并聯(lián)電抗器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中，并且在改善輕載線路中的無(wú)功分布和沿線電壓分布、降低線損、減少潛供電流、加速潛供電流的熄滅、提高線路自動(dòng)重合閘的成功率方面發(fā)揮著重要的作用。

高壓斷路器是輸電系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備之一，它不僅需要切斷高壓電路中的空載電流和負(fù)載電流，當(dāng)線路發(fā)生故障產(chǎn)生短路電流時(shí)，更需要快速可靠地隔離故障位置，因此斷路器的可靠動(dòng)作直接影響著電網(wǎng)以及電力設(shè)備的穩(wěn)定和安全。調(diào)查顯示，由于高壓斷路器的機(jī)械故障而導(dǎo)致的電網(wǎng)事故占總事故的70%以上，其中操作機(jī)構(gòu)故障占43%左右，二次回路故障占29%左右。

統(tǒng)計(jì)表明，斷路器操作機(jī)構(gòu)失效的主要原因歸結(jié)于早期生產(chǎn)或者裝配過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷以及由于頻繁操作而產(chǎn)生的金屬疲勞。

本文結(jié)合一起斷路器異常引起高抗匝間零序阻抗保護(hù)跳閘的事件，從一、二次設(shè)備情況、保護(hù)原理3個(gè)方面分析了引起保護(hù)跳閘的原因。考慮到設(shè)備投運(yùn)年限，且斷路器在檢修期間開(kāi)合次數(shù)頻繁，引起斷路器彈簧疲軟，合閘過(guò)程中，B相合閘能量不足，速度偏低，時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)致B相電流滯后，引起高抗零序阻抗動(dòng)作。故障處理后，對(duì)投運(yùn)年限長(zhǎng)的設(shè)備就運(yùn)維管理、開(kāi)展精細(xì)化檢修工作以及斷路器的檢驗(yàn)提出了可行性的建議。

1 事故經(jīng)過(guò)

圖1所示為220kV變電站220kV母線為雙母帶旁路接線方式，母聯(lián)開(kāi)關(guān)處在運(yùn)行狀態(tài)，Ⅰ、Ⅱ母并列運(yùn)行。220kV變電站高抗斷路器跳閘事故經(jīng)過(guò)如下：2019年4月23日至4月26日，220kV變電站220kV高抗計(jì)劃停電檢修。

工作內(nèi)容為：220kV高抗22K1 A套保護(hù)裝置、測(cè)控裝置換型，三相不一致回路優(yōu)化整改，一次設(shè)備間隔預(yù)試。4月23日，一次設(shè)備預(yù)試工作結(jié)束，斷路器開(kāi)關(guān)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格。4月26日，工作完畢后，申請(qǐng)送電，送電過(guò)程中發(fā)生B套保護(hù)零序阻抗匝間保護(hù)動(dòng)作。

圖1 某220kV變電站主接線示意圖

2 原理介紹

2.1 電抗器的匝間保護(hù)原理

大型電抗器多采用分相式結(jié)構(gòu)，其主要故障為單相接地和匝間短路，其中當(dāng)短路匝數(shù)很小時(shí)，引起的三相電流不平衡有可能很小，很難被繼電保護(hù)裝置檢測(cè)出；另一方面不管短路匝數(shù)多大，其故障電流具有穿越性，因此縱差保護(hù)不反應(yīng)匝間短路故障。

據(jù)上述特點(diǎn)可知，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，要求匝間保護(hù)在高壓電抗器匝間故障時(shí)既要具有高的靈敏度，又能保證在外部故障以及任何非正常運(yùn)行工況下不誤動(dòng)。

匝間保護(hù)由電抗器的高壓零序電流、零序電壓組成零序阻抗繼電器，該站所用高抗零序阻抗保護(hù)通過(guò)計(jì)算零序電壓與零序電流的比值作為匝間短路的判斷依據(jù)。當(dāng)電抗器匝間短路時(shí)，其零序電路圖如圖2所示，零序電壓和零序電流之間的關(guān)系如圖3所示。由圖3（a）可知，端口所測(cè)到的阻抗即為系統(tǒng)的零序阻抗。

