断路器本体三相不一致保护误动原因探析

2021-10-27桑嘉荠

电气技术与经济 2021年5期

桑嘉荠

（国网宁夏石嘴山市供电公司）

0 引言

目前，220kV及以上电压级的分相式运行机构主要在电网中运行。若断路器有三相、不一致动作及相缺陷操作，则系统中负序及零序部分会对初级设备产生不利影响，造成次级设备故障。对于三相，为了防止受电弓运行时动作不一致，在受电弓内部增加一个三相不一致的电路，以便控制三相电路的三相开度，而在实际运行中，由于受电弓运行状态不一致，受电弓的保护不一致，在不同的情况下，电源开关会出现很多故障。分析了断路器三相不一致保护故障，无锡供电局、珠海供电局认为三相不一致保护故障，是因继电错误引起。国网吉北电力有限公司、佛山供电局提出，从优化二次协调的角度出发，应调整维护周期，以防止三相不一致保护故障。对上述措施的研究与分析主要集中在研究中提出的二次电路优化系统存在缺陷，即装置不能防故障、自维护，不能立即达到保护信号，也不能防止合闸线圈长期烧损。

1 断路器本体三相不一致保护原理

断路器是指在正常的开关状态下，能够产生、输送和中断电流，并且能够在规定的时间内产生、输送和停止电流的开关。根据使用范围的不同，断路器分为高、低压。但高低压极限的区别是相当模糊的，因此通常称3kV以上的为高压电器设备。

实用新型断路器可用于分配电能，启动极少异步发动机，保护电源线和发动机，在过载、短路、欠压等严重干扰情况下，自动切换电路，在现有断电情况下无需更换元件。目前，已获得了广泛的应用。

断路器三相不一致保护的原理如图1所示［1］。三相辅助电路开关的常开触点是QF1A、QF1B、QF1C。常开触点与常闭触点先并联后再与三相辅助开关QF1A、QF1B、QF1C进行串接。当断路器的三相分接点与合闸状态出现差异时，至少有一个相位辅助开关在此时处于常闭触点的并联支路、常开触点的并联支路处于闭合状态，连接支路的是两个支路的连接，时间继电器K7在设定了K7恒功率之后，K7常闭常开触点K7-1、继电器Q7合闸，控制常开触点Q7-1、Q7-2、Q7-3合闸，开关接收三相指令。

图1 三相不一致保护回路示意图

另外，有些断路器共享输出继电器，采用了远程手动分配、本地手动分配和不一致保护，见图2。

图2 三相不一致保护与手分回路共用出口继电器示意图

2 误动典型故障原因分析

2.1 继电器质量缺陷

2.1.1 继电器回路间击穿

2011～2018年间，5个省份出现了5例三相不一致的GL系列保护误动。失败是由于继电器电路的损坏。就500kV变电站中550kV开关而言，经下列检查确定：A1和15个接线柱之间的三相不一致继电器（编号KO7），导致相线不完整，使断路器偷跳。图3中显示的是继电器的内部击穿图，图4中显示了误差循环控制图。

图3 故障继电器内部击穿图

图4 继电器故障回路示意图

通过分析发现，K07击穿故障是由于A1端子的连接器固定截面存在的设计风险所导致的，见图5圆形框架。

图5 继电器PCB电路板

该固定横担可能带来如下问题：

1）固定横担与PCB完全接触是困难的。固体十字板与PCB板之间有空隙，极易积尘积湿，积尘积湿（潮气）不易自行散开。使得PCB电路板和固定横担的接触面的绝缘能力大大下降，对15端子和A1端子的绝缘能力也造成了直接影响，使其发生退化。在电场影响下，电腐蚀问题在接触面就会逐渐显现出来，同时还会发生贯穿性击穿问题［2］。

2）固定横担的绝缘强度较低，其表面的螺丝和防潮性能差，会造成污染和受潮，从而降低A1与15线夹之间的绝缘度。

3）在焊接过程中，固体横担的挤压会造成PCB正面的焊锡外溢起毛，使得电场局部发生畸变，PCB电路板的绝缘水平也随之降低。

2.1.2 时间继电器延时回路故障

一台500kV变电站中的252kV断路器跳闸，经检查故障是由于时间继电器延迟回路损坏造成的，若三相开关继电器损坏，实际开机时间为20ms，则继电器损坏后抗EMI性能下降。由于受EMI影响，交叉电路中的继电器结点被破坏，导致三相保护功能不一致。

