500 kV斷路器操動機構二次回路典型缺陷及優化建議

肖博峰

(國網四川省電力公司檢修公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

在電力系統中，由500 kV線路及變電站構成的超高壓輸電網絡起著重要的支撐作用，500 kV超高壓斷路器正確動作對電力系統穩定運行意義重大。500kV超高壓斷路器的氮氣(N2)壓力控制回路、三相不一致回路、跳位監視回路、壓力低跳閘閉鎖回路的性能都直接影響著斷路器的動作行為。

在斷路器三相不一致保護出口回路中，常因出口繼電器正端與電源正極擊穿或三相不一致繼電器受潮導致其誤出口[1]。經研究，采用三相不一致出口跳閘接點經斷路器位置常閉接點取得正電源的方式，可有效避免三相不一致回路誤出口造成斷路器機構誤跳閘的事故[2]。由跳位監視回路和機構箱防跳回路構成的寄生回路，可能導致斷路器只能分合一次、跳位合位監視燈同時點亮等現象[3]。因500 kV保護裝置按雙重化配置，文獻[4]提出雙重化保護裝置的直流電源回路、配合回路、壓力閉鎖回路均應相互獨立，為500 kV斷路器機構箱跳合閘回路的配置提出了新要求。

下面分別分析了西門子、ABB、三菱公司3個主流廠家的500 kV超高壓斷路器典型回路存在的缺陷，并提出了應用效果良好的回路優化建議。

1 500 kV西門子公司斷路器典型缺陷及回路優化

1.1 氮氣(N2)壓力控制開關

1.1.1 缺陷情況

對某500 kV杭州西門子公司3AT2-EI型斷路器進行機構強迫三相動作試驗，當第一組強迫三相動作試驗工作完成后，斷開第一組操作電源進行第二組強迫三相動作試驗時，發現斷路器無法出口跳閘。

用萬用表測試發現第二組跳閘出口回路237A、237B、237C電位變為+110 V，隨即對回路進行依次查找并進行分析，斷路器機構第二組跳閘回路如圖1所示。

經測試，圖1中-X745端子電位為-110 V，-X0LA 235端子電位為+110 V，因此判斷缺陷為K26(跳閘總閉鎖繼電器)失磁導致的13、14這對常開接點斷開所致。

圖1 西門子公司斷路器機構第二組跳閘回路

根據第二組跳閘回路的閉鎖回路圖進行分析，影響K26(跳閘總閉鎖繼電器)的繼電器有3個，分別為K105(第二組SF6總閉鎖繼電器)、K103(第二組油壓總閉鎖繼電器)、K82(第二組N2總閉鎖繼電器)，如圖2所示。其中，K105通過第二組SF6密度繼電器B4LA/B/C輔助接點實現對SF6氣體壓力的監視，當氣壓低于一定值時接點導通，K105繼電器勵磁，斷開第二組跳閘回路；K103通過N2壓力控制開關B1LA(/B/C)監測N2壓力實現對開關油壓的間接監測，當油壓降低對應N2壓力降低，使接點導通，K103繼電器勵磁，斷開第二組跳閘回路；K82在第一組跳合閘閉鎖回路中反應N2泄漏的繼電器K81勵磁后勵磁，并經延時斷開第二組跳閘回路。

測試圖2中的K103、K105、K82線圈兩端電壓分別為+220 V、+110 V、+110 V，由此判斷是-B1LA/B/C斷路器的某一相密度繼電器動作所導致K103繼電器動作。

圖2 第二組跳閘回路的閉鎖回路

隨即對斷路器A、B、C三相分箱機構進行檢查。檢查過程中發現B相機構N2壓力控制開關運行燈綠燈熄滅，故障燈紅燈亮起，A相、C相N2壓力控制開關運行燈綠燈正常亮起。由此基本確定為B相N2壓力控制開關出現故障。

