断路器本体三相不一致保护回路性能优化提升措施
时间：2023-06-27 09:30:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郭杨，陈昊，高世宇，顾浩，李义峰
(1.国网江苏省电力有限公司超高压分公司，江苏 南京 211102；
2.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210019)
目前，220 kV及以上电压等级的断路器多采用分相操作机构。根据文献[1]可知，因人为原因或线路单相故障，断路器重合过程中，断路器本体气压低、油压低，亦或操作回路异常造成分闸相不能及时合上，线路非全相运行且持续一定时间后，系统将会产生零序和负序电流，对非电阻特性的一次电气设备造成很大影响，保护装置可能因此越级跳闸，严重影响系统安全运行[2-6]。同时，随着国内特高压交直流电网建设的持续推进，特高压变电站和换流站内断路器本体三相不一致保护的可靠性直接关系到系统主网的稳定性[7]。根据电网继电保护运行规定，220 kV及以上电压等级分相操作的断路器均配置了本体三相不一致保护。当断路器出现非全相运行工况后，延时跳开该断路器，避免系统长时间非全相运行。
故障异常数据统计结果表明，站内运检人员操作不当、二次回路设计不合理、继电器元件可靠性降低等原因，造成断路器本体三相不一致保护误动和拒动的情况时有发生。针对断路器三相不一致保护误动的问题，文献[8]介绍了采用物理隔离法防止误动的措施，但并未从根本上解决断路器三相不一致误动的问题。文献[9-11]从优化二次回路的角度提出增加判别回路防止误动的措施，但仅从继电器的单一角度进行了分析，未全面考虑三相不一致保护误动的其他原因，且存在断路器全相运行时保护误动的风险。
针对以上措施的不足，本文在分析三相不一致保护动作原理的基础上，结合现场实际情况，提出了改进措施，可靠实现断路器本体三相不一致回路防误动、自保持、动作信号有效提示的功能。该措施已在某1 000 kV在运特高压变电站试点应用，效果良好，对变电站断路器三相不一致回路的选型具有指导作用。
断路器本体三相不一致保护回路位于其本体机构箱内，由启动回路和出口回路两部分组成[12-13]。现以典型三相不一致保护回路为例(如图1所示)分析其动作原理。启动回路依靠采集断路器本身的辅助触点位置来实现。下面以运行中的断路器出现一相分开，或后台手合断路器一相未合上，以断路器A相分开为例加以说明。
图1 典型断路器本体三相不一致保护回路
图1中断路器常开辅助触点DL-A断开，常闭辅助触点DL-a闭合，时间继电器KT所在回路导通，继电器励磁，经过延时，KT-1触点闭合，跳闸继电器KQ、信号继电器KX励磁，KQ三相触点闭合，跳闸回路导通，断路器三相分闸。其中，LP1、LP2分别为三相不一致功能压板和出口压板，用于两个回路的投退。另外，三相不一致保护的动作时间需要与对应线路重合闸时间配合，按躲过线路单相重合闸时间整定。根据各电压等级继电保护定值要求，一个典型的时间整定见表1。
表1 断路器本体三相不一致动作时间整定值s
三相不一致保护回路中各继电器、接触器、元件位于室外开关汇控柜(箱)、端子箱内，容易受雨雾冰雪等恶劣天气的影响，运维人员不定期开展箱柜维保、排查工作，其运行环境差、可靠性较低。
2.1 二次回路绝缘降低
当遇到雨雪居多的潮湿天气，加之开关汇控柜长时间户外运行，密封性能退化，很容易发生凝露、回路电缆老化等现象，造成二次回路绝缘能力下降[14-15]。直流回路两点接地，导致时间继电器KT正电端与直流正电源短接，造成时间继电器励磁，进而导致出口继电器动作，断路器跳闸。或者柜内有凝露，出口继电器受潮，其常开接点闭合，导通跳闸回路，导致断路器分闸。
2.2 人为原因导致误动
为了试验的便捷性，部分厂家在继电器外部设置了凸起的试验按钮，当继电器正常励磁时，机械按钮会因联动特性进入继电器内部；
同理，若是手动触碰机械按钮，也会进入继电器内部，其常开接点也会闭合，导通相关回路，存在误动的风险。文献[8]显示，某地500 kV变电站检修人员对220 kV开关汇控柜内加热除湿机进行定期维护工作时，因继电器安装过于密集，误碰了端子排上三相不一致出口继电器的机械试验按钮，导致断路器跳闸；
