一種10kV補償電容器組斷路器非全相分閘監測系統

張均蔚

一種10kV補償電容器組斷路器非全相分閘監測系統

張均蔚

（廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528300）

電力系統中的10kV補償電容器組斷路器分合次數過多，故障層出不窮。由于10kV補償電容器組斷路器非全相分閘故障十分復雜，目前還無法對其進行有效判斷。鑒于此，本文研制一種10kV補償電容器組斷路器非全相分閘監測系統，通過對該類型斷路器三相均分閘、一相未分閘、兩相未分閘、三相均合閘時的電容器組母線電壓、三相中任一相電流及中性點電流的邏輯值進行分析，根據接入邏輯電路的帶電顯示器提示燈顯示情況來判斷斷路器非全相分閘的類型。在110kV延年站51C電容器組斷路器試運行時驗證了該監測系統有效可行，可幫助工作人員根據帶電顯示器顯示情況更快速地確定斷路器分閘類型并采取相應措施排除故障，避免因在設備缺陷時采取不正確操作方法造成事故，保證電力系統安全運行。

10kV補償電容器；斷路器；監測；非全相分閘

0 引言

早期電力系統中斷路器成本較低，相對于其他大型設備，斷路器故障引起的非計劃停電故障損失較少，因而不被重視。進入經濟高速發展的21世紀后，各個領域的用電負荷激增，斷路器故障率也越來越高，造成電力系統損失增大，因此斷路器的故障研究日趨重要[1-2]。

真空斷路器因其體積小、重量輕、滅弧性能好等特點被廣泛應用于10kV系統中，在變電站內主要作為主變壓器變低、站用變壓器、10kV出線、10kV補償電容器組等用來切斷或閉合高壓電路的斷路 器[3]。真空斷路器使用覆蓋率高，在運行中會出現很多問題，特別是10kV補償電容器組斷路器，每天動作次數高達十次以上，發生機械故障的概率比其他斷路器高得多，其常見故障主要有斷路器無法合閘、斷路器分閘失靈、儲能機構故障、真空斷路器非全相分閘[4]。目前，前三種故障可通過斷路器分合過程的聲音、信號指示、儲能機構中電機的轉動、彈簧的位置等信息來判斷，但真空斷路器非全相分閘故障因三相回路的電壓和電流大小不同而十分復雜，至今還沒有完整、可靠的判斷方法[5-7]。通過查閱知網等平臺發現，有關電容器組斷路器非全相分閘故障監測系統的文獻和專利較少，其中常州供電公司馬琳研發了一種判斷工具，可以通過自動電壓控制（automatic voltage control, AVC）系統對采樣板故障、通道異常、電容器非全相運行等故障發出異常封鎖狀態告警，監控員查看告警窗口可發現電容器開關故障運行[8]；潮州供電局林漢填、黃德斌等認為雖然結線圖有標注線路的三相電流可供調度員監視斷路器非全相分閘現象，但在操作繁忙時可能會忽略，另外AVC系統自動控制電容時，靠結線圖有標注線路的三相電流也無法及時發現電容器組斷路器非全相分閘問題[9]。

針對上述問題，本文研究斷路器正常分閘、非全相分閘的區別，提出一種斷路器非全相分閘判斷方法并研制相應裝置，可自動判定斷路器非全相分閘情況并給出告警信息。

1 問題現狀

真空斷路器利用真空作為絕緣和滅弧介質，可有效阻斷電流的傳播。由于真空斷路器的觸頭長度極短，因此可以減少電弧的傳播時間，能夠迅速撲滅電弧，在戶內高壓開關柜或戶外10kV配電網中得到應用，應用場景較為廣泛[10]。

非全相分閘故障是指斷路器經過分閘操作后，由于機構故障，導致三相動靜觸頭中有一相及以上相無法分開的故障[11]。

根據佛山供電局某所2021年的數據統計，10kV電容器斷路器總數僅占該所10kV斷路器總數的11.82%，但缺陷數卻占80%以上。10kV電容器組斷路器平均每天動作次數為2.5次左右，而其余10kV斷路器正常情況下的動作次數一般每月不超過2次。兩者相比較可知，在相同的時間內，10kV電容器組斷路器動作次數為其余10kV斷路器的37.5倍。現行檢修模式未考慮電容器組斷路器運行的特殊性，將所有10kV斷路器同等對待，統一按6年的周期予以檢修，部分電容器組斷路器動作頻繁，元器件磨損老化，造成電容器組斷路器缺陷發生率較高的現狀。佛山供電局某所2021年共發現10kⅤ電容器組斷路器故障24項，其中：輔助元器件故障缺陷占比約38%，主要表現為輔助開關損壞，接地開關、底盤位置、儲能接點等不到位；線圈燒毀缺陷占比約29%；機構故障缺陷占比約21%，主要表現為真空泡絕緣拉桿固定螺釘松脫、緩沖器故障、機構主軸銷脫落等；二次回路故障缺陷占比約8%，主要表現為控制電源接線松動；本體故障缺陷占比約4%，主要表現為斷路器斷口間交流耐壓試驗不通過。10kV電容器組斷路器缺陷分類如圖1所示。

