500kV變電站開關故障分析

楊金戈

（廣東省能源集團有限公司沙角C 電廠，廣東 東莞523936）

1 概述

500KV 變電站是電力系統中非常重要的組成部分，分析500KV變電站的故障有利于掌握變電站的運行規律，杜絕故障的發生。沙角C電廠執行中調令斷開500kV第五串聯絡5052 開關、5053 開關。當合上50521、50522 刀閘電動機220V 直流動力電源時，50521、50522 刀閘突然分閘，開關短引線保護一、保護二動作5052、5053 開關跳閘。

圖1 故障前運行方式

2 故障過程

2.1 運行操作情況。2019 年8 月28 日，值長接到調度令：斷開500kV第五串聯絡5052 開關；斷開500kV第五串5053 開關；電氣操作員接到值長令后，填寫操作票經審核簽名后到現場操作。首先在現場檢查500kV第五串開關、刀閘狀態及第五串5052、5053 就地GIS匯控柜情況，檢查無異常；電氣操作員送上第五串就地控制S2 柜-F2M （50521 刀閘、50522 刀閘、505217 地刀、505227 地刀操作電動機的動力電源）220V 直流空開時，50521 刀閘、50522 刀閘、5052 開關、5053 開關相繼跳閘，現場檢查50521 刀閘、50522 刀閘、5052 開關、5053 開關三相斷開。電氣操作員立即匯報值長，值長即將該事件匯報中調和電廠相關領導，通知繼保班進廠檢查處理。

2.2 保護動作情況及動作順序。5052、5053 開關短引線保護一、保護二動作，故障相為A相，最大故障電流為10.26A(對應一次側電流為41kA)，5053 開關三相跟跳動作，故障相電流顯示為A相。故障錄波報告顯示故障相為5053 開關支路A相，繼電保護正確動作。查閱500kV監視系統SOE，從SOE 結果看，開關及刀閘的分閘順序依次是：50522 刀閘、50521 刀閘、5053 開關、5052 開關。

3 故障后檢查情況

3.1 一次設備檢查情況。檢測人員分別檢測5052、5053、50521、50522 刀閘氣室SF6 分解物。發現5053 開關A 相氣室的SO2為106ppm，H2S 為105ppm，50522 刀閘A 相氣室的SO2為295ppm，H2S 為176ppm, 表明50522 刀閘A 相氣室發生過電弧故障，5053 開關A 相斷路器本體開斷過故障電流。根據各氣室SF6氣體分解物的檢測結果及故障錄波結果分析，確定故障點位于50522 A相刀閘。50522 A相刀閘所在氣室的所有部件因50522 刀閘誤分閘導致的接地故障而受到嚴重污染，該氣室內的三臺A相隔離刀閘（50522、50531、50536）、三臺A 相接地刀閘（505227、505317、505367）和四組CT（503、504 用于II 母母差保護；505、506用于沙東乙線T區保護）均需更換。5053 斷路器A 相斷路器由于切斷過近距故障電流需解體檢修。

3.2 二次回路檢查情況。對50521、50522 刀閘二次回路的詳細檢查，可以排除刀閘控制回路接錯線、聯鎖板跳閘出口接點擊穿、聯鎖板功能失效、電纜絕緣下降、直流接地、交流竄入直流、寄生回路等設備原因引起的50521、50522 刀閘誤分的可能性。500kV 遠方監視系統SOE 記錄本次50521、50522 刀閘幾乎同時分閘，因此也排除停電過程中人為誤操作的可能。

4 故障原因分析

4.1 設備情況。500kV開關站為戶內SF6 氣體絕緣全封閉組合電器，采用二分之三接線方式，瑞士ABB 公司生產的GIS 設備，設備制造時間為1991 年，投運時間為1992 年，500kV GIS 斷路器型號為ELK.SP3-21，額定開斷電流為50kA，隔離刀閘型號為ELK-TX/TV。第五串50521、50522 隔離刀閘操作閉鎖邏輯完好。

4.2 短引線保護動作原因分析。當送上50521、50522 刀閘操作電動機220V 直流動力電源時，50521、50522 刀閘在5052 斷路器仍在合閘運行狀態時突然帶負荷分閘，導致50522 A相刀閘在分閘過程中起弧，發生接地故障，最大故障電流達到41kA,造成5052、5053 開關短引線保護一、保護二動作，5053 開關保護三相跟跳動作，跳開5052、5053 開關，短引線保護一、二正確動作及出口，快速切除故障。

圖2 刀閘分閘操作回路邏輯圖

4.3 50521、50522 刀閘異常分閘的原因分析。分析50521、50522 刀閘分、合閘控制回路圖，發現該控制回路設計原理存在安全隱患：50521、50522 刀閘分、合閘回路均設計自保持電路，該自保持電路不受50521、50522 刀閘的動力電源開關F2M控制，在開關斷開、刀閘在合閘狀態、刀閘動力電源退出的情況下，如進行刀閘分閘操作，將導致分閘自保持回路持續導通，在下一次投入動力電源時，將觸發刀閘直接分閘。在正常情況下，控制電源F2、動力電源F2M都合上，該設計不存在安全漏洞。此時即使有人為分閘信號，信號無法通過電氣五防邏輯閉鎖，無法導致分閘自保持回路持續導通，分析以下情況。

