關于CSM電子式時間繼電器壽命分析應對策略

金垚，陳強，周霄

（南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗分公司，廣東廣州，510000）

0 引言

惠州蓄能水電廠主機設備為法國ALSTOM公司生產制造。每臺發電機組通過18kV封閉母線連接至500kV主變壓器低壓側。然后每兩臺主變作為一個單元，其高壓側在地下廠房通過500kVGIS設備并接至500kV干式高壓電纜，然后通過高壓電纜洞送至地面500kV開關站接入電網。惠州蓄能水電廠共安裝有8臺300MW的可逆式機組、8臺500kV主變壓器以及4條500kV高壓電纜。根據設計，惠州蓄能水電廠的機組保護、主變保護、500kV高壓電纜保護裝置均采用法國AREVA公司生產制造的P系列保護裝置，其在保護設備中大量使用了CSM型號的時間繼電器。同時惠州蓄能水電廠勵磁系統也由ALSTOM公司生產制造，ALSTOM公司在勵磁系統的控制回路中也部分使用了CSM型號時間繼電器。CSM時間繼電器在惠州蓄能水電廠中應用較為廣泛，而且十分重要。

1 CSM時間繼電器工作分析

1.1 CSM時間繼電器概述

惠州蓄能水電廠CSM時間繼電器品牌為MTI，其型號為CSM24-240AC/DC。它是一種多功能，多量程的電子式時間繼電器，本身具有ET、MT、P.ET、P.MT、K、T多種功能模式，時間調節范圍廣。根據ALSTOM公司的設計，在惠州蓄能水電廠的各保護系統中，CSM時間繼電器正常工作時有兩種狀態，分別是通電延時狀態和失電延時狀態。其中處于失電延時狀態的CSM時間繼電器工作在常勵磁狀態，其線圈一直處于勵磁狀態，其A1、B1均帶正電，A2帶負電，這也是我們后面主要討論的工作狀態。處于通電延時狀態的CSM時間繼電器則工作在常失磁狀態，其線圈一直處于失磁狀態，A2帶負電，只有回路接通時A1引入正電。每個CSM時間繼電器有4對節點，其中兩對為瞬時節點，兩對為延時節點，根據具體實際情況分別使用。

1.2 CSM時間繼電器在各保護系統中的應用分析

圖1 CSM時間繼電器工作模式以及節點配置情況

根據ALSTOM廠家設計，惠州蓄能水電廠機組保護系統中CSM時間繼電器002XT用于監視18kV母線設備中換相刀閘的工作狀態。通過繼電器002XO、007XF、008XF構成的監視回路，能夠保證換相刀閘處于分閘狀態、發電工況合閘狀態以及抽水工況合閘狀態時，其正常狀態均能使CSM時間繼電器002XT的B1端子引入正電，使得002XT繼電器一直處于勵磁狀態。機組保護裝置的CSM時間繼電器005XT用于監視機組保護裝置A套以及B套的電源狀態。當只要機組保護A套裝置電源監視繼電器008XU和機組保護B套裝置電源監視繼電器005XU中任一繼電器勵磁時，CSM繼電器005XT的B1端接通，005XT處于勵磁狀態；當電源監視繼電器008XU和009XU同時失磁時，CSM繼電器005XT的B1端子失去正電，從而繼電器005XT失磁后出口回路延時動作。同時也我們也可以分析出，CSM時間繼電器002XT、005XT由于繼電器本身故障損壞時，會回到失磁狀態，其常閉節點會動作，機組保護出口回路接通，從而造成機組跳閘，后果較為嚴重。同樣，在電纜保護中也設置有CSM時間繼電器001XT工作在常勵磁狀態下監視電纜保護電源，在主變保護中也設置有CSM時間繼電器003XT工作在常勵磁狀態下監視電纜保護電源。只要這些CSM時間繼電器失磁動作時都會導致對應的保護裝置出口跳閘，造成較為嚴重的后果。

