Siemens 500 kV斷路器非全相保護(hù)安全隱患分析及改進(jìn)

王 娜, 王進(jìn)虎

(1.天津市電子信息技師學(xué)院，天津 300350；2.天津送變電工程有限公司，天津 300000)

近年來(lái)特高壓建設(shè)不斷發(fā)展，輸電線路電壓等級(jí)越來(lái)越高，輸送的電量越來(lái)越大，在電量傳輸加大的同時(shí)也帶來(lái)了相應(yīng)問(wèn)題，如當(dāng)線路出現(xiàn)故障短路時(shí)，對(duì)整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的影響較大，所帶來(lái)的危害無(wú)法估量，輕則導(dǎo)致區(qū)域供電故障，影響工礦企業(yè)生產(chǎn)、居民生活用電，重則導(dǎo)致主干電網(wǎng)解列或崩潰。因此為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，一般采用可分相操作的斷路器(一般在220 kV及以上電壓等級(jí)采用)，與此相對(duì)應(yīng)的分相斷路器同時(shí)需要配置斷路器非全相保護(hù)裝置[1-2]。在GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》中，明確規(guī)定“220 kV及以上電壓分相操作的斷路器應(yīng)附有三相不一致( 非全相) 保護(hù)回路。三相不一致保護(hù)動(dòng)作時(shí)間應(yīng)為 0.5～4.0 s 可調(diào)，以躲開(kāi)單相重合閘動(dòng)作周期”、“對(duì)220～500 kV 斷路器三相不一致，應(yīng)盡量采用斷路器本體的三相不一致保護(hù)，而不再另外設(shè)置三相不一致保護(hù)；如斷路器本身無(wú)三相不一致保護(hù)，則應(yīng)為該斷路器配置三相不一致保護(hù)”[3]。

在天津某500 kV變電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，Siemens公司生產(chǎn)的500 kV斷路器的非全相保護(hù)存在一定的安全隱患，本文以此為基礎(chǔ)，對(duì)非全相保護(hù)的配置要求及其相關(guān)原理進(jìn)行介紹，對(duì)Siemens公司生產(chǎn)的500 kV斷路器非全相保護(hù)的基本回路和原理進(jìn)行深入分析，剖析相關(guān)安全隱患問(wèn)題，并根據(jù)分析結(jié)果，提出相關(guān)改善方案以消除安全隱患。同時(shí)提出幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，為變電站的運(yùn)行人員提供一定參考，也為類似問(wèn)題的解決提供一定的幫助和借鑒。

1 三相不一致保護(hù)概述

非全相運(yùn)行是指在可分相操作的斷路器中，任意一相跳開(kāi)而其他兩相斷路器依然在合閘位置的運(yùn)行情況，這是一種非正常運(yùn)行方式[4]。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生非全相運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量和零序分量，會(huì)對(duì)系統(tǒng)中運(yùn)行的設(shè)備產(chǎn)生危害，如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等，也會(huì)對(duì)系統(tǒng)通信造成一定干擾，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置能否正確動(dòng)作也會(huì)產(chǎn)生影響，所以在電力系統(tǒng)中不允許長(zhǎng)時(shí)間處于非全相運(yùn)行情況。同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)采用單相重合閘裝置時(shí)，也應(yīng)考慮下列問(wèn)題，并采取相應(yīng)措施：重合閘過(guò)程中出現(xiàn)的非全相運(yùn)行狀態(tài)，如引起本線路或其他線路的保護(hù)裝置誤動(dòng)作時(shí)，應(yīng)采取措施予以防止；電力系統(tǒng)不允許長(zhǎng)期非全相運(yùn)行，為防止斷路器一相斷開(kāi)后，由于單相重合閘裝置拒絕合閘而造成非全相運(yùn)行，應(yīng)具有斷開(kāi)三相的措施，并應(yīng)保證選擇性[4]。為此在分相操作的斷路器會(huì)配置非全相保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)非全相運(yùn)行情況時(shí)，保護(hù)裝置經(jīng)過(guò)一定時(shí)間跳開(kāi)剩余兩相，以此切除非全相運(yùn)行的設(shè)備，這是非常重要的。