2.2 继电器受潮

通过对一例500kV变电站550kV断路器的故障分析，发现故障原因如下：开关缺相循环K35第二组插

头之间发现氧化铜绿，绝缘下降击穿导通，启动第二组全相输出继电器，三相断路器无故障跳变。

2.3 二次线缆破损或老化

在2016～2018年间，某省发生了4起由保护三相不一致回路导致继电器受潮误动事故。结合一个220kV变电站252kV断路器跳闸的实例，通过下列检查，找出了故障的原因：三相位置不一致，继电回路中电缆安装质量不合格，造成电缆损坏。与此同时，吊箱防水防潮性能较差，在图6所示的电缆破损部位，产生了很重的铜锈。故障发生前，该地区下过雨，机构箱内的水被湿气严重影响，机构箱内进水受潮严重，以及生锈部件的支架被损坏，导致继电器电路的导电三相位置不一致，如图7所示，最终导致电源开关三相启动。最终引起断路器三相跳闸。

图6 二次线缆破损并产生铜锈

图7 三相不一致保护异常导通示意图

3 断路器本体三相不一致保护改进措施

由于保护体的三相保护环不一致，在跳动后很长时间内，在跳动之前发出相应的继电器的触发信号也会消失，造成误操作后不能及时准确地找到原因。

改进措施如下：

1）在断路器设备的采购阶段，应选择性能良好、制造经验成熟的继电系统的制造商。不应选择高故障率继电器，推荐使用电磁继电器，以免在操作过程中出现故障。

2）在断路器调试阶段，电路绝缘电阻不小于10MQ，采用2500V兆欧表测量。检查继电器的电压、电流和时间特性，确保其各项参数符合工艺要求。

3）断路器竣工验收后，验收单位应控制继电器的工作环境。为了检查继电器端子的密度，必须将接线盒的螺栓孔，电缆孔和其他部位堵住。

4）在断路器的操作和维修阶段，操作和维修组应确保继电器操作终端的加温和除湿装置工作可靠。必要时，可根据需要安装一个抽湿型除湿机。

5）操作和维修设备的单位应与维修开关断路器相结合，对相对隔离电阻、运行电压、运行时间和其他参数进行定期测试。保证二次回路的绝缘电阻没有明显下降（与交流值比较），电源电压在55%～70%额定直流电压范围内，时序延时特性满足调整要求。

断路器三相不一致二次电流优化的原则是：断路器的常闭辅助触点与三相不一致断路器的输出触点和正电源电路之间串联，只有三相不一致的保护功能设于板外（三相不一致时继电器和输出继电器电路回路共用）；输出继电器具有自我保持功能。

图8显示了三相不一致的保护环优化原理图。K7是三相时间不一致的继电器，Q7是三相不一致的输出继电器，LP是三相不一致的压板，S1是复位键。其中，Q7输出继电器与常开Q7-4组成一个独立电路，在三相保护不一致时，具有自我约束功能。

图8 三相不一致保护回路示意图（优化后）

图9显示了三相不一致保护和手动支路环的优化示意图。K7是三相不一致时间继电器，Q7是三相不一致输出继电器，M是新增加的不一致输出继电器。

图9 三相不一致保护与手分回路共用出口继电器示意图（优化后）

4 注意事项

从故障案例中可以看出，设定以上两种保护装置的理由是：发电机组有人运行，电网联接与分接是从站操作，电工和维护人员必须在现场，三相不一致的保护人体在超低负荷时，由于装置缺相运行的机理，导致断路器三相不一致，断路器不能动作，系统零序和负序电流小，对发电机的损坏较小，不会引起下一线路的零序保护，微机三相不一致的保护一直在运行，如果电流大到危及系统安全，可启动防故障隔离开关，这就是为什么在这种情况下，当电源开关三相不一致时，允许现场服务人员紧急处理电源开关，而不允许发电机超低负荷运行，不能低于低压。在使用过程中，可采用三相微机不一致保护，使主体退出三相不一致保护，避免不必要的误操作。

以该故障保护为例，断路器故障保护电流元件最小值为0.1A，所以在初期并网、断路器电流低于0.1A时，断路器故障保护也不能启动，本体三相不一致保护也没有必要启动故障保护。