圖2 匝間短路零序電路圖

圖3 兩種狀態(tài)零序序網(wǎng)圖

當(dāng)電抗器內(nèi)部發(fā)生匝間短路時(shí)，零序電壓和零序電流有上述的關(guān)系。而當(dāng)在斷路器合閘和分閘的過(guò)程中，斷路器一相或者兩相斷開(kāi)，電抗器便處于分相運(yùn)行狀態(tài)，其零序序網(wǎng)圖如圖3（b）所示，對(duì)比圖3（a）和圖3（b），零序電壓的位置不一樣，但零序電壓也是靠近電抗器一側(cè)，因此同樣也可以列出和上述相同的電壓電流的關(guān)系式，零序功率方向保護(hù)也可以動(dòng)作。

2.2 斷路器工作原理

常見(jiàn)的高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)有電磁操作機(jī)構(gòu)、彈簧操作機(jī)構(gòu)以及液壓操作機(jī)構(gòu)。此站斷路器操作機(jī)構(gòu)是彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其核心部件是分、合閘彈簧，為斷路器的分、合閘運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力，其性能關(guān)系到斷路器分、合閘動(dòng)作的可靠性。

此站所選用斷路器的滅弧室采用自能式滅弧原理，開(kāi)斷故障電流時(shí)，利用電弧自身的能量使氣缸內(nèi)氣體的壓力升高，當(dāng)電流過(guò)零時(shí)在噴口上游區(qū)形成強(qiáng)烈的雙向氣吹從而熄滅電弧，實(shí)現(xiàn)斷路器的成功開(kāi)斷，從而減小了操作機(jī)構(gòu)的操作功。

斷路器合閘操作結(jié)束時(shí)，由限位開(kāi)關(guān)將儲(chǔ)能電機(jī)接通，儲(chǔ)能電機(jī)帶動(dòng)棘爪推動(dòng)棘輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)拉桿將合閘彈簧壓縮儲(chǔ)能。在合閘彈簧力的作用下，合閘脫扣器將棘輪上的合閘止位銷(xiāo)鎖住，使操作機(jī)構(gòu)保持在合閘儲(chǔ)能狀態(tài)。

合閘操作時(shí)，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)處于分閘位置且合閘彈簧已儲(chǔ)能。當(dāng)合閘電磁鐵受電動(dòng)作后，合閘脫扣器釋放棘輪上的合閘止位銷(xiāo)，從而在合閘彈簧的作用下，棘輪通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪又推動(dòng)主拐臂上的磙子，再帶動(dòng)主拐臂旋轉(zhuǎn)，主拐臂通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)傳動(dòng)拐臂旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)拐臂通過(guò)拉桿將斷路器本體合閘并對(duì)分閘彈簧儲(chǔ)能。

當(dāng)斷路器合閘到位后，分閘脫扣器又將主拐臂上的分閘止位銷(xiāo)鎖住，保持?jǐn)嗦菲鞅倔w在合閘位置和分閘彈簧在壓縮儲(chǔ)能狀態(tài)，為下一次分閘準(zhǔn)備。

分閘操作過(guò)程，彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)處于合閘位置并且分閘彈簧被壓縮儲(chǔ)能時(shí)，當(dāng)分閘電磁鐵受電動(dòng)作后，分閘脫扣器釋放主拐臂的分閘止位銷(xiāo)，從而在分閘彈簧的作用下，傳動(dòng)拐臂通過(guò)拉桿帶動(dòng)傳動(dòng)拐臂轉(zhuǎn)動(dòng)，將斷路器本體分閘，并將其保持在分閘位置。

3 事故原因分析

為了查找零序保護(hù)動(dòng)作原因，本文將從一次設(shè)備和二次設(shè)備2方面尋找問(wèn)題所在。

3.1 檢查一次設(shè)備

檢查22K1斷路器設(shè)備情況并進(jìn)行一次設(shè)備的特性試驗(yàn)，對(duì)220kV高抗22K1斷路器手動(dòng)分合3次，發(fā)現(xiàn)其分合均正常、機(jī)構(gòu)無(wú)卡澀現(xiàn)象。