斷路器非全相運(yùn)行時(shí)，斷路器三相位置不一致，又產(chǎn)生負(fù)序電流和零序電流，非全相保護(hù)就是根據(jù)這些非全相運(yùn)行的特點(diǎn)構(gòu)成的。非全相保護(hù)也稱三相不一致保護(hù)，實(shí)現(xiàn)三相不一致保護(hù)一般有2種方式：一種是斷路器自身實(shí)現(xiàn)；一種是安裝單獨(dú)的三相不一致裝置實(shí)現(xiàn)。根據(jù)GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，一般采用斷路器自身的保護(hù)功能，因此本文為斷路器自身的三相不一致保護(hù)?；驹硎怯蓴嗦菲鞯娜噍o助常閉觸點(diǎn)并聯(lián)后，再與三相輔助常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)后形成二次回路來(lái)實(shí)現(xiàn)分相斷路器的三相不一致判別[5-6]。如圖1所示，當(dāng)三相斷路器均在分位或合位時(shí)總有1組觸點(diǎn)處于分開(kāi)狀態(tài)，K16繼電器不會(huì)接通。當(dāng)斷路器三相位置不對(duì)應(yīng)時(shí)，有一相或兩相處于分位，2組輔助觸點(diǎn)中總有1組會(huì)處于接通狀態(tài)，此時(shí)K16繼電器動(dòng)作，經(jīng)過(guò)整定的延時(shí)后，其觸點(diǎn)接通啟動(dòng)K6繼電器使其動(dòng)作。K61繼電器一方面在斷路器跳閘回路中跳開(kāi)斷路器，另一方面有一對(duì)觸點(diǎn)進(jìn)行自保持，必須通過(guò)按鈕S4才能復(fù)歸。自保持是因?yàn)槌霈F(xiàn)非全相情況，一般為斷路器操作機(jī)構(gòu)或其二次控制回路出現(xiàn)故障，需要查明情況后才能再次操作。需要指出的是，在實(shí)際應(yīng)用中為了防止三相不一致保護(hù)誤動(dòng)作，當(dāng)斷路器輔助觸點(diǎn)判斷出現(xiàn)三相不一致后，需要經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后才能進(jìn)行出口跳閘。對(duì)于不采用單相重合閘的線路來(lái)說(shuō)，相應(yīng)的時(shí)間一般整定為0.5 s,對(duì)于有單相重合閘的線路來(lái)說(shuō)，三相不一致保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間要躲開(kāi)保護(hù)單相跳閘及重合閘的時(shí)間，防止這種情況下三相不一致保護(hù)誤動(dòng)作。