某220 kV变电站运维人员在进行220 kV开关汇控箱定期开箱检查过程中，遇大风天气，未将箱门抓牢，导致箱门直接撞在汇控箱上，造成剧烈振动，使三相不一致出口继电器接点因振动而闭合，导致断路器跳闸。
2.3 回路压板设置不当
传统的断路器三相不一致回路中，时间继电器KT和出口继电器KQ各自回路独立，且功能回路与出口回路各有一块压板。当断路器进行定期或不定期的检修试验，断路器做直流电阻测试、单相分合闸特性试验，均会出现三相不一致的状况。在进行试验工作期间，按一次设备检修工作要求，需退出功能回路压板LP1，防止回路出口动作，但因为功能压板只与时间继电器共回路，出口继电器还有可能因为其他原因而得电，所以不能完全退出三相不一致保护功能。某220 kV变电站运维人员倒闸操作过程中，因需要投入的压板过多，操作时注意力不集中，发生了压板虚合的情况，造成断路器非全相运行时三相不一致保护无法出口的现象。同样若出口压板操作不当，也会发生压板虚合的情况[16-17]。
2.4 回路无提示性功能
由图1可知，当断路器确实因为三相不一致而导致跳闸时，回路没有记录或者提示性的信息，站内运维人员仅看到断路器变位情况，无法及时准备判定跳闸原因，给事故判定和汇报造成了不便[18]。现场设备亦不能保留动作状况。
措施一:在三相不一致保护跳闸出口继电器接点与正电源之间串接断路器常闭辅助触点。从本质上确保断路器真实发生了三相不一致工况才出口跳闸，防止全相运行的断路器误动作。
措施二:在三相不一致回路中取消出口压板，仅设置一块三相不一致保护功能压板，且三相不一致时间继电器与出口继电器线圈回路公用。只保留一块功能压板且时间继电器和出口继电器共回路，能明显提高回路可靠性，使功能压板可完全实现三相不一致功能的投退。
措施三:使三相不一致出口继电器具备自保持功能。增加自保持回路，在断路器因三相不一致出口跳闸后，运维人员至现场开关汇控柜(汇控箱)复归信号，能及时准确判定断路器动作原因。
根据以上优化措施，结合某1 000 kV在运特高压变电站年度技改工程，开展断路器三相不一致回路优化改造工作。该站分为1 000 kV、500 kV、110 kV三个电压等级，其中1 000 kV、500 kV为3/2串型接线方式，串内为线路或主变间隔；
110 kV为单母线接线方式，主要连接无功补偿设备间隔。各电压等级断路器型号信息见表2。优化前后的回路如图2—4所示，优化措施现场实施情况见表3。
表2 断路器配置表
表3 断路器三相不一致保护回路优化措施现场实施情况
图2 1 000 kV断路器三相不一致保护回路
图3 500 kV断路器三相不一致保护回路
图4 110 kV断路器三相不一致保护回路
现场采用以下方法验证优化改造之后的断路器三相不一致保护回路是否正确可靠。
1)断路器三相分闸情况下，就地合上A、B、C任意一相，断路器三相合位情况下，手动分开A、B、C任意一相，检查三相不一致保护动作时间、出口及信号继电器动作的正确、完整。同时，检查保护室内该断路器间隔保护屏、测控屏、操作箱信号情况，以及监控系统光字牌动作情况。检查开关汇控柜内告警灯是否点亮，若点亮且需要手动复归才能熄灭，说明回路改动正确。
2)人为短接三相不一致保护启动和出口回路，如图2(b)中短接正电源小母线+KM和时间继电器KT-7接点，短接正电源小母线+KM和出口继电器K4-1接点，此时KT、K4均会动作，若三相断路器不跳闸，说明回路改动正确，否则应重新检查回路接线。
对现场3个电压等级，共计21组断路器进行回路优化后的功能验证，结果完全达到了预期效果，从根本上减少了典型三相不一致保护回路的隐患。自回路优化后，设备运行至今的4年内，设备一直安全稳定运行，在运行维护操作任务繁重、气象条件恶劣的多雨水年份，也未发生过一起因三相不一致保护回路误动而造成断路器跳闸的事故。
通过对断路器三相不一致保护回路在实际运行中误动及相关性能不足情况的分析，本文提出了回路优化的改进措施，同时结合在运特高压变电站开展改造工作，验证了回路优化之后的可靠性，极大地降低了断路器误跳闸的风险，有效提高了供电的可靠性。改进措施对在运变电站的三相不一致回路改造工作和新建变电站的断路器三相不一致回路接线具有指导意义。
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