500 kV隔離開關控制接觸器頻繁故障的原因分析及反事故措施

鄧光武，宋述波，王超，林慶標，莫文斌

(中國南方電網超高壓輸電公司廣州局，廣州市，510405)

0 引言

完善的二次控制回路可以實現對高壓隔離開關在遠方或就地、帶聯鎖或不帶聯鎖、單相或三相等方式下靈活操作，是自動化變電站的重要組成部分［1］。實際運行中二次控制回路并不十分可靠，文獻［2-5］就控制回路出現的常見問題進行了統計和分析，并提出了改進措施，但隔離開關控制回路因受現場電磁干擾的影響而頻繁故障的案例未見提及和分析。本文就穗東換流站500 kV隔離開關二次控制回路接觸器頻繁故障的原因進行查找分析，同時提出針對性的改進措施。

1 接觸器故障概況

穗東換流站500 kV隔離開關及接地刀閘采用相同的二次控制回路，其單相控制原理如圖1所示。圖中SA1為遠方/就地切換把手;SB1、SB2為手動按鈕;KM1、KM2為控制接觸器;SP1、SP2為刀閘限位開關;KT為熱繼電器;SP5、SP6為手動閉鎖接點;QF1為交流真空開關。該二次控制回路實現了遠方、就地帶連鎖、就地解聯鎖的電動操作，具備手動/電動聯鎖、自保持、自動停止、電機過流保護等功能，能滿足現場控制要求。

穗東換流站500 kV隔離開關和接地刀閘2009年5月投運。在隨后運行操作中，先后出現近百次由于控制接觸器(圖1中KM1或KM2)故障引起的隔離開關(接地刀閘)遠方及就地均無法電動操作的設備故障。檢查發現:操作命令發出后，控制接觸器線圈兩端有直流電壓，但線圈不勵磁;測量線圈的直流電阻均較大(大于30 MΩ)，部分還出現線圈絕緣降低現象，檢查線圈內部漆包線發現有斷裂現象，斷裂點兩端有灼熱痕跡。KM1、KM2為國產3TB4117型接觸器，且經過其他工程運行檢驗，未出現大面積損壞的問題。初步懷疑該批次接觸器存在質量問題，同時安裝調試期間正處于廣東地區的雷雨季節，部分線圈受潮可能引起性能下降。

圖1 隔離開關單相控制原理Fig.1 Single-phase control circuit of disconnecter

2010年2月采用國外LS公司GMD-12型接觸器對穗東站所有隔離開關及接地刀閘控制回路中原有接觸器進行了更換，分合試驗無異常。同時對控制箱的密封性和加熱除濕回路進行了檢查，確保接觸器線圈不再受潮。但在隨后的運行中大批出現隔離開關(接地刀閘)均無法電動分合的現象，經檢查也均為接觸器線圈開路。

2 接觸器故障原因分析

為查找接觸器故障的原因，生產廠家在試驗室中外加直流電源對隔離開關進行了3 000次電動分合閘試驗，以檢測控制接觸器的質量，試驗中未出現任何異常。試驗室中試驗與現場的主要區別在于控制回路未外接大量的控制電纜芯線。由此可見，控制接觸器出現大批量損壞主要原因并不在于其自身質量，可能與現場使用工況有關，故障原因可能為受到外界干擾源的影響所致。

2.1 操作過程中的波形監視

為監測控制接觸器在現場受到的干擾，在不同安裝地點的多個隔離刀閘操作過程中，用數字示波器監視接觸器線圈兩端電壓和流經線圈電流的波形，電壓和電流整體上波形基本相同，如圖2所示。

圖2 操作過程中線圈電壓和電流波形Fig.2 Voltage and current waveforms of control contactor coil during operation

由圖2可以看出，操作開始(線圈勵磁瞬間)以及整個操作過程中(線圈一直勵磁)電流、電壓均無異常，線圈兩端電壓在230 V左右，流經線圈的電流在45 mA左右，均在接觸器額定值以內，不會對接觸器構成危害。但在刀閘操作到位后(線圈勵磁返回瞬間)，線圈兩端電壓出現了幅值較高的尖峰，電壓的最大值達到其額定電壓的2～3倍。流經線圈的電流未出現尖峰。線圈的損壞可能和其受到的暫態沖擊有直接關系。

2.2 控制接觸器的等值電路

控制接觸器及其所連外回路等效電路如圖3所示，其中L、r、C分別是接觸器線圈的電感、內阻、雜散電容。U0、L0、C0、R0分別是控制電路的電源、導線分布電感、分布電容和電阻。K為線圈勵磁的控制接點［6-7］。

