斷路器操作機構TBJ誤動作風險分析

張麗，許守東，姜訸，胡永承

（1. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.南京智匯電力技術有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

斷路器控制回路是通過電氣回路來實現的，它是一個由繼電器及相關二次回路構成、能滿足斷路器控制回路要求的最為簡單的回路，斷路器能否正確控制電網設備、送出或斷開負荷電流、切除故障，其控制回路尤為重要。由于斷路器的種類和型號是多種多樣，故控制回路的接線方式也很多，但其基本原理與要求是相似的。斷路器控制回路繼電器包括斷路器操作箱內電子式繼電器、斷路器本體機構箱電磁式繼電器以及連接保護室至開關廠的控制電纜組成，當控制回路、繼電器動作行為異常或者電纜絕緣異常，都會造成斷路器控制回路故障，導致斷路器誤跳或拒跳事故發生[1-5]。

下面結合一起220 kV變電站110 kV斷路器操作箱TBJ誤動作導致斷路器不正確動作事件，對斷路器操作箱TBJ誤動作風險進行分析并提出改進意見。

1 事件分析

某220 kV變電站繼電保護裝置壓板投入運行前，運行人員開展例行出口壓板電壓測量，誤將萬用表測量電壓的線錯誤接在了電流檔上，造成110 kV斷路器跳閘回路直流（-110 V）經萬用表電流檔小內阻接地，導致斷路器操作箱跳閘保持繼電器TBJ線圈勵磁，運行中的斷路器跳閘。斷路器跳閘回路示意圖如圖1所示。

圖1 斷路器跳閘回路

1.1 元件檢查測試

檢查斷路器TBJ繼電器動作電流，是否滿足《南方電網繼電保護通用技術規范》以及《南方電網電力系統繼電保護反事故措施匯編》：“單口繼電器的自保持電流不應大于額定跳（合）電流的50%，線圈壓降小于額定值的5%”[6-11]。斷路器TBJ繼電器為自適應電流型繼電器，相關參數測試結果如表1所示，斷路器TBJ動作特性及返回特性滿足要求。

表1 繼電器特性測試

1.2 直流系統電流的暫、穩態分析

開展對地電容與直流系統疊加電流的暫、穩態分析；開展接地時對地電容電流與直流電流的KCL分析。

1.2.1 電流測試

跳閘回路如圖1所示，其中TBJ均為電流型繼電器。經萬用表測試，斷路器TBJ并聯所謂的“自適應元件”，電阻值約為4.7 Ω，跳閘線圈電阻值約為96 Ω，跳閘回路簡化電路如圖2所示。其中，A和B為試驗電流監測點，測點A布置于支路1（出口壓板處），用于開展KCL分析；測點B布置于支路2（TBJ與跳閘線圈TQ）之間，用于開展跳閘邏輯分析。

圖2 跳閘回路簡化電路圖

根據TBJ和TQ功能，TBJ啟動瞬間將導通支路3，引入+km；TQ跳閘完成瞬間將斷開支路2，隔斷電流。基于電路KCL理論分析：

系統正常運行時，TBJ未啟動，斷路器處于合閘位置，支路1的電流等于支路3的電流（支路1無接地時均為0，有接地時均為對地電容放電電流值）；

系統故障時的暫態瞬間，TBJ啟動，斷路器處于未完全分開位置，支路2的電流為支路1與支路3的電流之和。

1.2.2 斷路器跳閘情景模擬

情景模擬前均將斷路器置于合位。帶+km經萬用表接地，布置監測點于測點A和B，斷路器TBJ線圈電流波形如圖3所示。

圖3 測點支路電流情況（左：測點A；右：測點B）

測點A：帶+km經萬用表接地時暫態最大電流為7.39 A，有效值為3.243 A，暫態時長約為4 ms；穩態電流為1.52 A，穩態電流經支路3和支路1流入接地點，不流入TBJ回路。

測點B：帶+km經萬用表接地時暫態最大電流為2.01 A，有效值為1.234 A，暫態時長約為50 ms，超過動作電流0.155 A，故TBJ動作，斷路器跳閘；穩態電流為0 A。

