220 kV 斷路器N2泄漏信號的分析與運行處理

余 浩，黃葉友，江 姍

(浙江華電烏溪江水力發電廠，浙江 衢州 324000)

0 引言

在電力系統中，高壓斷路器對電網的安全穩定運行起著非常重要的作用。液壓機構是高壓斷路器常用的一種操作機構，液壓機構正常儲能是實現高壓斷路器動作的前提條件。N2作為惰性雙原子氣體，因其熱膨脹系數低且熱傳導性低，被廣泛應用于高壓斷路器液壓機構的儲能。在高壓斷路器實際運行過程中，一旦發生N2泄漏，將會影響斷路器動作和斷路器狀態保持，對電力系統的安全穩定運行帶來不利的影響。

1 液壓儲能筒的工作原理

在高壓斷路器正常投運時，液壓儲能筒活塞一側預充N2，另一側連高壓油路。當液壓儲能筒儲能時，油泵將油打入液壓儲能筒的高壓油一側，預充N2被壓縮，直至達到設定壓力值時停止，使液壓儲能筒活塞兩側的壓力保持動態平衡。當預充N2側壓力因操作、內漏、環境溫度下降等因素下降至壓力監控器的動作壓力設定值時，油泵啟動，將油重新從油箱打入液壓儲能筒，并通過壓力開關B1及一只連著的時間繼電器控制油泵停止。另外，為防止液壓儲能筒出現過高的壓力，在液壓儲能筒的高壓油側安裝了1只安全閥，在壓力達到極限壓力值時動作，將油經一旁路從液壓儲能筒導向無壓側(油箱)。

合閘時，當高壓斷路器接到合閘指令后，合閘電磁線圈帶電，液壓儲能筒中的高壓油經控制閥驅動液壓執行機構，實現斷路器合閘。同理，分閘時，分閘電磁線圈帶電，液壓儲能筒中的高壓油經控制閥驅動液壓執行機構，實現斷路器分閘。

2 N2泄漏過程分析

N2泄漏及較低的環境溫度會降低液壓儲能筒的工作能力。一方面，當斷路器分、合閘時，由于由時間繼電器或流量開關控制的供油量受N2泄漏及環境溫度的影響不同，因此液壓儲能筒動作后會得到不一樣高的壓力值。另一方面，由于液壓儲能筒油管路系統一直存在或多或少的內漏現象，因此斷路器在無狀態改變情況時，油壓也會隨著時間逐漸下降。隨著N2的泄漏，液壓儲能筒活塞工作行程將發生變化。假設一段時期液壓儲能筒油管路系統內漏一定，則不同N2泄漏量下的儲能筒工作行程如圖1所示。其中A，B，C 3種狀態分別對應于正常無N2泄漏、輕微N2泄漏、全部N2泄漏3個工作行程狀態。

在N2泄漏過程中，結合理想氣體狀態方程分析可知：

(1) 活塞的工作行程極限一直向止擋管的方向靠近，即圖1中L1>L2>L3=0；

圖1 不同N2泄漏量下的儲能筒工作行程

(2) 活塞的總工作行程不斷減小(L1>L2>L3)，壓力在越來越短的時間內降至啟泵壓力，致使每時間單元中泵打壓次數增加；

(3) 假設油泵打油過程中容積效率一定，則對應每次打油的時間逐漸縮短，并且打油的壓力升高曲線越來越陡峭；

(4) 全部N2泄漏后的狀態是油泵啟動時液壓儲能筒的活塞撞在止擋管上，由于油的不可壓縮性，當活塞無法向N2方向運動時，高壓油在短時間內由停泵壓力升到N2泄漏報警壓力。此時斷路器控制回路閉鎖液壓機構，斷路器不能立即合閘。考慮到在N2泄漏時液壓儲能筒在內漏的情況下，其工作能力一般能保持3 h，因此可在此后再閉鎖斷路器分閘。

3 斷路器控制回路分析

西門子3AQ1-EE型高壓開關的部分控制回路如圖2所示。為便于分析，圖2僅保留了控制回路中N2泄漏閉鎖及油泵控制相關部分。該型號斷路器整定的油泵啟動壓力為32 MPa，停泵壓力為33 MPa，N2泄漏報警壓力35.5 MPa，安全閥動作壓力為37.5 MPa。

3.1 油泵控制回路分析

圖2 西門子3AQ1-EE斷路器簡化控制回路

當油壓下降到油泵啟動值32 MPa時，B1/16-17接點閉合，K 15時間繼電器A 2-A 3端得電觸發（A 1-A 2可視為繼電器工作電源），K 15/15-18接點速動閉合，K 9得電，油泵啟動。當壓力回升到33 MPa時，B1/16-17接點打開，此時油泵并沒有馬上停止工作，而是從K 15的A 1-A 3端失電觸發延時開始(出廠設置一般為3 s)，3 s后K 15/15-18接點打開，K 9失電，油泵停止工作。至此，一個補壓過程結束。