圖3 控制接觸器等效電路Fig.3 Equivalent circuit of control contactor

對于控制電路來說，接觸器線圈是一種電感性負載，當通過控制接點突然斷開時，線圈通過雜散電容構成振蕩回路，其頻率由電感和寄生電容決定。

對于安裝在現場的控制接觸器，同一型號控制接觸器線圈的電感、內阻數值較穩定，因與線圈相連的電纜長短不同及所處環境各異，其等效電路中的雜散電容離散性較大。在控制接觸器勵磁返回瞬間，因回路參數的不同，在不同地點檢測到的線圈兩端電壓和流經線圈的電流波形也就存在較大差異。

2.3 線圈失磁瞬間暫態波形比較

為深入分析控制接觸器失磁瞬間線圈兩端的電壓暫態特性，將同一隔離開關在不同操作方式下的暫態波形進行對比，同時還將安裝在不同地點隔離開關操作時波形進行比較，發現波形有如下特點:

(1)同一隔離開關就地三相電動和遠方操作(遠方只能三相操作)時的暫態波形基本相同;同一操作方式下的多次操作，其暫態波形基本相同。

(2)同一隔離開關遠方(或就地三相電動)操作時的暫態波形和就地單相電動操作時的波形振蕩幅值區別較大，三相操作時的振幅要大，如圖4所示。

(3)不同隔離開關同在現場三相電動(或遠方操作)時的暫態波形的幅值和頻率均有較大區別，圖5列出了3個不同地點隔離開關同在遠方操作時的暫態電壓波形。

通過分析可知，同一隔離開關三相操作與單相電動操作時與控制接觸器相連的外回路不相同;不同隔離開關因其安裝地點的不同，與控制接觸器線圈相連的控制電纜長短和輻射路徑不同，這些都將引起對地雜散電容的不同，暫態波形也就存在差異。

圖5 遠方操作時不同隔離刀閘暫態波形Fig.5 Transient waveforms during remote operation of different disconnector

3 反事故措施

在線圈兩端加裝消弧電路，控制電感線圈在勵磁返回時其兩端的電壓和流經線圈的電流在允許范圍內，將能有效保護控制接觸器［8］。《電力系統繼電保護及安全自動裝置反事故措施要點》中明確要求“直流電壓在110 V及以上的中間繼電器一般應有符合要求的消弧回路”。

消弧電路有以下幾種［9-10］:(1)在線圈兩端并接單一電阻或二極管;(2)在線圈兩端并接穩壓二極管或壓敏電阻;(3)在線圈兩端并接電阻加二極管;(4)在線圈兩端并接RC支路;(5)以上消弧措施的組合。

為可靠起見，現場對如圖6所示的2種消弧回路的效果進行了對比試驗。圖中KM為接觸器線圈。

圖6 消弧回路原理Fig.6 Arc suppression circuit

對比試驗結果表明:

(1)消弧回路1安裝在不同隔離開關的控制回路，測試不同操作方式下暫態波形不盡相同，圖7～8列出了安裝在不同回路、相同操作方式下的暫態波形。安裝消弧回路1對部分回路能改善暫態過程，對部分回路卻進一步惡化暫態過程，出現震蕩加劇或峰值比安裝前更高的尖峰。原因可能為儲能元件C的引入，改變了原回路的分布電容參數，引起暫態波形的改變。

(2)消弧回路2安裝在不同隔離開關的控制回路，不同操作方式下測試隔離開關分合到位時的暫態波形基本相同，如圖9所示。對線圈兩端電壓及流經線圈的電流在失磁瞬間的波形改善非常明顯，消弧的效果比較理想。最終選用該種方式來實施反事故措施。

4 結語

本文通過對隔離開關控制接觸器在啟停過程中的線圈兩端電壓及流經線圈的電流波形進行監視，分析認為控制接觸器頻繁故障的原因與其自身啟停瞬間在內部產生暫態電源脈沖有關，并選擇了適合該回路的消弧元件作為反事故措施，效果明顯。

圖9 加裝消弧回路2后暫態波形圖Fig.9 Transient waveform with arc suppression circuit 2

為提高隔離開關的可靠穩定運行水平，在其二次控制回路設計中，除了保證功能完善外，還須考慮設備現場使用工況，采取屏蔽電纜有效接地、浪涌抑制器等一系列防護措施，減少設備受到現場的干擾和暫態沖擊。

［1］宋繼成.220 kV～500 kV變電所二次接線設計［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］雷兵，夏擁.500 kV HGIS隔離開關控制回路設計變更淺析［J］.高壓電器，2009(1):107-111.

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［5］丁峰.500 kV變電站隔離刀閘控制回路絕緣異常分析［J］.電工技術，2009(8):49-51.

［6］李曉輝.繼電器電磁干擾的診斷及抑制措施［J］.航天器工程，2006，15(4):60-63.

［7］陳曦，陸儉國，許浩.繼電器引起的電快速瞬變脈沖群強擾及抗擾度措施［J］. 繼電器，2001，29(10):70-73.

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