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  • 頭條斷路器故障引起的高抗匝間保護(hù)跳閘原因分析
    2021-11-16 作者:劉歡慶 南東亮 等  |  來(lái)源:《電氣技術(shù)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)針對(duì)一起變電站高抗斷路器跳閘案例,國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院、新疆送變電有限公司、南京國(guó)電南思科技發(fā)展股份有限公司的研究人員劉歡慶、南東亮、王龍龍、湯小兵、張路,在2020年第10期《電氣技術(shù)》雜志上撰文,從一次設(shè)備、二次設(shè)備和保護(hù)原理3個(gè)方面查找原因,發(fā)現(xiàn)由于檢修期間對(duì)高抗斷路器頻繁開(kāi)合再加之設(shè)備投運(yùn)年限長(zhǎng),引起斷路器彈簧疲軟,導(dǎo)致高抗零序阻抗匝間保護(hù)跳閘。通過(guò)調(diào)節(jié)斷路器的彈簧壓縮量,以滿(mǎn)足斷路器開(kāi)關(guān)特性要求,為現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)老舊設(shè)備的運(yùn)維管理、同類(lèi)故障的分析及處理提供參考,避免此類(lèi)事件發(fā)生,從而保證正常送電。

    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。

    斷路器故障引起的高抗匝間保護(hù)跳閘原因分析

    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。

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    圖2 匝間短路零序電路圖

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    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。

    斷路器故障引起的高抗匝間保護(hù)跳閘原因分析

    表1 斷路器機(jī)械動(dòng)作特性數(shù)據(jù)

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    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。

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    表3 檢修斷路器時(shí)的機(jī)械動(dòng)作特性

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    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。

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    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。

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    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。

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    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)。

    斷路器故障引起的高抗匝間保護(hù)跳閘原因分析

    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。

    斷路器故障引起的高抗匝間保護(hù)跳閘原因分析

    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。

    斷路器故障引起的高抗匝間保護(hù)跳閘原因分析

    表6 分、合閘電磁鐵動(dòng)作電壓

    斷路器故障引起的高抗匝間保護(hù)跳閘原因分析

    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。

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