷路器本體非全相保護動作的準確性，本文首先介紹了斷路器非全相保護兩種實現方式的動作原理，通過對一起220 kV 線路斷路器本體非全相保護誤動事件的分析，發(fā)現斷路器本體非全相保護回路中時間繼電器絕緣異常的缺陷，在傳統(tǒng)的斷路器本體非全相保護回路的基礎上，提出一種基于斷路器三對常開常閉輔助觸點的非全相保護回路改進方法。試驗結果驗證了該非全相保護回路改進方案能夠提高斷路器本體非全相保護動作的正確性和可靠性，從而保障了電網設備的健康高效運行，具有較高的工程實用價值，同時為類似缺陷的排查及處理提供了借鑒。