變電站中繼電器的常見故障分析

馬 凱, 杜 鵬, 黃道均, 黃偉民, 蘇 文, 高 燃, 束 暢

國家電網安徽省電力公司 檢修公司 合肥 230009

1 繼電器概述

繼電器是一種電控制器件,可以給予規定輸入量并保持足夠長的時間,在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化。當輸入量降至一定程度并保持足夠長的時間后,再恢復到初始狀態[1-3]。常見繼電器由控制電流通過線圈所產生的電磁吸力驅動磁路中的可動部分實現觸點開、閉或轉換功能,主要由磁路系統、返回系統及接觸系統三大部分組成。此外,有根據氣體壓力變化控制觸點通斷的繼電器,如六氟化硫繼電器[4-5];還有根據氣體流速變化控制觸點通斷的繼電器,如氣體繼電器[6-7]。文獻[8]介紹了繼電器的選型要求和使用注意事項。文獻[9]介紹了繼電器的主要參數及其擾動因素。文獻[10]結合實際工作中的繼電器失效案例,從可靠性評價條件、失效機理、可靠性改善三個方面進行研究,為可靠性理論和實際工程提供參考。文獻[11]討論了繼電器在使用過程中觸頭部分的故障,并給出了相應的處理方法。

繼電器廣泛應用于電力系統中,目前,包括組合電器、變壓器、斷路器、隔離開關等在內的變電設備二次回路中大量使用繼電器,以實現保護與控制的功能。繼電器在使用過程中經常發生故障,如果處理不當,會給整個電力系統造成潛在的危機,甚至造成系統癱瘓[12-15]。因此,有必要對變電站中繼電器的常見故障進行分析總結。

2 繼電器常見故障統計

目前,國家電網安徽省電力公司檢修公司下轄28座500 kV超高壓變電站和2座1 000 kV特高壓變電站。上述變電站構成安徽電網的骨干網絡,自2014年以來,共發生117起繼電器故障,造成變電設備一般缺陷86起、嚴重缺陷18起、危急缺陷13起,500 kV斷路器跳閘有4次,220 kV斷路器跳閘有3次,其中,涉及氣體繼電器24起、相序繼電器20起、時間繼電器11起、分合閘接觸器10起、熱耦繼電器8起、儲能信號繼電器6起、電壓繼電器6起、密度繼電器4起、防跳繼電器3起、電流繼電器2起,其它缺陷23起。

上述繼電器故障有的是在設備投運時就存在隱患,如部分氣體繼電器在投運時就存在輕微滲油的情況,隨著設備運行時間的延長,滲油情況加劇。有的繼電器選型不當導致存在家族性缺陷,在一定情況下會引發設備故障。有的繼電器運行維護管理不當,如繼電器接線松動或受潮導致設備故障。更多的則是隨著運行時間的延長,繼電器內部元器件老化導致故障。

3 氣體繼電器故障導致主變跳閘

2018年2月6日21:53,某220 kV變電站220 kV 1號主變有載開關氣體繼電器重瓦斯保護動作,斷開該主變三側斷路器。導致保護誤動的氣體繼電器型號為URF25/10 12-25-48,生產廠家為德國EMB。運行維護檢修人員到達故障現場,對1號主變及三側斷路器進行檢查,主變油位、油溫、斷路器壓力未發現明顯異常。1號主變保護裝置顯示有載開關氣體繼電器重瓦斯保護動作。對1號主變本體端子箱、有載調壓機構進行檢查,無明顯異常。調取非電量及輔助保護裝置自檢報告,發現2018年2月6日21:53發生有載開關重瓦斯動作后信號迅速恢復,反復發生四次。非電量及輔助保護裝置自檢報告截圖如圖1所示。

