500kV開關防跳回路問題的分析、驗證和處理

李嘉文 聶宏展 李德佳

（1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.海南核電有限公司，海口 570125）

某開關站的開關型號為500－SFMT-63B，開關所配操作機構型號為AM，該操作機構由日本三菱公司生產。該操作機構具有機械防跳功能，同時廠家在就地控制盤內又配有電氣防跳回路。在調試與運行過程中均發生過防跳回路工作異常，不起防跳作用的情況。這是由于電氣與機械防跳、手動分/合閘及其同期回路與開關操作回路配合存在問題。為了能夠徹底解決存在的問題，我們對開關的操作回路接線及機械防跳進行了認真的分析，同時，通過繼電保護測試儀對各種可能發生的工況進行了實際模擬試驗。對試驗結果進行了詳細的分析，提出了改造方案。

1 500kV 開關氣動操作機構基本結構、工作原理和機械防跳的介紹

緩沖器及防跳躍裝置工作原理簡述如下：

油緩沖器（3118）與活塞（3122）直接相連，可吸收合閘和分閘終了的剩余能量，避免零部件操作沖擊。在該操作機構上裝有一個機械防跳裝置。防跳裝置的關鍵件是防跳銷釘（3216）如圖1所示。只要合閘信號一直保持，脫扣桿（3234）由于防跳銷釘（3216）的作用始終是傾斜的， 從而鐵心桿（3282） 便不能撞擊脫扣掣子（3212），因此開關不能重復合閘操作，從而實現了防跳功能。由于機構由（d）狀態返回到（a）狀態需要運動和穩定的時間，在開關分閘以后180ms內合閘線圈如果帶電，開關機構將閉鎖在圖1中的（e）狀態，直至合閘線圈失電返回，才能再次合閘。

2 500kV 開關電氣防跳回路的介紹

圖1 防跳躍裝置圖

500kV 開關電氣防跳采用的是并聯式防跳回路。所謂并聯式防跳回路，即防跳繼電器52YA/52YB/ 52YC 的線圈并聯在開關的合閘回路上（如圖5所示）。假如一個持久的合閘命令存在，合閘線圈通過 防跳繼電器52YA/52YB/52YC 的常閉接點→開關常閉輔助接點52b/1→空氣壓力低閉鎖繼電器63ALX常閉接點→SF6 壓力低閉鎖繼電器63GLX 常閉接點帶電而合閘，開關合閘后，開關常開輔助接點52a/1閉合，啟動防跳繼電器52YA/52YB/52YC，52YA/ 52YB/52YC 常開接點斷開合閘回路并自保持。若此時線路或設備故障，繼電保護動作跳閘，但由于合閘回路已可靠斷開，從而可防止開關發生跳躍。

3 電氣與機械防跳

1）防跳功能應滿足下述三種工況的要求。第一種工況：手動合閘情況下，保護動作跳閘，開關不允許發生跳躍；第二種工況：跳閘出口信號存在的情況下，手合開關時，開關不應發生跳躍；第三種工況：運行過程中，由于兩點接地及控制把手接點未斷開而導致的合閘信號始終存在情況下，保護動作跳開關時，不允許發生跳躍[1]。由于第三種工況不存在時間配合問題，本文不作詳細討論。

電氣防跳：從第一種工況實測時序圖可見（圖2），防跳繼電器的動作時間應小于保護動作時間與開關跳閘時間之和，即動作時間應小于52ms。從第二種工況的實測時序圖可見（圖3），防跳繼電器的動作時間應小于開關跳閘時間，即動作時間應小于17ms。防跳繼電器52YA/52YB/52YC 實測動作時間為20ms，對于第一種工況是沒有問題的，但從第二種工況看，存在防跳繼電器動作時間稍慢的問題，防跳功能有些不是很可靠。

圖2 第一種工況時序圖

圖3 第二種工況時序圖

機械防跳：從第一種、第二種工況的實測時序圖可見（圖2、圖3），開關分閘后機械防跳在開關處于不穩定情況下的180ms 內有效。而手動合閘不可能在180ms 內復歸，因此，這種工況下機械防跳不起作用，只有依靠電氣防跳。機械防跳起作用的前提條件是合閘回路無開關的輔助接點和合閘線圈應按長期通電設計。對于合閘回路具有輔助接點的機械防跳，只有當發生合閘線圈直接帶電情況下（例如：正電與合閘線圈正電端兩點接地），機械防跳才能發揮其應有的作用，但合閘線圈一定會燒毀。從以往的運行經驗看，機械防跳在運行中的表現不佳，無法替代電氣防跳。這也是為什么開關設計了機械防跳后又設計了電氣防跳的原因所在。

2）對于電氣防跳功能的傳動試驗應模擬上述第一種和第二種工況。對于第一種工況的傳動試驗方法：首先，利用控制把手合上開關并保持把手在合閘位置不動，利用保護發跳閘命令，開關不應再合閘。對于第二種工況傳動試驗方法：首先，利用保護發跳閘命令并應保持，而后利用控制把手合上開關，開關合上后立即跳閘而不應再合閘。對于串聯式防跳通常采用前者的試驗方法，而對于并聯式防跳通常采用后者。對于同時具有電氣與機械防跳的開關，防跳試驗的方法應考慮開關分閘過程中和剛分閘后機械防跳的不穩定所需的時間，采用第一種試驗方法可能無法檢查電氣防跳回路的功能。

