斷路器本體三相不一致保護回路性能優化提升措施

郭楊，陳昊，高世宇，顧浩，李義峰

(1.國網江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102；2.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

目前，220 kV及以上電壓等級的斷路器多采用分相操作機構。根據文獻[1]可知，因人為原因或線路單相故障，斷路器重合過程中，斷路器本體氣壓低、油壓低，亦或操作回路異常造成分閘相不能及時合上，線路非全相運行且持續一定時間后，系統將會產生零序和負序電流，對非電阻特性的一次電氣設備造成很大影響，保護裝置可能因此越級跳閘，嚴重影響系統安全運行[2-6]。同時，隨著國內特高壓交直流電網建設的持續推進，特高壓變電站和換流站內斷路器本體三相不一致保護的可靠性直接關系到系統主網的穩定性[7]。根據電網繼電保護運行規定，220 kV及以上電壓等級分相操作的斷路器均配置了本體三相不一致保護。當斷路器出現非全相運行工況后，延時跳開該斷路器，避免系統長時間非全相運行。

故障異常數據統計結果表明，站內運檢人員操作不當、二次回路設計不合理、繼電器元件可靠性降低等原因，造成斷路器本體三相不一致保護誤動和拒動的情況時有發生。針對斷路器三相不一致保護誤動的問題，文獻[8]介紹了采用物理隔離法防止誤動的措施，但并未從根本上解決斷路器三相不一致誤動的問題。文獻[9-11]從優化二次回路的角度提出增加判別回路防止誤動的措施，但僅從繼電器的單一角度進行了分析，未全面考慮三相不一致保護誤動的其他原因，且存在斷路器全相運行時保護誤動的風險。

針對以上措施的不足，本文在分析三相不一致保護動作原理的基礎上，結合現場實際情況，提出了改進措施，可靠實現斷路器本體三相不一致回路防誤動、自保持、動作信號有效提示的功能。該措施已在某1 000 kV在運特高壓變電站試點應用，效果良好，對變電站斷路器三相不一致回路的選型具有指導作用。

1 保護原理與整定規則

斷路器本體三相不一致保護回路位于其本體機構箱內，由啟動回路和出口回路兩部分組成[12-13]。現以典型三相不一致保護回路為例(如圖1所示)分析其動作原理。啟動回路依靠采集斷路器本身的輔助觸點位置來實現。下面以運行中的斷路器出現一相分開，或后臺手合斷路器一相未合上，以斷路器A相分開為例加以說明。

圖1 典型斷路器本體三相不一致保護回路

圖1中斷路器常開輔助觸點DL-A斷開，常閉輔助觸點DL-a閉合，時間繼電器KT所在回路導通，繼電器勵磁，經過延時，KT-1觸點閉合，跳閘繼電器KQ、信號繼電器KX勵磁，KQ三相觸點閉合，跳閘回路導通，斷路器三相分閘。其中，LP1、LP2分別為三相不一致功能壓板和出口壓板，用于兩個回路的投退。另外，三相不一致保護的動作時間需要與對應線路重合閘時間配合，按躲過線路單相重合閘時間整定。根據各電壓等級繼電保護定值要求，一個典型的時間整定見表1。

表1 斷路器本體三相不一致動作時間整定值s

2 典型三相不一致保護回路隱患

三相不一致保護回路中各繼電器、接觸器、元件位于室外開關匯控柜(箱)、端子箱內，容易受雨霧冰雪等惡劣天氣的影響，運維人員不定期開展箱柜維保、排查工作，其運行環境差、可靠性較低。

2.1 二次回路絕緣降低

當遇到雨雪居多的潮濕天氣，加之開關匯控柜長時間戶外運行，密封性能退化，很容易發生凝露、回路電纜老化等現象，造成二次回路絕緣能力下降[14-15]。直流回路兩點接地，導致時間繼電器KT正電端與直流正電源短接，造成時間繼電器勵磁，進而導致出口繼電器動作，斷路器跳閘。或者柜內有凝露，出口繼電器受潮，其常開接點閉合，導通跳閘回路，導致斷路器分閘。

2.2 人為原因導致誤動

為了試驗的便捷性，部分廠家在繼電器外部設置了凸起的試驗按鈕，當繼電器正常勵磁時，機械按鈕會因聯動特性進入繼電器內部；同理，若是手動觸碰機械按鈕，也會進入繼電器內部，其常開接點也會閉合，導通相關回路，存在誤動的風險。文獻[8]顯示，某地500 kV變電站檢修人員對220 kV開關匯控柜內加熱除濕機進行定期維護工作時，因繼電器安裝過于密集，誤碰了端子排上三相不一致出口繼電器的機械試驗按鈕，導致斷路器跳閘；某220 kV變電站運維人員在進行220 kV開關匯控箱定期開箱檢查過程中，遇大風天氣，未將箱門抓牢，導致箱門直接撞在匯控箱上，造成劇烈振動，使三相不一致出口繼電器接點因振動而閉合，導致斷路器跳閘。