為進一步驗證，隨即將B相N2壓力控制開關引出的B1LB繼電器的接點3和接點6(控制第二組跳閘回路的接點)這一對接點中的接點3腳斷開，發現K26繼電器勵磁。同時，再次測試第二組跳閘出口回路237A、237B、237C三相電位均為-110 V，電位恢復正常，此時第一組跳閘回路功能恢復正常。再將第一組操作電源合上后發現B相N2控制開關運行燈綠燈正常點亮，測試第一組跳閘回路137 A、137 B、137 C三相電位均為：-75 V，電位恢復正常，第一組跳閘回路功能也恢復正常。然后繼續進行強迫三相動作試驗，斷路器強迫三相動作及各項功能正常。

對同串另一斷路器進行實驗時發現了同樣的現象，經判斷為相同原因導致。

N2控制器采用兩組直流電源(互為備用)供電，要求在任何一組電源正常的情況下都應可靠工作。而斷路器機構B相N2控制器在失去第一組操作電源后，B1LB密度繼電器的接點失磁返回斷開第一組和第二組跳閘回路，將導致斷路器無法跳閘，此時只能通過斷路器失靈保護動作切除對應500 kV母線、邊/中斷路器及對側線路斷路器。

1.1.2 原因分析及整改建議

故障斷路器分別為西門子公司2007年和2004年生產的產品，生產和運行時間均超過10年，導致其N2壓力控制開關存在一定的老化；同時N2壓力控制開關運行在場地機構箱內，運行環境較為惡劣，且設備運行期間因保護動作和設備試驗過程中的震動，進一步惡化了其運行環境。但該設備尚未達到規定的一次設備運行年限就出現了故障，可見產品生產質量也存在一定的缺陷。

由于正常運行情況下，兩組操作電源均正常供電時，運維人員很難通過N2控制開關運行指示燈判斷其是否出現了故障，該故障具有一定的隱蔽性；同時，由于出現上述故障后將同時斷開第一組和第二組操作回路，導致保護裝置不能正確跳閘造成事故范圍的擴大。根據上述分析可提出如下整改建議：

1)在對使用該型號機構箱的間隔進行年檢或改造時，應分別拉開第一組、第二組操作電源。通過查看操作箱斷路器位置指示燈或分別進行機構三相不一致試驗等方式，驗證N2壓力控制開關能否在單電源供電情況下正常工作。

2)對于老舊的該型號斷路器機構箱，在設備運行過程中應加強監視，通過機構箱N2壓力控制開關指示燈和操作箱開關位置指示燈等確認其運行狀態是否良好。

3)當設備在運行狀態，需要斷開其中一組操作電源或其中一組操作電源斷電時，可通過監視操作箱HWJ指示燈情況，確保另一組跳閘回路的完整性。

1.2 三相不一致回路優化

1.2.1 設計缺陷

500 kV杭州西門子公司3AT2-EI型斷路器機構箱因三相不一致出口回路直接由正極提供電源，存在因誤碰三相不一致時間繼電器K16或出口繼電器K61導致斷路器機構三相不一致回路誤出口的問題，如圖3所示。

圖3 優化后斷路器機構箱三相不一致回路

1.2.2 優化建議

根據參考文獻[2]中提供的優化方案，對該型斷路器機構箱優化后的接線如圖4所示。

圖4 優化后繼路器機構箱三相不一致回路

此處僅以第一組三相不一致回路為例進行說明，第二組參照整改。優化后三相不一致出口回路經斷路器三相常閉輔助接點并聯取得正電，從而確保斷路器至少一相在分位時，三相不一致出口回路才能獲取正電，且串入斷路器常閉輔助接點可保證該接點不參與回路滅弧。

2 500 kV ABB斷路器典型回路優化

2.1 跳位監視回路

2.1.1 原跳位監視回路缺陷

ABB公司HPL550B2型500 kV斷路器未提供專用的跳位監視回路接線端子，當采用斷路器機構防跳時，只能按圖5所示將跳位監視105回路和合閘107回路接于遠方合閘端子。