2 回路分析及存在隱患

2.1 斷路器非全相保護(hù)二次回路分析

在Siemens公司500 kV斷路器本體機(jī)構(gòu)中有自己的非全相保護(hù)配置，該非全相保護(hù)的時(shí)間可以整定，其非全相保護(hù)配置可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能也符合繼電保護(hù)相關(guān)要求，在該保護(hù)中其二次回路的原理如圖1、圖2所示。其基本實(shí)現(xiàn)原理是通過(guò)由斷路器A、B、C三相并聯(lián)常閉輔助觸點(diǎn)SLA、SLB、SLC串聯(lián)斷路器三相、并聯(lián)常開(kāi)輔助觸點(diǎn)。當(dāng)三相位置不一致時(shí)，例如一相或兩相分位時(shí)，三組輔助觸點(diǎn)中會(huì)有1組接通去啟動(dòng)K16繼電器，再由 K16繼電器的一對(duì)常開(kāi)延時(shí)閉合觸點(diǎn)啟動(dòng)非全相出口中間繼電器 K61，并且經(jīng)過(guò)自身觸點(diǎn)自保持，再由K61的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合且經(jīng)過(guò)斷路器輔助觸點(diǎn)SLA、SLB、SLC，從而使出口繼電器K1、K2、K3 線圈得電，啟動(dòng)出口跳閘。斷路器三相跳閘后，斷路器本體三相輔助觸點(diǎn)動(dòng)作，非全相繼電器K16失電，K16的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)需要通過(guò)S4進(jìn)行手動(dòng)復(fù)歸，中間繼電器K61失電，使非全相保護(hù)復(fù)歸。圖1中，SLA、SLB、SLC分別為斷路器的三相輔助觸點(diǎn)；K16為非全相繼電器；K61為中間繼電器；S4非全相復(fù)位按鈕。圖2中，KOA為手跳按鈕觸點(diǎn)；K1、K2、K3分別為分閘線圈；LP1為非全相壓板；A相監(jiān)視、B相監(jiān)視、C相監(jiān)視為跳位監(jiān)視。

2.2 二次回路存在的安全隱患

a.當(dāng)出口壓板LP1因?yàn)槿藶橐蛩鼗蛘呔€纜問(wèn)題導(dǎo)致該回路未可靠連接時(shí)，若正常運(yùn)行中的三相斷路器A相因機(jī)械故障(或者其他原因跳開(kāi)單相且重合不成功時(shí))跳開(kāi)[7]，重合閘因?yàn)閿嗦菲鞅旧淼臋C(jī)械故障并未重合成功，此時(shí)非全相繼電器K16繼電器動(dòng)作，使中間K61繼電器啟動(dòng)，但由于壓板LP1未可靠連接，出口繼電器K1、K2、K3仍無(wú)法動(dòng)作，將導(dǎo)致非全相保護(hù)無(wú)法正確出口。在這種情況下，由于非全相保護(hù)需要手動(dòng)復(fù)歸，K61繼電器依然啟動(dòng)，導(dǎo)致跳閘回路中K61常開(kāi)輔助觸點(diǎn)一直處于閉合狀態(tài)，而三相斷路器A相處于跳位，其輔助觸點(diǎn)SLA將打開(kāi)，B、C相處于合位，其輔助觸點(diǎn)SLB、SLC仍然閉合，此時(shí)直流負(fù)電位將通過(guò)SLB、SLC的接通使B相監(jiān)視、C相監(jiān)視處出現(xiàn)負(fù)電位，操作箱以此判定B、C相斷路器在合位；而A相監(jiān)視回路中，因?yàn)镵61的輔助觸點(diǎn)仍處于閉合狀態(tài)，B、C相的負(fù)電位會(huì)混入A相的監(jiān)視回路，從而使操作箱的A相也會(huì)顯示在合位，這與A相的實(shí)際位置不符，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤指示。操作箱的斷路器位置顯示不同步，不能真實(shí)反映斷路器的實(shí)際合分情況，此時(shí)運(yùn)行人員無(wú)法通過(guò)操作箱監(jiān)控后臺(tái)發(fā)現(xiàn)此事故，會(huì)對(duì)事故的及時(shí)處理產(chǎn)生較大影響，并可能造成事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