1.3 原因分析

通過對相關單體元件的測試和情景還原，結合電路原理的理論分析，當TBJ接地時，直流負母線對地電容會對斷路器操作回路進行放電，放電過程如圖4所示。當放電衰減時間及放電電流的某個物理意義值（幅值、均值或有效值）都超過TBJ的動作值時，可能就會引起TBJ動作繼而造成斷路器跳閘。

圖4 TBJ線圈接地時的放電示意圖

綜合以上原理分析，TBJ線圈接地時造成斷路器誤跳閘的主要原因可能如下：

1）變電站直流系統回路電纜長、對地分布電容較大；

2）斷路器TBJ回路抗干擾能力不足（TBJ整定值不合理或對流過TBJ的電流控制不足）。

由于目前還沒有有效辦法消除或降低直流系統對地分布電容，且110 kV及以下斷路器操作箱TBJ為電流型自適應繼電器，因此若想從技術措施方面解決這一問題，可提高對流過TBJ的電流控制來解決這一問題。

2 防范技術分析

結合事件的原因分析及其他類似事件的技術處理經驗，TBJ誤動作的技術防范措施可借鑒繼電器加裝并聯電阻的方式，廠家提供針對110 kV斷路器TBJ為自適應繼電器，建議TBJ采用1.5Ω電阻的并聯方案。

2.1 理論計算

經測試，斷路器跳閘線圈電阻值約為96.3 Ω，電感值約為1.038 H。110 kV對地電容值參考為30 uF。基于電容和電感的電氣特性[3]，可知暫態時段KVL方程如下：

對應帶入相關上述數值，根據特征根求解二階微分方程，可得未并電阻時，TBJ回路的特征值為137.03和-234.34，故TBJ回路電流通用模型分別為：

由于e234.34t的斜率曲線為234.34e234.34t，其毫秒級的增量也遠大于實際，故特征值-234.34僅為數學意義上的解，故可令B=0。

由于C為暫態時的定量，可與直流電源電流特性相匹配，故C暫按保護正確出口時的電流進行歐姆定律計算，約為2.178 A。

因此Ae-137.03t為暫態時的變量，故可與對地電容電流相匹配。取1 ms時的值與測試數據的峰值進行比例折算修正，得A=0.38。

綜上假設可建立未并電阻時流過TBJ回路的電流模型可近似等效為：

根據廠家提供的TBJ采用1.5 Ω，同上述分析方法，得并電阻時流過TBJ回路的電流模型可近似等效為：

假設發生接地時斷路器跳閘，則1 ms時TBJ回路電流峰值為2.509A，則50 ms內的有效值為：

進一步依據分流原理計算，流過TBJ繼電器的電流有效值為0.121 A，小于TBJ動作值不能跳閘，這與假設前提矛盾，故原假設錯誤，實際為未跳閘。該方案可行。

2.2 實驗驗證

1）帶+ km經萬用表接地，布置監測點于測點A和B，TBJ線圈電流波形如圖5所示。

圖5 測點支路電流情況（左：測點A；右：測點B）

測點A：帶+ km經萬用表接地時暫態最大電流為0.313 A，有效值為0.145 A，暫態時長約為41.8 ms；穩態電流為0 A。

測點B：帶+ km經萬用表接地時暫態最大電流為0.373 A，有效值為0.187 A，暫態時長約為34.9 ms，未超過動作電流0.155 A，故TBJ不動作，101未跳閘；穩態電流為0 A。

2）正常情況下保護動作，布置監測點于測點B，TBJ線圈電流波形如圖6所示。

圖6 測點支路電流情況（測點B）

測點B：正常情況保護動作時暫態最大電流為1.893 A，有效值為1.289 A，暫態時長約為44.8 ms，超過動作電流0.155 A，故TBJ動作，101跳閘；穩態電流為0 A。

3 TBJ誤動作風險評估

1）現有規程的要求：根據標準T / CEC 124-2016《斷路器操作箱通用技術條件》，適用于220 kV及以上電壓等級斷路器操作箱，保持繼電器額定電流可采用動作電流自適應方式或在一定范圍內按極差整定方式，實際動作電流不應大于斷路器跳合閘線圈額定電流的50%，按級差整定時，保持繼電器的實際動作電流宜不小于斷路器跳合閘線圈額定電流的20%。