建議工程中應同時利用兩種方法對防跳功能進行傳動試驗，同時，應觀察機械防跳是否動作，以便于區分是電氣防跳起作用還是機械防跳起作用，這樣較為穩妥。

4 竣工調試期間電氣防跳回路的修改

500kV 開關的控制方式是這樣，正常操作在網控室的控制盤，通過把手SC 進行合/分操作，只有檢修情況下才通過就地控制盤（LCP）把手11-52對開關進行操作，這種功能是通過開關兩側閘刀聯鎖來實現的。因此，應保證在控制盤通過把手SC對開關進行合閘操作時，開關不發生跳躍。按照電氣防跳回路的傳統試驗方法，首先用把手SC 合上開關并保持SC 在合閘位置，通過保護將開關跳開，觀察防跳繼電器52YA/52YB/52YC 是否自保持和開關是否重新合閘。

存在問題：按照上述的傳動試驗方法對開關電氣防跳回路進行了檢驗。在試驗過程中，開關電氣防跳回路工作異常，不起防跳作用。現象是防跳繼電器52YA/52YB/52YC 不能自保持和開關又重新合閘了。

問題分析：經過對電氣防跳回路的分析，發現其二次回路存在設計問題。由于為了使合閘繼電器CMR1 合閘后解除自保持，在其線圈回路串入了跳閘位置繼電器的常開接點（見圖4、5）。這樣導致開關在合閘后CMR1 失磁，52YA/52YB/52YC 不能自保持，開關合閘回路未能斷開，導致電氣防跳功能失效，開關重新合閘的后果。

圖4 修改前接線圖

回路修改的方案：將合閘繼電器LCMR1 保持回路斷開，同時將TWJ 自保持回路短接（見圖6）。修改后進行了相應的傳動試驗，開關的電氣防跳功能正常。

該方案可能帶來的問題分析：取消了合閘繼電器自保持功能，可能會導致手動合閘和自動重合閘的失敗，同時，有可能燒毀合閘繼電器的接點。由于手動合閘會由運行人員保持一段時間，而自動重合閘的合閘脈沖已經展寬了200ms，另外，該合閘繼電器是大容量接點的中間繼電器，可斷開合閘回路電流。因此，不存在上述問題。

5 #1 主變充電時，5033 開關跳躍情況的介紹

機組大修后，#1 主變由500kV Ⅱ母經5033 開關進行充電操作。在手動合上5033 開關時，#1 主變分相差動保護誤動作，導致了5033 開關連續兩次跳閘三次合閘。從當時的故障錄波圖可分析到，5033開關動作的時序是：首次合閘56ms 后 5033 開關三相跳閘→經192ms 后5033 開關三相合閘→又經29ms 后5033 開關三相再次跳閘→再經192ms 后5033 開關三相合閘成功。

圖5 開關控制回路接線圖

圖6 修改后接線圖

6 5033 開關跳躍原因的初步分析

6.1 同期系統介紹

500kV 網控的同期系統屬于手動準同期的分散同期方式，即同期表計集中，各同期點的操作開關分別裝設在各同期點的控制屏上。開關站采用3/2開關接線，變壓器進線的兩側開關在主控室和網控室均能操作。網控室的同步電壓采用“近區電壓優先法”取得，利用低電壓繼電器K127、K227 對開關兩側電壓進行檢測，以實現開關的單側無壓合閘。

6.2 初步分析

通過對開關電氣和機械防跳原理的分析、調試期間對電氣防跳回路的修改并結合以往的實際經驗，對存在問題進行了初步的綜合分析和判斷。初步結論如下：合開關前，Ⅱ母正常運行，母線電壓互感器（PTB11）有電，K227 帶電動作，其常閉接點斷開。主變500kV 電壓互感器（PTG31）無電，K127 不動作，其常閉接點閉合，同期回路處于單側無壓合閘狀態。開關合閘命令發出，5033 開關合閘。防跳繼電器動作并自保持，同時斷開了合閘回路。5033 開關合上后，PTG31 帶電，K127 帶電動作，其常閉接點斷開，防跳繼電器失磁，其常閉接點又接通了合閘回路。此時分相差動保護動作跳閘，5033 開關跳開。由于合閘信號還存在，5033 開關第二次合閘。又由于分相差動保護出口的展寬時間為250ms，導致開關合閘后的第二次跳閘，第三次合閘的情況與前述相同。