b.該非全相保護(hù)回路中壓板，只有LP1，根據(jù)二次回路的設(shè)計(jì)，該壓板只是非全相保護(hù)的出口控制壓板，并不是非全相保護(hù)功能的投退壓板，若運(yùn)行中不投入非全相保護(hù)，需要將非全相繼電器K16的模式選擇旋鈕打到OFF位置，才能真正將非全相保護(hù)退出，若只打開(kāi)LP1，當(dāng)斷路器出現(xiàn)非全相運(yùn)行時(shí)，操作箱就會(huì)出現(xiàn)上述情況，導(dǎo)致操作箱顯示與實(shí)際位置不符。使用該旋鈕投退非全相保護(hù)缺點(diǎn)是：第一，該旋鈕較小，且屬于繼電器組件，沒(méi)有在匯控柜控制面板的明顯位置，運(yùn)行人員投退時(shí)很容易疏忽該旋鈕而只打開(kāi)LP1壓板；第二、非全相繼電器的運(yùn)行模式選擇方式較多，在選擇非全相功能投退時(shí)，很容易出現(xiàn)檔位選擇錯(cuò)誤，導(dǎo)致非全相拒動(dòng)或誤動(dòng)；第三，通過(guò)直接操作非全相繼電器來(lái)投退保護(hù)功能，其所處位置及操作方法十分不便，不利于運(yùn)行人員運(yùn)行維護(hù)。

3 改善方法及運(yùn)行建議

首先針對(duì)第2個(gè)問(wèn)題進(jìn)行改善，在非全相啟動(dòng)回路中，非全相繼電器K16之前，串接1個(gè)硬壓板作為非全相功能壓板LP2來(lái)控制非全相保護(hù)功能的投退，修改后的非全相啟動(dòng)回路如圖3所示。

修改后不再頻繁操作非全相繼電器進(jìn)行功能投退，增加LP2壓板后，只要非全相繼電器K16處于正確檔位，不需再做調(diào)整；若要投入非全相保護(hù)，只需投入LP1、LP2 2個(gè)壓板；退出保護(hù)時(shí)只需打開(kāi)LP1、LP2 2個(gè)壓板，減小了操作難度。對(duì)于運(yùn)行人員來(lái)說(shuō)操作更加方便，非全相保護(hù)功能的投退情況也更加直觀明了；同時(shí)減少了對(duì)繼電器本身的操作，延長(zhǎng)其使用年限，更利于安全穩(wěn)定運(yùn)行，能夠較好地解決相應(yīng)隱患。

經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，基本能避免因人為因素只打開(kāi)出口壓板而非全相繼電器仍然動(dòng)作的情況，從而使前文所述的第1種隱患出現(xiàn)的概率大大降低。但并沒(méi)有從根本上解決因其他因素造成非全相繼電器依然動(dòng)作、而非全相保護(hù)出口不成功時(shí)帶來(lái)的操作箱不能反映斷路器實(shí)際位置的問(wèn)題，為此需要進(jìn)一步改進(jìn)跳閘出口回路。經(jīng)過(guò)前文對(duì)該問(wèn)題出現(xiàn)原因的分析，可以在中間繼電器K61的3個(gè)輔助觸點(diǎn)之前分別再串接三相斷路器的常開(kāi)輔助觸點(diǎn)，來(lái)消除該隱患，改進(jìn)后的跳閘出口回路如圖4所示。

經(jīng)改進(jìn)后，即使中間繼電器K61動(dòng)作，其輔助觸點(diǎn)閉合，但由于A相斷路器的輔助觸點(diǎn)會(huì)打開(kāi)，使A相監(jiān)視處不再有負(fù)電位，而B、C兩相仍然是負(fù)電位，操作箱的位置顯示就能夠正確反映斷路器的實(shí)際分合情況。經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后可以成功消除上文提到的2個(gè)安全隱患，保證了系統(tǒng)更加安全可靠運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著特高壓電網(wǎng)的大力發(fā)展，系統(tǒng)中運(yùn)行的分相斷路器機(jī)構(gòu)會(huì)越來(lái)越多，非全相保護(hù)會(huì)有更廣泛的應(yīng)用[8]，本文根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)非全相回路進(jìn)行深入分析，通過(guò)對(duì)二次回路的修改，消除了斷路器非全相保護(hù)所存在的安全隱患，并提出了相應(yīng)的運(yùn)行注意事項(xiàng)，提高了運(yùn)行維護(hù)人員的工作效率和可靠性，并為類似問(wèn)題的解決提供一定思路和方法。