圖2 機組保護002XT和005XT接線圖

1.3 CSM時間繼電器在勵磁系統中的應用分析

同時，惠州蓄能水電廠勵磁系統采用法國ALSTOM生產制造的P320型勵磁裝置。該勵磁系統工作十分穩定、維護方便。P320型勵磁裝置調節控制部分采用兩套整合有自動勵磁電壓調節和自動勵磁電流調節的調節器，兩套調節器之間相互跟蹤，以實現相互間的無擾動切換。調節部分的電源采用雙電源方式，能夠實現相互之間無間斷切換，且各調節器電源相互獨立、互不影響，以滿足穩定、可靠運行的需要。該P320型勵磁系統的控制和測量部分采用插件形式，在每個插件的面板上配置有輸入、輸出部分的參數測量點，調節、維護極為方便。勵磁系統的整流裝置由兩個完全相同的可控硅橋并聯而成，每組可控硅橋裝有6個型號為DCR3030V35型號的可控硅，分別裝設在2個盤柜中，并配有散熱風扇。在P320型勵磁裝置中，廠家共設置有4個CSM時間繼電器，其中繼電器K13、K23用來控制勵磁系統調節器的切換，繼電器K100、K101用來控制可控硅橋的切換。

圖3 P320型勵磁裝置可控硅橋切換控制圖

當勵磁系統的可控硅橋控制方式置于橋1時，則繼電器K70的11-12節點接通，可控硅橋1本身無故障時，繼電器K19的11-12節點接通，從而CSM時間繼電器K100的B1端接通，K100處于勵磁狀態。即可控硅橋1工作時，CSM繼電器100處于勵磁狀態。同樣當勵磁系統可控硅橋2工作時，CSM繼電器101處于勵磁狀態。勵磁系統調節器通道1和調節器通道2的運行方式也與之類似，即勵磁系統調節器通道1工作時，CSM時間繼電器K13處于勵磁狀態；即勵磁系統調節器通道2工作時，CSM時間繼電器K23也處于勵磁狀態。同時，我們對勵磁系統制定了運行策略，讓勵磁系統調節器的2個通道和2個可控硅橋均處于輪流運行的狀態。在奇數年勵磁系統調節器通道1和可控硅橋1運行，偶數年時勵磁系統調節器通道2和可控硅橋2運行。由上述分析我們可以知道，勵磁系統中CSM時間繼電器K13、K23、K100及K101實際處于常勵磁運行狀態的時間勵磁系統投運總時間的一半。

1.4 CSM時間繼電器的運行統計情況及分析

根據惠州蓄能水電廠的設備實際情況，法國ALSTOM公司在每臺機組保護中使用了5個CSM時間繼電器，其中2個工作在常勵磁狀態，另外3個工作在常失磁狀態；每臺主變壓器保護中使用了2個CSM時間繼電器，其中1個工作在常勵磁狀態，另外1個工作在常失磁狀態；每條電纜保護中使用了1個CSM時間繼電器，該繼電器一直工作在常勵磁狀態；每臺勵磁中使用了4個CSM時間繼電器，這4各繼電器均處于輪換勵磁工作的狀態。因此惠州蓄能水電廠共計有常勵磁工作CSM時間繼電器28個，常失磁狀態CSM時間繼電器32個，處于輪換常勵磁工作狀態CSM時間繼電器32個。根據惠州蓄能水電廠的歷年設備的運行情況，統計出最近幾年損壞的CSM時間繼電器情況，詳見表1。