2.3 回路壓板設置不當

傳統的斷路器三相不一致回路中，時間繼電器KT和出口繼電器KQ各自回路獨立，且功能回路與出口回路各有一塊壓板。當斷路器進行定期或不定期的檢修試驗，斷路器做直流電阻測試、單相分合閘特性試驗，均會出現三相不一致的狀況。在進行試驗工作期間，按一次設備檢修工作要求，需退出功能回路壓板LP1，防止回路出口動作，但因為功能壓板只與時間繼電器共回路，出口繼電器還有可能因為其他原因而得電，所以不能完全退出三相不一致保護功能。某220 kV變電站運維人員倒閘操作過程中，因需要投入的壓板過多，操作時注意力不集中，發生了壓板虛合的情況，造成斷路器非全相運行時三相不一致保護無法出口的現象。同樣若出口壓板操作不當，也會發生壓板虛合的情況[16-17]。

2.4 回路無提示性功能

由圖1可知，當斷路器確實因為三相不一致而導致跳閘時，回路沒有記錄或者提示性的信息，站內運維人員僅看到斷路器變位情況，無法及時準備判定跳閘原因，給事故判定和匯報造成了不便[18]。現場設備亦不能保留動作狀況。

3 優化措施

措施一:在三相不一致保護跳閘出口繼電器接點與正電源之間串接斷路器常閉輔助觸點。從本質上確保斷路器真實發生了三相不一致工況才出口跳閘，防止全相運行的斷路器誤動作。

措施二:在三相不一致回路中取消出口壓板，僅設置一塊三相不一致保護功能壓板，且三相不一致時間繼電器與出口繼電器線圈回路公用。只保留一塊功能壓板且時間繼電器和出口繼電器共回路，能明顯提高回路可靠性，使功能壓板可完全實現三相不一致功能的投退。

措施三:使三相不一致出口繼電器具備自保持功能。增加自保持回路，在斷路器因三相不一致出口跳閘后，運維人員至現場開關匯控柜(匯控箱)復歸信號，能及時準確判定斷路器動作原因。

4 現場實施情況

根據以上優化措施，結合某1 000 kV在運特高壓變電站年度技改工程，開展斷路器三相不一致回路優化改造工作。該站分為1 000 kV、500 kV、110 kV三個電壓等級，其中1 000 kV、500 kV為3/2串型接線方式，串內為線路或主變間隔；110 kV為單母線接線方式，主要連接無功補償設備間隔。各電壓等級斷路器型號信息見表2。優化前后的回路如圖2—4所示，優化措施現場實施情況見表3。

表2 斷路器配置表

表3 斷路器三相不一致保護回路優化措施現場實施情況

圖2 1 000 kV斷路器三相不一致保護回路

圖3 500 kV斷路器三相不一致保護回路

圖4 110 kV斷路器三相不一致保護回路

5 回路優化后的功能驗證

現場采用以下方法驗證優化改造之后的斷路器三相不一致保護回路是否正確可靠。

1)斷路器三相分閘情況下，就地合上A、B、C任意一相，斷路器三相合位情況下，手動分開A、B、C任意一相，檢查三相不一致保護動作時間、出口及信號繼電器動作的正確、完整。同時，檢查保護室內該斷路器間隔保護屏、測控屏、操作箱信號情況，以及監控系統光字牌動作情況。檢查開關匯控柜內告警燈是否點亮，若點亮且需要手動復歸才能熄滅，說明回路改動正確。

2)人為短接三相不一致保護啟動和出口回路，如圖2(b)中短接正電源小母線+KM和時間繼電器KT-7接點，短接正電源小母線+KM和出口繼電器K4-1接點，此時KT、K4均會動作，若三相斷路器不跳閘，說明回路改動正確，否則應重新檢查回路接線。

對現場3個電壓等級，共計21組斷路器進行回路優化后的功能驗證，結果完全達到了預期效果，從根本上減少了典型三相不一致保護回路的隱患。自回路優化后，設備運行至今的4年內，設備一直安全穩定運行，在運行維護操作任務繁重、氣象條件惡劣的多雨水年份，也未發生過一起因三相不一致保護回路誤動而造成斷路器跳閘的事故。

6 結語

通過對斷路器三相不一致保護回路在實際運行中誤動及相關性能不足情況的分析，本文提出了回路優化的改進措施，同時結合在運特高壓變電站開展改造工作，驗證了回路優化之后的可靠性，極大地降低了斷路器誤跳閘的風險，有效提高了供電的可靠性。改進措施對在運變電站的三相不一致回路改造工作和新建變電站的斷路器三相不一致回路接線具有指導意義。