圖1 10kV電容器組斷路器缺陷分類

因此，研制一種10kV補償電容器組斷路器非全相分閘監測系統很有必要。

2 方案設計

2.1 10kV補償電容器組斷路器非全相分閘電壓、電流分析

10kV補償電容器組間隔電氣主接線如圖2所示，電容器正常運行時，A、B、C三相電容器和三相放電線圈均為星形聯結，中性點不接地，每相電容器均承受相與中性點之間的電壓，即相電壓，圖3為電容器正常運行時三相電壓的相量圖。

圖2 10kV補償電容器組間隔電氣主接線

圖3 電容器正常運行時三相電壓的相量圖

從圖2和圖3可以看出：

1）當斷路器三相均分閘時，A、B、C三相電壓均為0，三相電流和中性點電流均為0，電容器母線沒有電壓，帶電顯示器指示燈沒有顯示。

2）當斷路器有一相未分閘時，該相電壓通過放電線圈和電容器經中性點施加至其他兩相。假設斷路器A、B相分閘，C相未分閘，C相電壓通過C相電容器組母線經電容器及放電線圈至中性點，再由中性點經A、B相的電容器及放電線圈施加至A、B相母線，使三相母線與中性點間均有C相電壓，即每相與中性點之間的電壓為0，流過電容器的三相電流和中性點電流均為0，使電容器組三相母線均帶有C相電壓。由于帶電顯示器接于相與地之間，所以三相帶電顯示器顯示有電。

3）當斷路器有兩相未分閘時，假設只有A、B兩相合閘，而C相分閘，此時A、B兩相電壓施加于A、B兩相的電容器及所串聯的電抗器之間。

根據以上分析，若三相斷路器各種分閘情況下的電壓、電流用邏輯數值來表示，結果見表1。表中，1表示有電壓或電流，0表示沒有電壓或電流。

表1 斷路器各種分閘情況電壓、電流邏輯值

注：為電容器組母線電壓，A、B、C、N分別為A相、B相、C相、中性點電流。

簡化后的電壓、電流邏輯值見表2。

表2 簡化后的電壓、電流邏輯值

從表2可看出，當中性點電流存在時，表明存在兩相未分閘情況；當存在母線電壓且相電流全為0時，表明存在一相未分閘情況；當存在母線電壓且相電流全不為0時，表明存在三相均合閘情況。

2.2 電路元件的組成

1）利用開關柜電流互感器（CT）二次繼電保護回路中A、N相所接入的電流繼電器LA和LN的剩余觸點。CT二次繞組串接電流繼電器如圖4所示，當電流繼電器沒有電流通過時，其常閉觸點導通，即1與2導通，當電流繼電器有電流通過時，其常開觸點導通，即1與3導通。

圖4 CT二次繞組串接電流繼電器

2）從開關柜的帶電顯示器處并接光耦隔離繼電器U，當二極管帶電發光時，光敏三極管受光照產生光電流而導通，通過驅動電路驅動電流繼電器U動作。帶電顯示器并接PC817光耦隔離繼電器如圖5所示，當繼電器U沒有電流通過時，其常閉觸點導通，即1與2導通，當繼電器U有電流通過時，其常開觸點導通，即1與3導通。

圖5 帶電顯示器并接PC817光耦隔離繼電器

3）利用數字電路的非門、與門組成邏輯數字電路，使邏輯數字電路的輸入端連接電流繼電器或電壓繼電器的常開和常閉觸點，由常開和常閉觸點分別接通高電平（+5V）和低電平（地），使邏輯數字電路的輸出端連接至“三相均分閘”“一相未分閘”“兩相未分閘”“三相均合閘”對應的帶電顯示器上[17]。

圖6 非門電路符號

圖7 非門邏輯電路

圖8 與門電路符號

圖9 與門邏輯電路

電流繼電器或電壓繼電器常開和常閉觸點分別接通高電平（+5V）和低電平（地），如圖10所示。

圖10 繼電器常開和常閉觸點分別接通高電平和低電平

2.3 監測系統邏輯電路

根據上述對斷路器的三相均分閘、一相未分閘、兩相未分閘、三相均合閘的電容器組母線電壓和通過A相電流A、中性點電流N的分析，采用7400系列芯片設計如圖11所示的監測系統電路，4只顯示器L1、L2、L3、L4分別與監測電路的輸出端1、2、3、4連接，通過監測電路來實現顯示器L1、L2、L3、L4的顯示，以此判斷斷路器非全相分閘的類型。監測系統內部如圖12所示。