2）主流廠家設備情況：少量TBJ采用電流自適應方式，其余廠家均采用跳線方式，在投產調試時根據現場跳閘回路的額定電流值進行整定。其他采用跳線整定方式，且TBJ動作值為整定電流的25%～50%，只要TBJ的動作電流嚴格按照斷路器跳閘回路額定電流進行整定，可避免直流一點接地導致TBJ誤動。

自適應方式：其TBJ啟動電流不小于0.5 A，考慮到云南電網220 kV及以上電壓等級斷路器跳閘回路額定電流為1 A至2 A之間，也滿足大于20%的要求，可避免直流一點接地導致TBJ誤動。

跳線整定方式：默認啟動電流為0.15~0.25 A；許繼公司采用自適應方式，可提供焊接整定，默認啟動電流為0.25 A。兩個廠家TBJ啟動電流均可現場整定，驗收及定檢過程中，嚴格按照標準《斷路器操作箱通用技術條件》及《10 kV～500 kV輸變電及配電工程質量驗收與評定標準（2012版）》中“操作箱跳、合閘保持繼電器檢查”條款，并依據斷路器跳閘回路額定電流進行整定。可避免直流一點接地導致TBJ誤動風險。

3）投產調試情況：根據規程規定，要求動作電流小于斷路器額定跳閘電流的50%，投產調試時會根據斷路器跳閘額定電流進行跳線整定。

4 改進措施

結合對不同電壓等級的斷路器出口控制回路分析，對斷路器操作箱跳閘保持繼電器TBJ的誤動作風險評估總結：

1）220 kV及以上電壓等級，在驗收或定檢過程中，若嚴格按照《斷路器操作箱通用技術條件》、《10 kV～500 kV輸變電及配電工程質量驗收與評定標準（2012版）》相關條款，開展斷路器跳閘回路額定電流的整定，再發生TBJ線圈正極直流接地時，可避免直流一點接地導致TBJ誤動。

2）110 kV及以下電壓等級斷路器操作箱TBJ采用自適應方式，現場無法整定。如果啟動電流值過低，當直流系統電容電流較大時，存在TBJ誤動作隱患。但考慮保護裝置動作接點至操作箱TBJ線圈正極這段回路是屏內配線，發生線纜破損接地概率較小。

3）正常運行時，該風險只存在保護裝置動作接點至操作箱TBJ線圈正極這段回路中，目前，運行中沒有發生過在因TBJ線圈正極回路線纜破損接地引起的誤動作。公司系統內發生的幾起案例均屬于人員操作不當導致。

4）斷路器操作箱TBJ線圈正極一點直流接地時，對地電容電流是一個相對變化的量。首先，TBJ線圈正極接地時，平衡橋電阻的大小決定了變電站一點接地瞬間的電容電流的大小；其次，隨著變電站內的不斷改擴建，該站的規模發生變化后，全站的電容電流也隨之變化，通過對TBJ一次參數調整或采用并電阻后，不能保證電容電流變化后TBJ不再誤動，因此，要結合定檢停電檢修時，及時測試該站的電容電流，并動態合理調整TBJ啟動電流值；此外，重點還在于防止人為原因造成TBJ線圈正極一點接地。

5）從電網風險的角度進行評估，防TBJ線圈正極一點接地誤動，可以通過對TBJ線圈正極一點接地的電容電流的測試、TBJ的啟動電流測試以及對跳閘電流的綜合考慮，采取并電阻的方式，避免了電網的誤動風險，但并電阻后通過抬高TBJ啟動電流值降低了該繼電器的靈敏性，并電阻后TBJ及操作回路的可靠性問題，可能引起電網拒動的風險。

5 結束語

1）220 kV及以上電壓等級，不同變電站的分布電容不同，其電容電流值也不一樣，建議：結合驗收或定檢過程，嚴格按照標準要求，并依據斷路器跳閘回路額定電流進行整定。

2）110 kV及以下電壓等級斷路器操作箱TBJ電流整定值采用自適應方式，基于防電網誤動風險需求，建議：結合驗收或定檢停電時，測量TBJ線圈正極一點接地的電容電流及TBJ動作電流，必要是采取并聯電阻方式間接整定TBJ動作電流。