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有高壓并聯電抗器[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強迫風冷，線路帶電壓立即將冷卻器投入運行；1 000 kV 高抗為大型充油設備，為了在其存在火災隱患或發生火災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，該系統必須在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 變電站成熟的設計經驗[2-3]，1 000 kV 線路CVT（電容式電壓互感器）的二次側均裝設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變電站的電磁環境明顯比500 kV 變電站更為惡劣[4]，導致目前1 000 kV 線路CVT 端子箱內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 線路間隔設備的可靠性，不利于特高壓電網的安全穩定運行。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，分析現場配置方案及其存在的問題，并據此給出改進的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 二次繞組并聯電壓型繼電器實現，其原理如圖1 所示。1YJ-9YJ 為線路CVT 二次繞組并聯的電壓型繼電器，其中1YJ-3YJ 并聯于線路CVT 端子箱內的保護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 并聯于線路CVT 端子箱內的保護2 電壓二次繞組，用于閉鎖高抗接地刀閘控制回路；保護1 電壓二次導線同時引至1 000 kV HGIS（復合式氣體絕緣開關設備）匯控柜，7YJ-9YJ 并聯于1 000 kV HGIS匯控柜內的保護1 電壓二次繞組，用于閉鎖HGIS 線路接地刀閘控制回路。1YJ-9YJ 均安裝于現場CVT 端子箱或匯控柜內。

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致其鐵芯、繞組振動及噪音的主要因素，在特高壓變電站復雜的電磁環境下，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備帶來了較嚴重的安全隱患。

1.2 對運行設備的影響

（1）1 000 kV 高抗的絕緣油冷卻方式為自然油循環強迫風冷，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?？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，該情況在1 000 kV 特高壓南陽站已發生過多次。其關鍵在于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 個觸點再發生閉合，后果十分嚴重。

（2）1 000 kV 高抗為大型充油設備，為了在其存在火災隱患或發生火災時，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，該系統必須在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，3 個電壓檢測接點串聯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各自相高抗感溫電纜動作，信號串聯后啟動該相自動噴水系統電磁閥DFA，DFB 及DFC，電磁閥動作后該相高抗消防管網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，南陽站現場10 余年的運維檢修經驗表明，受現場復雜的電磁環境影響，火災報警系統24 V 控制回路可靠性偏低，當前大型充油設備（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誤動，后果非常嚴重，可能造成高抗1 000 kV 引線對地閃絡，不僅損害特高壓一次設備，還嚴重威脅特高壓電網安全[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，南陽站現場10 余年的運維檢修經驗表明（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。 南陽站現場為防止1 000 kV 線路正常運行期間，1YJ-3YJ 繼電器誤返回導致1 000 kV 高抗自動噴水系統誤動作而造成嚴重后果，將現場高抗消防主管網閥門關閉，即使DFA，DFB 和DFC 電磁閥誤動作，高抗消防主管網也不會充水。但這樣帶來的風險是，若1 000 kV 高抗確實發生火災，高抗感溫電纜動作的同時，1 000 kV 線路失壓，高抗自動噴水系統也不能及時啟動，需要運維人員手動打開消防主管網閥門，勢必會造成噴水系統投入延遲，而造成更嚴重的后果。

尤其自2018 年國家電網有限公司為提高現場超（特）高壓充油設備自動噴水滅火系統的快速及有效性，要求現場所有設備的自動噴水滅火系統必須置“自動”方式，類似南陽站正常運行時關閉大型充油設備消防主管網閥門，發生火災時手動打開消防主管網閥門的做法已不能滿足該項要求。大型充油設備自動噴水滅火系統的可靠性亟需提高，因此提高1 000 kV 線路無電壓啟動高抗自動噴水滅火系統的功能可靠性是解決該問題的關鍵所在，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，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，現場發現某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）、穩控裝置（2～4套）、錄波器等，總計8～12 套，所帶負載已經較多，再考慮到1 000 kV CVT 端子箱內的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量較多（達9 個）且1 000 kV線路CVT 端子箱內空間一般偏小，只能將7YJ-9YJ 繼電器布置于該線路邊斷路器匯控柜內，需要將二次保護1 電壓線引至邊斷路器匯控柜內，該匯控柜內存在非典型二次回路，帶來新的危險點，易發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，是導致簧片、觸點損壞的主要原因。固態繼電器利用晶閘管的導通、截止原理實現繼電器的動作和返回，不存在工頻勵磁電壓下的振動現象，而且固態繼電器的動作性能、各項參數均優于電磁式繼電器。因此，建議將當前方案中采用的電磁式繼電器全部更換為固態繼電器，將顯著提高繼電器的可靠性。

該方案的優點是便于現場改造，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，固態繼電器需要獨立電源供電，需要CVT 端子箱內為其配置較為可靠的交流或直流電源及其二次線纜，方案稍顯復雜。

2.2 繼電器安裝于保護室屏柜內

1 000 kV 特高壓變電站場區復雜的電磁環境是造成1 000 kV 線路CVT 端子箱內電壓繼電器損壞的重要因素。1 000 kV 繼電保護小室內的電壓轉接屏為全站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電磁環境遠優于室外1 000 kV 場區，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 繼電保護小室內的電壓轉接屏，這樣也將顯著提高電壓中間繼電器的可靠性。

該方案的優點是合理利用了目前變電站空間較為寬裕的電壓轉接屏，有效避開了復雜的室外電磁環境；缺點是改變了繼電器安裝位置，相關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”門檻定值可設定為額定電壓Un的30%，Un=57.7 V。理論上，驅動的出口繼電器數量可以無限擴展，考慮到變電站現場實際需求，該出口繼電器設置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和閉鎖與線路連接的各接地刀閘操作。

該方案的優點是簡化了現場元器件和二次線，充分利用了測控裝置的原有功能，實現方案簡單可靠[13-14]。缺點是方案原理變動較大，現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二次采用固態電壓繼電器同時將其安裝于室內電壓轉接屏實現線路電壓檢測的方案。

3 結論

（1）當前特高壓變電站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和閉鎖1 000 kV 接地刀閘操作功能上存在顯著問題。

（2）現場采用電磁型中間電壓繼電器，特高壓變電站現場電磁環境較為復雜、特高壓線路間隔電壓檢測系統較復雜是造成當前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繼電器，同時將其安裝位置改至繼電保護室內的電壓轉接屏，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的方案。