圖1 非電量及輔助保護裝置自檢報告截圖

該有載開關氣體繼電器的接線方式如圖2所示,測量觸點11電壓僅為直流120 V,而正常應為220 V,初步確定有載氣體繼電器存在故障。

圖2 氣體繼電器接線

檢修人員立即聯系設備廠家準備備用有載開關氣體繼電器,同時安排對原氣體繼電器進行送檢分析。2月7日14:30,更換完畢新氣體繼電器,再次檢查二次絕緣芯對芯電阻值為5.35 GΩ,芯對地電阻值為1.56 GΩ和3.78 GΩ。16:00,電科院檢測發現原有載開關氣體繼電器觸點內絕緣不合格,觸點23、24間絕緣電阻值為0.4 MΩ,觸點11、14間絕緣電阻值為0.05 MΩ。進一步解體檢查,發現觸點11、14間的干簧管尾部絕緣薄弱,存在放電現象,進一步確認主變跳閘為氣體繼電器故障引起,如圖3所示。2月7日16:00,向省調申請恢復送電,并于16:30送電成功,現場主變恢復正常運行。

圖3 觸點11、14間干簧管情況

該變電站1號主變于2005年12月投運,運行超過12 a,有載開關氣體繼電器內部干簧管尾部絕緣性能下降,最終導致繼電器觸點導通,主變有載重瓦斯保護誤動。

4 非全相時間繼電器故障導致斷路器跳閘

2017年12月6日9:24,某1 000 kV特高壓變電站A后臺發直流接地信號。9:28,500 kV平淮5011斷路器非全相繼電器動作,5011斷路器跳閘,無負荷損失。運行維護人員立即前往檢查,發現為第一套非全相保護回路時間繼電器誤動。該繼電器生產廠家為西安凱盛,型號為LTD 3000。2018年2月1日,使用同樣型號時間繼電器的另一個1 000 kV特高壓變電站B發生同樣的跳閘事故。

兩次跳閘事故現象高度相似,主要體現在三個方面。

(1) 跳閘前站內后臺均發出直流接地信號,運行維護人員隨即響應開展排查。跳閘時間與直流接地信號發出時間間隔較短,在排查過程中已發生了跳閘,特別是變電站A,直流接地僅4 min之后便發生跳閘。

(2) 調閱故障前后的報文及光字信息,確認跳閘前除直流接地外無其它異常信號。跳閘時,后臺發非全相保護動作,保護裝置無動作及異常報警信號。

(3) 通過二次回路檢查,確認接地點位于第一套非全相保護回路時間繼電器。拆除繼電器后恢復操作電源,直流接地信號消失。通過絕緣電阻值測試,繼電器觸點間,以及觸點對地絕緣不良。拆解時間繼電器,發現內部存在凝露、銹跡,如圖4所示。

圖4 時間繼電器內部凝露與銹蝕

經了解,該繼電器生產廠家同類設備之前在其它地區發生過類似故障,廠家于是對該型號時間繼電器進行了改進。如圖5所示,右側為改進前外形,左側為改進后外形。安徽省電力公司要求廠家對改進前后繼電器開展環境模擬試驗。廠家于2018年1月2日出具了試驗報告,試驗表明,當環境相對濕度達到80%以上,且環境溫度發生快速升高時,改進前繼電器內部出現凝露,改進后繼電器內部無凝露。除繼電器密封不良易導致凝露外,安徽省電力公司通過對改進前后繼電器進行拆解對比,認為導致繼電器內部凝露的內在原因可能為結構設計存在缺陷,使繼電器內電子元件較多,布局緊湊,特別是金屬外殼的濾波器上容易產生凝露,廠家改進后的繼電器則取消了該濾波器。如圖6所示,右側為改進前繼電器內部結構,左側為改進后繼電器內部結構。

綜上分析認為,造成斷路器跳閘的直接原因為時間繼電器內部凝露使絕緣降低,導致繼電器誤動作出口跳閘。繼電器內部結構設計不合理,是產生凝露的本質原因。改進前的該型號繼電器,從結構設計、環境適應性、故障后果等幾方面分析,已經具備家族缺陷的特征。目前在安徽省電力公司的要求下,廠家已完成對所有相同型號繼電器的更換。

圖5 改進前后時間繼電器外形

圖6 改進前后時間繼電器內部

5 繼電器參數匹配不當導致異響

2018 年1 月26 日,某220 kV變電站220 kV繁盛2D22斷路器防跳回路改造完成后合閘,斷路器三相機構持續存在繼電器開斷、閉合的聲響,同時保護室內2D22間隔第一套保護裝置的斷路器三相跳位指示燈也持續存在亮、熄的閃滅現象。現場測量K3防跳繼電器兩端電壓為170 V。該斷路器為ABB公司產品,型號為LTB245E1,操動機構型號為BLK222。