圖5 原跳位監視回路接線

該接線方式在斷路器處于合位時會產生圖5所示的由跳閘位置繼電器(TWJ)、BG1斷路器常開輔助接點、K3防跳繼電器形成的寄生回路。若該回路中TWJ繼電器和K3防跳繼電器內阻參數配合不當，會導致TWJ跳位繼電器啟動或K3防跳繼電器啟動。其中K3防跳繼電器啟動后斷開合閘回路，并通過防跳回路中常開接點實現自保持。該寄生回路常造成如下兩種不良結果：

1)斷路器只能合閘、分閘一次。當斷路器第一次合閘完成后，上述寄生回路導通并實現自保持，斷開合閘回路。當斷路器分閘后要再次合閘時，因合閘回路被防跳繼電器斷開，無法再次合閘，只有斷開第一組操作電源后，K3防跳繼電器復歸，斷路器才能夠再次合閘。

2)操作箱跳位燈和合位燈同時亮，且保護收到跳位開入重合閘放電。因TWJ跳位繼電器在第一次合閘后仍一直啟動，使操作箱跳位燈點亮，在斷路器合閘完成后因跳閘回路導通，操作箱合位燈點亮，故出現了跳位燈和合位燈同時亮的異常現象，導致無法正常監視斷路器位置。同樣由于TWJ跳位繼電器啟動，可能導致重合閘直接放電，閉鎖重合閘功能，或經延時發跳位異常告警。

在某500 kV變電站中就多次出現上述兩種異常現象。在文獻[3]中也介紹了110 kV變電站多次出現的斷路器只能分合閘一次、跳位燈和合位燈同時亮的情況。

2.1.2 優化方案

參考西門子斷路器機構箱跳位監視回路接線方法，考慮設置獨立的105回路。該回路在斷路器機構箱先過BG1斷路器常閉輔助接點和K3防跳繼電器常閉接點再接入遠方合閘端子，如圖6所示。

圖6 優化后跳位監視回路接線

在圖6中，因105跳位監視回路串入了BG1斷路器常閉輔助接點，使斷路器合閘完成后105跳位監視回路至遠方合閘端子的接線斷開。則K3防跳繼電器無法通過105跳位監視回路獲得正電而勵磁，避免了K3防跳繼電器因內阻參數不匹配導致的異常勵磁，同理可防止TWJ跳位繼電器的異常勵磁。同時，在105回路串入K3防跳繼電器常閉接點，可保證在BG1斷路器常閉輔助接點異常或故障時，TWJ跳位繼電器和K3防跳繼電器無法構成回路，避免兩繼電器異常勵磁。BG1斷路器常閉輔助接點和K3防跳繼電器常閉接點起互為備用的作用。

2.2 三相不一致回路

ABB公司HPL550B2型500kV斷路器三相不一致回路同樣存在與圖4類似的缺陷，需要三相不一致出口接點更改為經斷路器常閉接點后取得正電。但其三相不一致K6時間繼電器和Q7出口繼電器僅有一組且接入第一組操作回路，而Q7出口繼電器出口接點分別接入第一組、第二組跳閘回路，可按如下方案進行優化。

1)優化方案1

在第二組跳閘回路解開Q7出口繼電器的出口接點，如圖7所示。

圖7 ABB HPL550B2型優化方案1

該方案保證了第一組、第二組跳閘回路的相互獨立，更符合220 kV及以上電壓等級斷路器機構箱兩組相互獨立跳閘回路的要求。

2)優化方案2

在第二組操作回路增設K8時間繼電器和Q9出口繼電器，并解開第二組跳閘回路中Q7出口繼電器接點，接入Q9出口繼電器跳閘接點，如圖8所示。

圖8 ABB HPL550B2型優化方案2

該方案為第二組跳閘回路也配備了獨立的三相不一致功能，且保證了第一組、第二組跳閘回路三相不一致功能的相互獨立。

3 500 kV三菱斷路器典型回路優化

3.1 跳閘閉鎖回路

3.1.1 原回路缺陷

三菱公司生產的MD1501型HGIS匯控柜中，其63QTX油壓低跳閘閉鎖繼電器和63GLX氣壓低跳/合閘閉鎖繼電器均由第一組操作電源供電，但其常閉閉鎖接點分別接于第一組、第二組跳閘回路，如圖9所示。

