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

（南方電網調峰調頻發電有限公司廣州蓄能水電廠，廣東 廣州510950）

1 引言

500kV斷路器為主網的重要電氣設備，正常運行時需要承擔大負荷電流，當電網發生故障時，需要與保護或安自裝置配合，跳開500kV斷路器快速切除故障，因此其分閘回路的可靠性對于電網的安全穩定運行至關重要，我們一般通過定期對分閘回路進行保護傳動試驗或者手動分閘試驗以驗證回路的完好性[1]，而對于斷路器分閘回路中元件的檢查有所忽視，導致無法及時發現或預測元件故障，存在拒動及損傷斷路器分閘回路的風險，影響系統安全運行。

2 500kV斷路器阻容加速分閘回路動態過程分析

某水電廠500kV開關站為五角型接線方式，通過3回500kV出線送出至廣東電網，承擔廣東電網的調峰調頻及應急響應的任務。500kV斷路器為西門子8DQ1-550系列，其現地控制箱配置有2組分相分閘回路，接受保護操作箱的分閘命令，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（串聯其自保持接點），R2為線圈兩端并聯的限流電阻，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，并串聯有斷路器位置輔助接點。

其分閘動態過程如下：分閘保持繼電器勵磁R1并自保持—分閘線圈R3勵磁并跳開斷路器（電容C充電）—開關位置接點斷開（電容C放電）—結束，可以分為2個RC一階電路：①在接受到分閘令后，直流電源對電容C進行充電；②在開關位置接點斷開分閘回路后，電容C中存儲的能量通過電阻放電。故全部可以利用一階RC電路的時域分析方法[3]，計算得到分閘全過程的分閘回路的電氣量。

圖1 500kV開關分閘回路原理圖

第1個動態過程分析：

（1）一階電路的時間常數如下：

（2）電容電壓：

根據三要素法計算得到電容電壓為：

（3）電容電流：

Ic（t）初始時刻電流最大，然后隨指數函數衰減。

（4）分閘電阻電壓：

UR4（t）=分閘電阻的電壓變化規律與電容相同。

（5）分閘電阻電流：

IR4（t）=分閘電阻電流變化規律與電容電壓變化規律相似。

（6）分閘線圈電壓：

（7）分閘線圈電流：

通過上述計算分析可知，設置阻容回路在第1個動態過程中的作用如下：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，此時電容的兩端相當于短路的狀態，電阻不起作用，由于分閘線圈R3的電阻很小（15Ω），分閘線圈在短時間內流過大電流，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建立瞬間大電流的作用，縮短斷路器分閘時間，故稱之為阻容分閘加速回路。

第2個動態過程分析：

（1）一階電路的時間常數如下：

（2）電容電壓：

根據三要素法計算得到電容電壓為：

（3）電容電流：

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

通過上述分析可知，設置阻容回路在第2個動態過程的作用如下：因開關跳開時需要通過斷路器位置接點斷開跳閘回路，電容C中儲存的能量通過R釋放，電流減小，有利于上述觸點滅弧[4]，同時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經常被忽視的問題，但該回路承擔著重要的作用，一旦出現故障，將導致斷路器分閘速度變慢或者拒動，當電阻故障，將導致電容在充電期間的能量無法釋放，如果故障恰好發生在分閘的瞬間，當電阻燒斷后，由于電容處于充電狀態，與該電阻相連的斷路器分閘線圈必然受到損傷，因此必須對出現故障的電阻進行及時的處理。本文主要從兩個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承擔兩端電壓快速上升然后又很快衰減的過程，這種運行工況對電阻是不利的。如果電阻存在匝間絕緣異常或薄弱的環節，就會在每次分閘后逐步產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生損壞后，隨著斷路器操作次數的增多，匝間絕緣受損的繞線匝數將會逐漸增多，最終會在某一次分閘的時候，燒斷電阻繞線，在后臺顯示斷路器分閘回路斷線，導致斷路器失去一組跳閘回路，嚴重影響系統安全。

（2）線圈動作試驗時電阻故障

按照南方電網電力設備檢修試驗規程的要求，500kV斷路器分閘線圈要定期進行分閘動作電壓試驗，尤其是在30%額定動作電壓下線圈不動作試驗[5]，存在試驗電壓施加過長的可能。試驗回路圖見圖3。

回路參數如下：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 斷路器跳閘線圈動作電壓測試圖

因該試驗為線圈不動作電壓測試，如果單純依靠人工手動控制，時間存在很大的不確定性，如長期施加試驗電壓，電阻在阻容電路進入穩態后承擔的功率為：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，電阻無法長時間工作于超負荷狀態的，將會燒損（圖4為故障電阻現場圖片）。

圖4 故障電阻現場圖片

4 結語

針對斷路器正常分閘過程及分閘線圈預防性試驗過程中可能造成的電阻燒損，可采取如下的維護策略及試驗建議：

（1）在日常檢修中增加電阻的檢查內容，定期測量電阻值是否已嚴重偏離出廠值，收集歷次定期檢查數據并進行對比，判斷電阻性能是否存在惡化趨勢；檢查電阻繞線匝間是否存在明顯的短路或者斷線；統計斷路器的分閘次數，當積累至一定次數時，對電阻進行更換。

（2）在進行斷路器分閘線圈動作電壓測試時嚴格控制試驗電源施加的時間，根據保護帶斷路器整組試驗數據，在保護跳閘接點閉合后斷路器位置觸點約在70ms左右斷開跳閘回路，因此建議采用的試驗儀需具備精確控制輸出電壓脈寬的功能，整定試驗電壓的脈寬在70ms附近。