4.3.1 50521 刀閘動力電源開關F2M合上。在5052 開關在合閘狀態、50521 刀閘在合上狀態，此時操作拉開50521 刀閘，由于刀閘分閘的聯鎖條件不滿足，聯鎖板無分閘指令輸出，50521 刀閘分閘繼電器K21A1、K21A2、K21A3 繼電器不會動作，50521 刀閘無法拉開。

在5052 開關在分閘狀態、50521 刀閘在合上狀態，此時操作拉開50521 刀閘，由于刀閘分閘的聯鎖條件滿足，聯鎖板有分閘指令輸出，50521 刀閘分閘繼電器K21A1、K21A2、K21A3 繼電器動作，50521 刀閘正常拉開，不會導致帶負荷拉刀閘，對系統不會造成任何不良影響。當50521 刀閘拉開后，刀閘常開輔助接點（25、26）打開，分閘繼電器K21A1、K21A2、K21A3 自動返回，不會自保持。

4.3.2 50521 刀閘動力電源開關F2M斷開。在5052 開關在合閘狀態、50521 刀閘在合上狀態，此時操作拉開50521 刀閘，由于刀閘分閘的聯鎖條件不滿足，聯鎖板無分閘指令輸出，50521 刀閘分閘繼電器K21A1、K21A2、K21A3 繼電器不會動作，50521 刀閘無法拉開。

在5052 開關在分閘狀態、50521 刀閘在合上狀態，此時操作拉開50521 刀閘，由于刀閘分閘的聯鎖條件滿足，聯鎖板有分閘指令輸出，50521 刀閘分閘繼電器K21A1、K21A2、K21A3 繼電器動作，但是由于50521 刀閘電機沒有動力電源，50521 刀閘不會拉開，50521 刀閘常開輔助接點（25、26）一直閉合，則分閘繼電器回路長期自保持。即使合上5052 開關，50521 刀閘聯鎖板輸出的分閘指令也仍然長期存在，而當再次送上50521 刀閘動力電源F2M時，50521 刀閘會自動分閘，可能造成帶負荷拉刀閘的嚴重后果。

4.3.3 比較其它分閘繼電器。通過以上分析可以看出，當刀閘的動力電源斷開后，若開關在熱備用狀態，由于某種意外原因造成刀閘的分閘繼電器動作，則刀閘的分閘指令將一直自保持，當再次送上刀閘動力電源后存在帶負荷拉刀閘的安全隱患。從ABB公司了解的信息, 目前ABB公司新設計的控制回路是在其馬達回路中設置電壓型中間繼電器，把繼電器的常開接點接入刀閘的控制回路，可防止刀閘分、合閘自保持回路誤動作。

為了間接驗證這種推測，2019 年9 月5 日拆下同一時期投用且運行條件相似的分閘繼電器進行對比，發現K21A1 繼電器線圈偏深，說明50521 刀閘的分閘繼電器極可能處于帶電狀態并自保持了比較長的時間。

5 改進措施

針對隔離刀閘分、合閘控制回路中的自保持回路存在的設計功能不完善問題，可采用在刀閘操作電動機回路上設置電壓型中間繼電器，把繼電器的常開接點接入刀閘的控制電源回路。當刀閘的控制電源開關投入、動力電源開關斷開時由于中間繼電器失電，其常開接點打開，刀閘的控制電源回路被切斷。這種情況下，即便開關在熱備用狀態，由于某種意外原因，誤動刀閘的分閘按扭，刀閘分閘繼電器也不會動作，可防止開關合閘時，再次送上刀閘動力電源，刀閘自動分閘的情況，避免帶負荷拉刀閘。改進后，即使是刀閘控制電源和操作電機電源長期投入，也能保障當電機電源回路失電的情況下可避免帶負荷拉刀閘。該改進措施適用于500kV升壓站內所有隔離刀閘和接地刀閘。

國內外刀閘的出廠設計均以刀閘電源保持投入進行考慮，如采取刀閘操作電源長期退出的措施，表面上依靠人工投退電源可避免刀閘誤分合，但實際影響原有信號監控，且經常性投退操作電源對復雜控制回路的影響無法充分辨識，存在可能導致繼電器損壞、接點導通等原因引起刀閘自動分合閘的情況。

6 結論

通過分析本次故障的過程，我們找出了500kV隔離刀閘帶負荷拉跳開的原因是由于控制回路的自保持回路存在不合理設計。針對隔離刀閘分、合閘控制回路中的自保持回路存在的設計功能不完善問題，采用在刀閘操作電動機回路上設置電壓型中間繼電器，把繼電器的常開接點接入刀閘的控制電源回路中。我們還將改進措施應用于500kV升壓站內所有隔離刀閘和接地刀閘，杜絕事故再次發生。