3.2 N2泄漏報警觸發及自保持回路分析

在油泵打油(即K 9/13-14，53-54接點閉合)過程中，如果油壓達到了35.5 MPa(即B1/20-21接點閉合)，N2泄漏報警回路被觸發，K 81動作，可實現如下功能。

(1) 切斷K 15油泵打壓時間繼電器的電源，K 15失磁，K 9失磁，油泵停止。

(2) K 81/10-12接點打開，10-11接點閉合，切斷合閘總閉鎖接觸器K 12(三相為K 12LA，K 12LB，K 12LC)電源，立即閉鎖合閘，同時發出“N2泄漏”信號。第Ⅰ組N2分閘閉鎖時間繼電器K 14勵磁(延時3 h，出廠設定)延時出口后，使第Ⅰ組分閘總閉鎖接觸器K 10失電，閉鎖第Ⅰ組分閘，并發出“N2總閉鎖”信號。K 81/7-9接點打開，7-8接點閉合，K 182得電(23-24接點閉合，實現自保持)，第Ⅰ組N2分閘閉鎖時間繼電器K 14勵磁(延時3 h，出廠設定)延時出口后，使第Ⅱ組分閘總閉鎖接觸器K 55失電，閉鎖第Ⅱ組分閘，并發出“N2總閉鎖”信號。

(3) K 81有2路自保持回路：一路電源經由K 182/33-34接點、S4/31-32常閉接點，實現K 81線圈得電自保持；另一路電源經K 81/10-11接點、S4/11-12常閉接點，實現K 81線圈得電自保持。

(4) 通過S4復歸N2泄漏報警回路，S4/31-32接點斷開、S4/11-12接點斷開，K 81線圈2路自保持回路均斷開。K 182/33-34接點打開，K 81復歸，K 14，K 82失電計時復歸，K 10，K 55第Ⅰ，Ⅱ組分閘總閉鎖接觸器得電，分閘閉鎖解除；合閘總閉鎖接觸器K 12L三相線圈得電，合閘閉鎖解除。

4 N2泄漏的判斷

經生產廠家試驗證明，當N2泄漏至一定值后，液壓儲能筒活塞無法向止擋管方向運動時，在打油過程中，在達到停泵壓力33 MPa并延時3 s出口停泵的時間段內，由于油的不可壓縮特性，油壓將上升超過35.5 MPa。

結合上述分析，得出如下3點推論。

(1) 油泵啟停除了受天氣、環境等因素影響外，在油泵打油容積效率一定的情況下，油泵啟動時間和啟動間隔逐漸縮短，則可判斷發生了N2輕微泄漏或者液壓儲能筒油系統管路內漏加劇的情況。

(2) 如果監控發“N2泄漏”信號，且油泵啟動時間小于等于正常啟泵時間，油壓升高，則判斷真正發生了N2泄漏。此時去現場復歸S4，油泵不會啟動，“N2泄漏”信號可以復歸。

(3) 如果監控發“N2泄漏”信號，且油泵啟動時間遠大于正常啟泵時間，油壓升高，則判斷實際未發生N2泄漏，而是因油泵控制回路未復歸造成油壓超過35.5 MPa。此時現場復歸S4，油泵啟動，但又因K 81動作而強迫停止，“N2泄漏”信號復歸后又動作。

5 N2泄漏運行處理建議

(1) 監控發“N2泄漏”信號后，考慮到開關合閘回路已經閉鎖，線路重合閘裝置在線路故障時也無法重合開關，因此應及時匯報調度，按調度指令處理。

(2) “N2泄漏”信號出現后，應立即到現場查看液壓儲能筒的實際壓力及工作情況，尤其要查看繼電器K 15，K 9的動作情況，排除繼電器損壞導致長時間打壓到35.5 MPa，必要時拉開油泵電源開關F1。

(3) 分析油泵啟停時間及間隔時間，判斷N2泄漏情況。此時未經檢查處理不得隨意復歸“N2泄漏”信號(防止N2實際泄漏，在斷路器分合狀態改變時，油壓下降過快導致液壓儲能筒工作能力不足)。

(4) 若判斷因油泵控制回路故障導致發“N2泄漏”信號，則應及時通知檢修處理，避免出現分閘閉鎖動作，導致事故范圍擴大。此時不得隨意復歸“N2泄漏”信號，以防止油泵多次啟動，油壓上升過高(每次油泵啟動后均延時3 s左右復歸)。若因故暫時無法處理故障，則在發“N2泄漏”信號后3 h內應復歸1次“N2泄漏”信號，以避免分閘閉鎖動作。

(5) 若判斷為N2泄漏，應及時匯報調度及有關領導，按調度指令將開關改熱備用，然后通知有關人員進行處理，并填寫缺陷單。

(6) 經處理后，使用S4復位鑰匙對繼電器K 81，K 14，K 82進行復歸。

1 趙 瑩，嚴 萍，王 玨，等．氮氣介質高氣壓開關特性[J]．強激光與粒子束，2012，24(5)：1117-1180.

2 孫亞輝．西門子液壓機構打壓處理及排氣裝置設計[J]．高壓電器，2012，48(3)：113-116.