圖9 MD1501型HGIS匯控柜跳閘閉鎖回路

圖9所示接線方式會導致失去第一組操作電源后，63QTX油壓低跳閘和63GLX氣壓低跳閘閉鎖繼電器均對第二組跳閘回路失去閉鎖作用，此時通過第二組跳閘回路跳閘可能導致斷路器因異常跳閘而損壞或燒毀。這與文獻[4]中220 kV 及以上電壓等級斷路器的壓力閉鎖繼電器應雙重化配置的要求不符，且不滿足兩套保護裝置與其他保護、設備配合的回路應遵循相互獨立的原則。

3.1.2 回路優化

在第二組操作回路中增加63QT2X油壓低跳閘閉鎖繼電器和63GL2X氣壓低跳閉鎖繼電器，并與63QTX油壓低跳閘閉鎖繼電器和63GLX氣壓低跳閉鎖繼電器同樣受63QT油壓低接點和63GL氣壓低接點控制。同時在第二組跳閘回路中斷開63QTX和63GLX接點，串入63QT2X和63GL2X常閉接點，對第二組跳閘回路起壓力低閉鎖的作用，回路接線如圖10所示。

圖10 MD1501型HGIS匯控柜優化后跳閘閉鎖回路

3.2 三相不一致回路

該方案通過增設油壓低和氣壓低跳閘閉鎖繼電器使兩組跳閘回路相互獨立互不干擾，當任一電源斷電均不影響另一組跳閘回路的所有功能。但需結合現場情況考慮原壓力接點63QT或63GL是否夠用，或對應表計能否提供該類接點。

3.2.1 原回路缺陷

三菱公司生產的MD1501型HGIS匯控柜三相不一致回路采用圖11所示接線方式。

圖11 三菱MD1501型HGIS匯控柜三相不一致回路接線

與ABB公司HPL550B2型斷路器類似，其三相不一致回路同樣存在由第一組操作回路供電的跳閘出口繼電器控制跳開第一組、第二組跳閘回路的問題。且其三相不一致啟動回路存在先經過斷路器常開輔助接點再經過斷路器常閉輔助接點的問題。

3.2.2 優化方案

1)優化方案1

斷開第二組跳閘回路中三相不一致出口回路，將第一組三相不一致啟動回路改為先過斷路器常閉接點再過斷路器常開接點，并使三相不一致第一組出口跳閘回路經斷路器常閉接點取得正電，如圖12所示。

圖12 三菱MD1501型HGIS匯控柜優化方案1

該方案使三相不一致第一組出口跳閘回路先過斷路器常閉接點而不是常開接點，是為了保證三相不一致跳閘回路始終由斷路器主觸頭斷開跳閘回路，防止斷路器輔助接點因切斷電流而燒毀。

2)優化方案2

同樣在第二組操作回路中增設48T三相不一致啟動繼電器和48X三相不一致出口繼電器，第一組三相不一致回路更改方法與方案一相同，如圖13所示。

圖13 三菱MD1501型HGIS匯控柜優化方案2

該方案使斷路器具備兩組獨立的三相不一致回路，但需考慮匯控柜是否便于安裝對應繼電器，斷路器是否有足夠的輔助接點。

4 結 論

所提出的西門子、ABB、三菱公司500 kV斷路器機構箱典型回路優化方案均在工程現場中進行了充分應用，分別解決了相關技術問題，達到了預期效果。兩年以來，優化后斷路器機構回路未出現因N2壓力閉鎖開關、三相不一致回路、跳位監視回路、跳閘壓力閉鎖回路故障造成的斷路器不正確動作。