該型號斷路器的分合閘控制回路如圖7所示。圖7中Y3為合閘線圈,K9為六氟化硫閉鎖繼電器觸點,K13為儲能繼電器觸點。當斷路器處于分閘狀態時,操作箱繼電器TWJ與斷路器機構箱的合閘回路接通,監視合閘回路的完好性。正常情況下,當斷路器合閘完成后,斷路器三相機構防跳繼電器K3應該在失電狀態,不應吸合。但是檢查實際發現,當斷路器在合閘位置時,TWJ和K3不斷吸合并返回,發出異響。經查明,K3與該間隔第一套保護裝置繼電器TWJ參數不匹配,導致TWJ和K3異常啟動。當斷路器在合閘位置時,斷路器輔助開關常開+BG 23-24觸點閉合,正電經TWJ、K3到負電形成通路。此時,TWJ及其電阻VR1與K3的參數匹配不當,導致TWJ與K3在斷路器合位時動作。K3動作后,K3的11-12觸點斷開,TWJ和K3形成的回路斷開,然后TWJ和K3返回,K3的11-12觸點又閉合,TWJ與K3 再次形成通路,TWJ和K3再次動作,重復上述現象。

圖7 斷路器分合閘控制回路

根據現場實際情況,采用一種簡單的方法,在TWJ與機構控制回路之間串接斷路器的常閉輔助觸點,如圖8所示,使TWJ與K3不存在匹配不當問題。

采用以上方法后,繼電器異響故障消除,斷路器分合閘功能恢復正常。

圖8 解決方案

6 預防措施

變電站中繼電器對于變電設備的安全、可靠運行具有重要意義。就繼電器而言,提高其使用壽命或節省一個繼電器,價值少則十幾元,多則也僅幾千元。但對繼電器所處的系統而言,將產生很大影響。繼電器正確運行可使系統處在良好的狀態下,所創造的價值將遠遠大于繼電器本身的價值。從上述繼電器常見故障統計和案例可以看出,繼電器故障的原因多種多樣,故障發生的時間也貫穿設備從建設到退役的各個階段。為了防止因繼電器故障導致變電設備故障,提出以下預防措施。

(1) 加強新入網變電設備所用繼電器的選型。一般新建擴建變電設備都會召開設計聯絡會,可結合繼電器常見故障和各品牌繼電器的實際使用效果,在這一階段對繼電器的選型進行把關。如目前安徽省電力公司要求新入網的非全相時間繼電器應優先選用電磁式繼電器,且無試驗按鈕。

(2) 加強新入網變電設備所用繼電器的驗收。新安裝的繼電器定值按照相關規定整定需正確,動作電壓、功率校驗需合格,絕緣電阻值測試需合格,上述工作驗收人員需旁站見證。各繼電器的功能模擬試驗需正常,后臺信號需正確。針對氣體繼電器滲漏油的情況,應嚴把驗收關,確保氣體繼電器原始安裝正確到位,密封良好,杜絕帶病上崗。

(3) 加強繼電器的運行維護。加強運行環境的檢查、維護,重點檢查非全相繼電器所處箱柜的防雨、防潮、防塵、防小動物措施是否完善,內部加熱、除濕裝置運行是否正常,內部是否存在凝露,發現異常應及時處置。繼電器外殼、底座存在松動或破裂時,應及時停電更換,嚴禁采用扎帶緊固。有條件時可結合主設備帶電檢測計劃開展繼電器本體、接線端子的紅外測溫。

(4) 加強繼電器檢修管理。嚴格按照《國家電網公司變電設備檢修通用細則》實施檢修項目,校驗不合格的繼電器應更換為品質更優的產品。加強檢修記錄管理,做好備件儲備及使用。繼電器的更換周期與變電設備大修周期應保持一致。

7 結束語

繼電器是實現對變電設備保護和控制的基礎,對于變電設備安全可靠運行具有重要意義。筆者總結了變電站中繼電器的常見故障,分析具體故障案例,并在此基礎上提出相應的預防措施,為繼電器故障的處理和預防提供參考。