7 現場試驗驗證

為了驗證初步分析的結論，結合202 大修，對5041開關的電氣防跳功能進行了相應的模擬試驗。通過測試儀模擬當時5033 開關跳躍的工況。

模擬試驗接線圖見圖7，具體步驟如下。

7.1 步驟一：驗證第一種工況的防跳功能

1）在控制屏上手動合上5041 開關并保持，直到試驗結束。

2）確認5041 開關合閘，檢查開關防跳繼電器52YA/A、52YB/A、52YC/A 帶電動作。

3）短接第四串接口屏X3：36-42 端子，手動模擬跳閘信號，短接后立即斷開。

4）檢查確認5041 開關跳閘。

5）觀察5041 開關在跳閘后不在重新合閘。

6）松開5041 開關把手。

7.2 步驟二：驗證第二種工況的防跳功能

1）跳閘信號首先發出并保持。

2）在控制屏上手動合上5041 開關并保持，直到試驗結束。

3）檢查5041 開關的狀態。

4）觀察5041 開關合閘后，再跳閘不再合閘。

5）松開5041 開關把手。

7.3 步驟三：模擬5033 開關跳躍工況

1）保護測試儀模擬I 母PTB11 帶電。測試儀狀態1 的設置：電壓U1=100V∠0°；狀態時間為10s。

2）檢查確認電壓繼電器K227 動作，常閉接點斷開。

3）在控制屏上手動合上5041 開關并保持，直到試驗結束。

4）確認5041 開關合閘，檢查開關防跳繼電器52YA/A、52YB/A、52YC/A 帶電動作。

5）保護測試儀模擬PTG41 帶電，電壓施加大小和相位與模擬PTB11 電壓相同。測試儀狀態2 的設置：電壓U1=100V∠0°；電壓U2=100V∠0°狀態時間為32ms。

6）檢查確認電壓繼電器K127 動作，常閉接點斷開。

7）檢查同期繼電器K95 的動作情況。

8）由保護測試儀短接第四串接口屏跳閘端子，模擬保護跳閘信號。測試儀狀態 3：電壓U1=100V∠0°）、電壓U2= 100V∠0°，節點輸出1：狀態時間為25ms。

圖7 5041 開關防跳模擬試驗接線圖

9）檢查確認5041 開關跳閘。

10）觀察5041 開關在跳閘后是否重新合閘，同時觀察合閘線圈動作情況。

11）在控制屏上松開5041 開關把手。

8 試驗結果及分析

1）步驟一的試驗結果

按照試驗方案進行了防跳試驗，防跳繼電器能動作并自保持同時斷開了合閘回路，開關沒有再次合閘，防跳回路的功能正常。說明調試期間的回路修改是正確的。

2）步驟二的試驗結果

按照試驗方案進行了該項模擬試驗，防跳繼電器能帶電并自保持同時斷開了合閘回路，開關沒有再次合閘，防跳回路的功能正常。該項試驗的目的主要是檢查防跳繼電器與開關跳閘時間的配合情況。為了說明問題，我們對52YA/YB/YC 防跳繼電器動作時間進行了測量，實測動作時間為20ms。由于開關跳閘時間為17ms，說明52YA/YB/YC 防跳繼電器動作時間基本滿足防跳功能。

3）步驟三的試驗分析

從錄波圖分析（見圖8），在開關合閘同時模擬電壓互感器PTG 帶電情況時，同期回路中的K127電壓繼電器動作，其常閉接點斷開。但，此時同期繼電器K95 在未來得及動作的情況下，使合閘回路失去正電源，防跳繼電器不能自保持。由于52YA失電時間（間斷時間）為120ms，導致52YA 防跳繼電器返回，防跳功能喪失。在開關跳閘后，致使合閘線圈帶電，開關再次合閘。這與初步分析是吻合的。

9 處理方案

通過上述的分析和試驗驗證，開關控制回路存在電壓繼電器K127 或K227 與同期繼電器K95 配合的時間差問題。

具體改造建議如下。

方案1：在同期回路增加同期閉鎖開關（STK），并取消電壓繼電器（見圖9）。

圖8 防跳回路失靈的情況錄波圖

圖9 方案1 接線圖

方案2：各控制屏同期開關改型號，使其具備解除、同期、同期閉鎖三個位置，并取消電壓繼電器（見圖10）。

圖10 方案2 接線圖

兩個方案優、缺點的比較：

方案1 接線簡單，三、四串只需增加一個同期閉鎖開關（STK）即可，改造容易實施。為了防止值班員操作此開關后忘記復位，將此開關納入運行操作票內進行管理，同時，利用STK 的空接點發到閃光報警系統，提示值班員防止誤操作。

方案2 接線較復雜，需更換各開關的同期開關。改造實施相對困難。但操作比較安全，不易誤操作。

10 結論

通過具體分析、現場驗證及制定具體處理方案，并對兩個方案優缺點進行了比較。方案2 雖然接線復雜，改造實施難度大，但按照“保守決策”的原則，現場選擇了方案2。實施后經過了5年的運行及大修后啟動操作，再沒有出現類似問題，證明了改造方案的正確性。該改造方案對新建及運行電廠有一定的參考價值。

[1] 國家電力調度通訊中心.電力系統繼電保護實用技術問答[M]. 北京:中國電力出版社,2000.

[2] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M]. 北京:中國電力出版社,1998.

[3] 王維儉,桂林,畢大強.大型發電機－變壓器組繼電保護的探討[J].中國電力,2001(1).