500 kV隔离开关控制接触器频繁故障的原因分析及反事故措施

2012-08-09邓光武宋述波王超林庆标莫文斌

电力建设 2012年2期

邓光武，宋述波，王超，林庆标，莫文斌

(中国南方电网超高压输电公司广州局，广州市，510405)

0 引言

完善的二次控制回路可以实现对高压隔离开关在远方或就地、带联锁或不带联锁、单相或三相等方式下灵活操作，是自动化变电站的重要组成部分［1］。实际运行中二次控制回路并不十分可靠，文献［2-5］就控制回路出现的常见问题进行了统计和分析，并提出了改进措施，但隔离开关控制回路因受现场电磁干扰的影响而频繁故障的案例未见提及和分析。本文就穗东换流站500 kV隔离开关二次控制回路接触器频繁故障的原因进行查找分析，同时提出针对性的改进措施。

1 接触器故障概况

穗东换流站500 kV隔离开关及接地刀闸采用相同的二次控制回路，其单相控制原理如图1所示。图中SA1为远方/就地切换把手;SB1、SB2为手动按钮;KM1、KM2为控制接触器;SP1、SP2为刀闸限位开关;KT为热继电器;SP5、SP6为手动闭锁接点;QF1为交流真空开关。该二次控制回路实现了远方、就地带连锁、就地解联锁的电动操作，具备手动/电动联锁、自保持、自动停止、电机过流保护等功能，能满足现场控制要求。

穗东换流站500 kV隔离开关和接地刀闸2009年5月投运。在随后运行操作中，先后出现近百次由于控制接触器(图1中KM1或KM2)故障引起的隔离开关(接地刀闸)远方及就地均无法电动操作的设备故障。检查发现:操作命令发出后，控制接触器线圈两端有直流电压，但线圈不励磁;测量线圈的直流电阻均较大(大于30 MΩ)，部分还出现线圈绝缘降低现象，检查线圈内部漆包线发现有断裂现象，断裂点两端有灼热痕迹。KM1、KM2为国产3TB4117型接触器，且经过其他工程运行检验，未出现大面积损坏的问题。初步怀疑该批次接触器存在质量问题，同时安装调试期间正处于广东地区的雷雨季节，部分线圈受潮可能引起性能下降。

图1 隔离开关单相控制原理Fig.1 Single-phase control circuit of disconnecter

2010年2月采用国外LS公司GMD-12型接触器对穗东站所有隔离开关及接地刀闸控制回路中原有接触器进行了更换，分合试验无异常。同时对控制箱的密封性和加热除湿回路进行了检查，确保接触器线圈不再受潮。但在随后的运行中大批出现隔离开关(接地刀闸)均无法电动分合的现象，经检查也均为接触器线圈开路。

2 接触器故障原因分析

为查找接触器故障的原因，生产厂家在试验室中外加直流电源对隔离开关进行了3 000次电动分合闸试验，以检测控制接触器的质量，试验中未出现任何异常。试验室中试验与现场的主要区别在于控制回路未外接大量的控制电缆芯线。由此可见，控制接触器出现大批量损坏主要原因并不在于其自身质量，可能与现场使用工况有关，故障原因可能为受到外界干扰源的影响所致。

2.1 操作过程中的波形监视

为监测控制接触器在现场受到的干扰，在不同安装地点的多个隔离刀闸操作过程中，用数字示波器监视接触器线圈两端电压和流经线圈电流的波形，电压和电流整体上波形基本相同，如图2所示。

图2 操作过程中线圈电压和电流波形Fig.2 Voltage and current waveforms of control contactor coil during operation

由图2可以看出，操作开始(线圈励磁瞬间)以及整个操作过程中(线圈一直励磁)电流、电压均无异常，线圈两端电压在230 V左右，流经线圈的电流在45 mA左右，均在接触器额定值以内，不会对接触器构成危害。但在刀闸操作到位后(线圈励磁返回瞬间)，线圈两端电压出现了幅值较高的尖峰，电压的最大值达到其额定电压的2～3倍。流经线圈的电流未出现尖峰。线圈的损坏可能和其受到的暂态冲击有直接关系。

2.2 控制接触器的等值电路

控制接触器及其所连外回路等效电路如图3所示，其中L、r、C分别是接触器线圈的电感、内阻、杂散电容。U0、L0、C0、R0分别是控制电路的电源、导线分布电感、分布电容和电阻。K为线圈励磁的控制接点［6-7］。

图3 控制接触器等效电路Fig.3 Equivalent circuit of control contactor

对于控制电路来说，接触器线圈是一种电感性负载，当通过控制接点突然断开时，线圈通过杂散电容构成振荡回路，其频率由电感和寄生电容决定。

对于安装在现场的控制接触器，同一型号控制接触器线圈的电感、内阻数值较稳定，因与线圈相连的电缆长短不同及所处环境各异，其等效电路中的杂散电容离散性较大。在控制接触器励磁返回瞬间，因回路参数的不同，在不同地点检测到的线圈两端电压和流经线圈的电流波形也就存在较大差异。

2.3 线圈失磁瞬间暂态波形比较

为深入分析控制接触器失磁瞬间线圈两端的电压暂态特性，将同一隔离开关在不同操作方式下的暂态波形进行对比，同时还将安装在不同地点隔离开关操作时波形进行比较，发现波形有如下特点:

(1)同一隔离开关就地三相电动和远方操作(远方只能三相操作)时的暂态波形基本相同;同一操作方式下的多次操作，其暂态波形基本相同。

(2)同一隔离开关远方(或就地三相电动)操作时的暂态波形和就地单相电动操作时的波形振荡幅值区别较大，三相操作时的振幅要大，如图4所示。

(3)不同隔离开关同在现场三相电动(或远方操作)时的暂态波形的幅值和频率均有较大区别，图5列出了3个不同地点隔离开关同在远方操作时的暂态电压波形。

通过分析可知，同一隔离开关三相操作与单相电动操作时与控制接触器相连的外回路不相同;不同隔离开关因其安装地点的不同，与控制接触器线圈相连的控制电缆长短和辐射路径不同，这些都将引起对地杂散电容的不同，暂态波形也就存在差异。

图5 远方操作时不同隔离刀闸暂态波形Fig.5 Transient waveforms during remote operation of different disconnector

3 反事故措施

在线圈两端加装消弧电路，控制电感线圈在励磁返回时其两端的电压和流经线圈的电流在允许范围内，将能有效保护控制接触器［8］。《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》中明确要求“直流电压在110 V及以上的中间继电器一般应有符合要求的消弧回路”。

消弧电路有以下几种［9-10］:(1)在线圈两端并接单一电阻或二极管;(2)在线圈两端并接稳压二极管或压敏电阻;(3)在线圈两端并接电阻加二极管;(4)在线圈两端并接RC支路;(5)以上消弧措施的组合。

为可靠起见，现场对如图6所示的2种消弧回路的效果进行了对比试验。图中KM为接触器线圈。

图6 消弧回路原理Fig.6 Arc suppression circuit

对比试验结果表明:

(1)消弧回路1安装在不同隔离开关的控制回路，测试不同操作方式下暂态波形不尽相同，图7～8列出了安装在不同回路、相同操作方式下的暂态波形。安装消弧回路1对部分回路能改善暂态过程，对部分回路却进一步恶化暂态过程，出现震荡加剧或峰值比安装前更高的尖峰。原因可能为储能元件C的引入，改变了原回路的分布电容参数，引起暂态波形的改变。