對(duì)220kV高抗22K1斷路器進(jìn)行3次斷路器開(kāi)關(guān)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1和表2。

根據(jù)596預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程要求，操作機(jī)構(gòu)分、合閘電磁鐵最低動(dòng)作電壓應(yīng)在操作電壓額定值的30%～65%之間，由表2數(shù)據(jù)可知，電磁鐵動(dòng)作電壓符合要求，而表1中斷路器B相較A相、C相延時(shí)合閘（第一次不同期值33.04ms、第二次不同期值40.35ms、第三次不同期值34.78ms），3次試驗(yàn)均不滿(mǎn)足合閘同期小于5ms的要求。

表1 斷路器機(jī)械動(dòng)作特性數(shù)據(jù)

表2 分、合閘電磁鐵動(dòng)作電壓

查看4月23日檢修情況，檢修人員對(duì)220kV高抗間隔設(shè)備進(jìn)行預(yù)試、一次設(shè)備檢查、精益化消缺工作。檢修人員對(duì)220kV高抗22K1斷路器進(jìn)行檢查，手動(dòng)分合3次正常后，進(jìn)行開(kāi)關(guān)特性試驗(yàn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和表4。

表3 檢修斷路器時(shí)的機(jī)械動(dòng)作特性

表4 檢修時(shí)分、合閘電磁鐵動(dòng)作電壓

由表3和表4可知，檢修期間斷路器的開(kāi)關(guān)特性滿(mǎn)足要求。

3.2 檢查二次設(shè)備

220kV變電站配置兩套保護(hù)，高抗斷路器送電過(guò)程中，B套保護(hù)零序阻抗匝間保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)斷路器，A套保護(hù)斷路器起動(dòng)，沒(méi)有動(dòng)作。檢查二次設(shè)備情況，獲取到的兩套保護(hù)裝置報(bào)文信息見(jiàn)表5。

表5 兩套保護(hù)裝置報(bào)文信息對(duì)比

查看A、B套保護(hù)故障錄波波形如圖4所示。由圖4可知，在送電瞬間，兩套保護(hù)都反映出B相電流滯后A相、C相33ms，在B套零序阻抗保護(hù)動(dòng)作后，電流消失。

圖4 兩套保護(hù)故障錄波波形

3.3 對(duì)比分析

1）A套高抗保護(hù)

由圖4（a）可知，當(dāng)合斷路器瞬間，三相電流不同步，B相電流相對(duì)A相、C相延遲約30ms，B相有流時(shí)刻，三相零序電壓約為0.428V，高端三相自產(chǎn)電流約為1.535A。圖5所示為A套匝間保護(hù)邏輯圖，起動(dòng)元件動(dòng)作，同時(shí)A套高抗投運(yùn)過(guò)程中判斷出，出現(xiàn)非全相工況，且高抗本身無(wú)明顯故障特征，為保證匝間保護(hù)不誤動(dòng)，A套保護(hù)增強(qiáng)了匝間保護(hù)閉鎖能力，所以其匝間保護(hù)未動(dòng)作。

圖5 A套匝間保護(hù)邏輯圖

2）B套保護(hù)

圖6所示為B套匝間保護(hù)的邏輯圖，B套保護(hù)的匝間保護(hù)按躲過(guò)正常工況下由于三相電壓不平衡引起的零序電壓及三相TA不一致引起的零序電流進(jìn)行整定。為確保匝間保護(hù)的靈敏度，零序監(jiān)控電流整定值較小。另外，B套保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，為防止勵(lì)磁涌流使匝間保護(hù)誤動(dòng)，在電抗器空投時(shí)匝間保護(hù)零序監(jiān)控電流采用反時(shí)限特性的定值[14]。并且當(dāng)電抗器發(fā)生TA斷線及TV斷線時(shí)，都閉鎖匝間保護(hù)。