表1 惠州蓄能水電廠近年CSM時間繼電器損壞情況一覽表

由上述統計可以看出，惠州蓄能水電廠自2011年全廠投運后，所使用的CSM電子式時間繼電器從2014年開始逐步出現損壞的報告。在第一次損壞時，該繼電器故障直接導致機組保護出口動作，但由于當時#3機組本身處于停機狀態，未造成其他后果，未引起重視，運維人員僅將該繼電器進行更換處理。當2015年再次出現CSM時間繼電器損壞時，由于#8機組正處于泵工況運行狀態，本次故障便導致#8機組跳機。當此次故障發生后，惠州蓄能水電廠高度重視，立刻采取措施，首先對故障的原因進行了詳細的分析，制定了完善的優化改造方案，并立即著手實施相關改造優化工作。于是從2016年開始，惠州蓄能水電廠檢修部門結合機組檢修期，對全廠所有涉及到CSM繼電器的相關回路進行了全面徹底的優化改進，將原相關常勵磁CSM時間繼電器的動作后果由原來的跳閘出口改為報警出口。這樣既保障了CSM時間繼電器故障后運行人員通過監控系統依舊能夠及時看到告警信號，及時通知檢修人員處理缺陷，但是也不會造成保護裝置出口跳閘，降低了設備運行風險。同時結合設備運行統計情況可以發現，即便在惠蓄電廠進行保護裝置回路優化改進后，相關設備仍然出現了5次由于CSM時間繼電器處于長期勵磁情況導致損壞的故障，其中有3次故障是在機組帶負荷運行的情況下發生?？梢钥闯?，惠州蓄能水電廠通過本次回路優化升級，大大優化了CSM時間繼電器動作后果邏輯，將跳閘出口改為報警信號，從而避免了設備在運行過程中由于保護裝置CSM時間繼電器故障后造成的機組誤跳閘風險，大大提高了設備的可靠性。但同時我們也可以看出，單純針對CSM時間繼電器回路的優化改進，并不能解決CSM時間繼電器本身損壞的問題。根據統計可以發現，CSM電子式時間繼電器工作在常勵磁方式時，大約經過4～6年時間的運行后，其工作可靠性出現明顯降低的情況，損壞概率急劇增加。而且可以發現，在惠州蓄能水電廠所使用的CSM時間繼電器中，所損壞的繼電器全部工作在常勵磁狀態下，而所有的常失磁狀態CSM繼電器均沒有損壞。即便是在勵磁系統中輪換工作的常勵磁狀態的CSM時間繼電器，其也未出現過損壞的報告。因此我們可以發現，CSM時間繼電器在常勵磁的工作條件下，其使用壽命將會大大下降。同時查看該繼電器說明書中并無關于電氣壽命的描述，僅有關于機械壽命的描述，機械壽命的廠家保證值為5百萬次，因此當前已損壞的CSM時間繼電器均遠未達到其機械壽命。上述所有的CSM時間繼電器均在按照要求每次定檢維護時進行了常規的試驗，測量繼電器的直阻、接觸電阻、動作時間等項目，確認繼電器在每次定檢時處于良好的狀態。同時，繼電器的工作環境良好，為地下廠房，廠房溫濕度基本保持恒定。將故障CSM時間繼電器進行解體檢查，拆開外殼檢查內部接線及元器件外觀情況，確認其電路板及元器件外觀狀態均處于良好狀態，并未發現明顯的故障痕跡，因此也無法通過對CSM時間繼電器檢查外觀來確認繼電器的狀況。

2 總結

根據上述分析，我們在使用CSM時間繼電器時，要結合其使用工作條件和使用壽命來進行管控，針對重點設備做好統計分析，做出更有針對性、更加有效的檢修策略。當CSM時間繼電器應用于保護裝置時，應當結合保護裝置3年、6年的部檢以及全檢時間及時將其更換。對于應用在其他系統的CSM時間繼電器，可以酌情結合設備定檢機會將其更換?；葜菪钅芩姀S檢修維護人員自2019年年中開始，更換了新的運維策略。對機組保護、主變保護以及發高壓電纜保護裝置中處于常勵磁狀態的CSM時間繼電器在每次保護裝置定檢時都進行更換。經過一輪檢修周期后，保護裝置中處于常勵磁狀態的CSM時間繼電器均更換完成。后續運行結果也非常良好，采用新的管控策略后的常勵磁狀態的CSM時間繼電器未再出現損壞的報告。對于惠蓄電廠勵磁系統中的CSM繼電器，結合勵磁系統每年定檢的周期，設定6年周期對其進行更換。采用該策略后，惠州蓄能水電廠勵磁系統中的CSM時間繼電器工作狀態良好，未出現損壞的報告。同時，這些情況也提示我們在設計繼電器的動作回路時，應當根據設備的重要程度考慮是否使用常開節點還是常閉節點進行設置出口。當設備重要度極高，后果非常嚴重時，我們需要考慮使用常閉節點保障設備安全。當設備的重要度下降，需要優先考慮誤動風險時，我們需要優先考慮常開節點出口，以降低設備誤動的幾率。底解決工作中的問題。

圖4 故障繼電器的內部結構圖