圖11 由7400系列芯片組成監測系統電路

圖12 監測系統內部

圖11的邏輯表達式為

1）在三相均分閘時，=0，1=1輸出為高電平，與1連接的對應顯示器L1有顯示，234都為0，輸出為低電平，與之連接的對應顯示器L2、L3、L4沒有顯示。

2）在一相未分閘時，=1，A=0，N=0，2=1輸出為高電平，與2連接的對應顯示器L2有顯示，134都為0，輸出為低電平，與之連接的對應顯示器L1、L3、L4沒有顯示。

3）在兩相未分閘時，=1，N=1，3=1輸出為高電平，與3連接的對應顯示器L3有顯示，124都為0，輸出為低電平，與之連接的對應顯示器L1、L2、L4沒有顯示。

4）在三相均合閘時，=1A=1，N=0，4=1輸出為高電平，與4連接的對應顯示器L4有顯示，123都為0，輸出為低電平，與之連接的對應顯示器L1、L2、L3沒有顯示。

通過上述邏輯電路可實現斷路器各種非全相分閘故障的顯示，從而判斷非全相分閘的類型，針對不同的類型采取不同的處理措施。

3 實際應用

本文研究的10kV補償電容器組斷路器非全相分閘監測系統自2021年以來在佛山供電局110kV延年變電站51C電容器組斷路器中試運行，應用場景如圖13所示。期間，系統發現代表“一相未分閘”的L2有顯示，經停電檢查，A相斷口間絕緣電阻為0，B、C兩相斷口間絕緣電阻為10 000MW，用萬用表測量A相斷口的電阻為0.1W，即A相處于導通狀態，B、C相斷開正常，進一步對斷路器的操動機構進行檢查，發現A相真空泡拉桿固定螺釘脫落如圖14所示，導致A相不能分閘，與系統顯示一致。由此可證，10kV補償電容器組斷路器非全相分閘監測系統有效可行。

圖13 110kV延年站應用場景

圖14 A相真空泡拉桿固定螺釘脫落

4 結論

鑒于真空斷路器非全相分閘故障的復雜性和隱蔽性，本文對10kV補償電容器組斷路器非全相分閘時的電壓、電流進行分析，使用7400系列芯片設計出一種10kV補償電容器組斷路器非全相分閘監測系統，并詳述了設計的技術原理和方案。系統在試運行過程中成功監測到110kV延年變電站51C電容器組斷路器的非全相分閘故障，證明此系統能夠適應實際運行需要，可以推廣至其他10kV配電網線路真空斷路器非全相分閘的故障監測中。

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勘誤聲明

本刊2022年第23卷第1期P21～P28刊登論文《基于電磁-機械順序耦合的變壓器直流擾動振動特性研究》，作者：劉建樹, 孫立濤, 徐鵬程，因作者單位名稱和項目號有誤，現將P21第4行作者單位：

吉林省電力有限公司四平供電公司

更正為：

國網吉林省電力有限公司四平供電公司

將P21頁腳項目編號：

國網吉林省電力有限公司科技項目（SGTYHT/20-JS-221）

更正為：

國網吉林省電力有限公司科技項目（SGJLSP00FZJS2100342）

特此更正。

《電氣技術》編輯部

2022年12月

A monitoring system for non-full-phase breaking of 10kV compensating capacitor bank circuit breakers

ZHANG Junwei

(Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd, Foshan, Guangdong 528300)

The circuit breakers of 10kV compensation capacitor banks have too many times of opening and closing, and faults emerge in endlessly. Due to the complexity of the open phase opening fault of 10kV compensation capacitor bank circuit breaker, it is still impossible to effectively judge it. In view of this, this paper develops a 10kV compensation capacitor bank circuit breaker non-full-phase opening monitoring system. By analyzing the logic values of capacitor bank bus voltage, any phase current and neutral point current when this type of circuit breaker is three-phase equally open, one phase is not open, two phases are not open, and three phases are closed, the type of non-full-phase opening of the circuit breaker is judged according to the display of the live display indicator connected to the logic circuit. During the trial operation of 51C capacitor bank circuit breaker in 110kV Yannian Station, the monitoring system is verified to be effective and feasible, which can help staff determine the opening type of the circuit breaker more quickly according to the live display and take corresponding measures to eliminate faults, thus avoiding accidents caused by incorrect operation methods when equipment defects occur and ensuring the safe operation of the power system.

10kV compensating capacitor; circuit breaker; monitoring; non-full-phase breaking

2022-10-08

2022-10-24

張均蔚（1989—），女，廣東省佛山市人，碩士，工程師，主要從事變電管理工作。