圖6 B套匝間保護(hù)邏輯圖

結(jié)合圖4和圖6可知，當(dāng)合斷路器瞬間，由于B相斷路器延遲30ms左右合閘，此時(shí)裝置采集到的三相零序電壓為0.234V，高端三相自產(chǎn)電流為1.362A，低端三相自產(chǎn)電流為1.340A，得到零序阻抗Z0=0.073◆j0.158Ω，匝間保護(hù)的整定值為27.105◆，在區(qū)內(nèi)，零序阻抗動(dòng)作，同時(shí)高端反時(shí)限零序過(guò)流、低端零序監(jiān)控電流均動(dòng)作，并且無(wú)TA斷線、TV斷線，滿(mǎn)足保護(hù)跳閘條件，故零序匝間保護(hù)動(dòng)作。

綜上所述，對(duì)比兩套保護(hù)的動(dòng)作信息，結(jié)合第2節(jié)分析可知，高抗本身無(wú)明顯故障特征，引起匝間保護(hù)動(dòng)作的原因可能是斷路器合閘過(guò)程未合閘成功，使其處于分相運(yùn)行。

根據(jù)斷路器試驗(yàn)數(shù)據(jù)及調(diào)試分析，考慮斷路器的運(yùn)行年限，初步得出結(jié)論：該斷路器投運(yùn)年限較長(zhǎng)（12年），B相合閘彈簧長(zhǎng)期處于壓縮狀態(tài)，且當(dāng)天該B相斷路器分合次數(shù)達(dá)10余次，引起該彈簧疲勞，在合閘過(guò)程中，合閘能量不足，合閘速度偏低，合閘時(shí)間增加，斷路器三相合閘不同期為32ms（不滿(mǎn)足小于5ms的要求），產(chǎn)生零序電流，導(dǎo)致220kV高抗22K1斷路器跳閘。

4 故障處理

由于斷路器合閘過(guò)程中合閘彈簧能量一部分驅(qū)動(dòng)主拐臂使斷路器合閘，一部分對(duì)分閘彈簧進(jìn)行儲(chǔ)能，因此根據(jù)能量守恒定律，通過(guò)減小分閘彈簧儲(chǔ)能來(lái)增加合閘能量。現(xiàn)場(chǎng)檢修人員對(duì)高抗22K1斷路器B相分閘彈簧壓縮量進(jìn)行調(diào)整，如圖7所示。

圖7 斷路器調(diào)整位置

經(jīng)調(diào)整后，再次對(duì)斷路器分合閘動(dòng)作電壓和三相同期進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表6和表7。

表6 分、合閘電磁鐵動(dòng)作電壓

表7 機(jī)械動(dòng)作特性

對(duì)比表2和表6可知，B相電壓調(diào)試前合閘90V，調(diào)試后合閘95V，調(diào)試前分閘1為111V，調(diào)試后分閘1為110V，調(diào)試前后分閘2無(wú)變化。對(duì)比表1和表7可知，調(diào)試后三相不同期時(shí)間大幅度減小為1.9ms，小于5ms，符合規(guī)程要求。送電后，各相電壓電流正常。

5 結(jié)論

本文結(jié)合一起跳閘故障，分析了引起高抗零序阻抗保護(hù)動(dòng)作的原因，對(duì)于投運(yùn)年限長(zhǎng)的設(shè)備，為維持設(shè)備的正常運(yùn)行，應(yīng)采取如下積極的防范措施：

1）對(duì)于投運(yùn)年限長(zhǎng)的斷路器，加大巡查，采取有效的措施，開(kāi)展彈簧彈性疲勞檢測(cè)工作或者逐步進(jìn)行更換。

2）落實(shí)變電精細(xì)化的管控要求，開(kāi)展斷路器分合閘速度、分合閘時(shí)間的數(shù)據(jù)比對(duì)分析工作，做好試驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖形的保存，通過(guò)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性變化，分析判斷設(shè)備存在的潛在性問(wèn)題。

3）一次檢修與二次檢修工作需配合起來(lái)，明確檢修流程，在二次傳動(dòng)工作完成后，必須對(duì)斷路器再次進(jìn)行機(jī)械特性試驗(yàn)（首先最低動(dòng)作電壓試驗(yàn)，之后分合閘時(shí)間、速度特性試驗(yàn)），確保送電過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)異常情況。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“斷路器故障引起高抗匝間保護(hù)跳閘原因分析”，作者為劉歡慶、南東亮 等。