并聯(lián)電抗器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易維護的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中，并且在改善輕載線路中的無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載電流，當線路發(fā)生故障產(chǎn)生短路電流時，更需要快速可靠地隔離故障位置，因此斷路器的可靠動作直接影響著電網(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械故障而導致的電網(wǎng)事故占總事故的70%以上，其中操作機構(gòu)故障占43%左右，二次回路故障占29%左右。

統(tǒng)計表明，斷路器操作機構(gòu)失效的主要原因歸結(jié)于早期生產(chǎn)或者裝配過程中產(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跳閘的事件，從一、二次設(shè)備情況、保護原理3個方面分析了引起保護跳閘的原因。考慮到設(shè)備投運年限，且斷路器在檢修期間開合次數(shù)頻繁，引起斷路器彈簧疲軟，合閘過程中，B相合閘能量不足，速度偏低，時間加長，導致B相電流滯后，引起高抗零序阻抗動作。故障處理后，對投運年限長的設(shè)備就運維管理、開展精細化檢修工作以及斷路器的檢驗提出了可行性的建議。

1 事故經(jīng)過

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)開關(guān)處在運行狀態(tài)，Ⅰ、Ⅱ母并列運行。220kV變電站高抗斷路器跳閘事故經(jīng)過如下：2019年4月23日至4月26日，220kV變電站220kV高抗計劃停電檢修。

工作內(nèi)容為：220kV高抗22K1 A套保護裝置、測控裝置換型，三相不一致回路優(yōu)化整改，一次設(shè)備間隔預試。4月23日，一次設(shè)備預試工作結(jié)束，斷路器開關(guān)特性試驗數(shù)據(jù)合格。4月26日，工作完畢后，申請送電，送電過程中發(fā)生B套保護零序阻抗匝間保護動作。

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，其中當短路匝數(shù)很小時，引起的三相電流不平衡有可能很小，很難被繼電保護裝置檢測出；另一方面不管短路匝數(shù)多大，其故障電流具有穿越性，因此縱差保護不反應(yīng)匝間短路故障。

據(jù)上述特點可知，在實際運行過程中，要求匝間保護在高壓電抗器匝間故障時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行工況下不誤動。

匝間保護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通過計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)。當電抗器匝間短路時，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

當電抗器內(nèi)部發(fā)生匝間短路時，零序電壓和零序電流有上述的關(guān)系。而當在斷路器合閘和分閘的過程中，斷路器一相或者兩相斷開，電抗器便處于分相運行狀態(tài)，其零序序網(wǎng)圖如圖3（b）所示，對比圖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，零序功率方向保護也可以動作。

2.2 斷路器工作原理

常見的高壓斷路器操作機構(gòu)有電磁操作機構(gòu)、彈簧操作機構(gòu)以及液壓操作機構(gòu)。此站斷路器操作機構(gòu)是彈簧操動機構(gòu)，其核心部件是分、合閘彈簧，為斷路器的分、合閘運動提供驅(qū)動力，其性能關(guān)系到斷路器分、合閘動作的可靠性。

此站所選用斷路器的滅弧室采用自能式滅弧原理，開斷故障電流時，利用電弧自身的能量使氣缸內(nèi)氣體的壓力升高，當電流過零時在噴口上游區(qū)形成強烈的雙向氣吹從而熄滅電弧，實現(xiàn)斷路器的成功開斷，從而減小了操作機構(gòu)的操作功。

斷路器合閘操作結(jié)束時，由限位開關(guān)將儲能電機接通，儲能電機帶動棘爪推動棘輪旋轉(zhuǎn)，通過拉桿將合閘彈簧壓縮儲能。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鎖住，使操作機構(gòu)保持在合閘儲能狀態(tài)。

合閘操作時，彈簧操動機構(gòu)處于分閘位置且合閘彈簧已儲能。當合閘電磁鐵受電動作后，合閘脫扣器釋放棘輪上的合閘止位銷，從而在合閘彈簧的作用下，棘輪通過傳動軸帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪又推動主拐臂上的磙子，再帶動主拐臂旋轉(zhuǎn)，主拐臂通過傳動軸帶動傳動拐臂旋轉(zhuǎn)，傳動拐臂通過拉桿將斷路器本體合閘并對分閘彈簧儲能。

當斷路器合閘到位后，分閘脫扣器又將主拐臂上的分閘止位銷鎖住，保持斷路器本體在合閘位置和分閘彈簧在壓縮儲能狀態(tài)，為下一次分閘準備。

分閘操作過程，彈簧操動機構(gòu)處于合閘位置并且分閘彈簧被壓縮儲能時，當分閘電磁鐵受電動作后，分閘脫扣器釋放主拐臂的分閘止位銷，從而在分閘彈簧的作用下，傳動拐臂通過拉桿帶動傳動拐臂轉(zhuǎn)動，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

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

3.1 檢查一次設(shè)備

檢查22K1斷路器設(shè)備情況并進行一次設(shè)備的特性試驗，對220kV高抗22K1斷路器手動分合3次，發(fā)現(xiàn)其分合均正常、機構(gòu)無卡澀現(xiàn)象。

對220kV高抗22K1斷路器進行3次斷路器開關(guān)特性試驗，試驗數(shù)據(jù)分別見表1和表2。

根據(jù)596預防性試驗規(guī)程要求，操作機構(gòu)分、合閘電磁鐵最低動作電壓應(yīng)在操作電壓額定值的30%～65%之間，由表2數(shù)據(jù)可知，電磁鐵動作電壓符合要求，而表1中斷路器B相較A相、C相延時合閘（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次試驗均不滿足合閘同期小于5ms的要求。

表1 斷路器機械動作特性數(shù)據(jù)

表2 分、合閘電磁鐵動作電壓

查看4月23日檢修情況，檢修人員對220kV高抗間隔設(shè)備進行預試、一次設(shè)備檢查、精益化消缺工作。檢修人員對220kV高抗22K1斷路器進行檢查，手動分合3次正常后，進行開關(guān)特性試驗，各項數(shù)據(jù)見表3和表4。

表3 檢修斷路器時的機械動作特性

表4 檢修時分、合閘電磁鐵動作電壓

由表3和表4可知，檢修期間斷路器的開關(guān)特性滿足要求。

3.2 檢查二次設(shè)備

220kV變電站配置兩套保護，高抗斷路器送電過程中，B套保護零序阻抗匝間保護動作，跳開斷路器，A套保護斷路器起動，沒有動作。檢查二次設(shè)備情況，獲取到的兩套保護裝置報文信息見表5。

表5 兩套保護裝置報文信息對比

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

圖4 兩套保護故障錄波波形

3.3 對比分析

1）A套高抗保護

由圖4（a）可知，當合斷路器瞬間，三相電流不同步，B相電流相對A相、C相延遲約30ms，B相有流時刻，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套匝間保護邏輯圖，起動元件動作，同時A套高抗投運過程中判斷出，出現(xiàn)非全相工況，且高抗本身無明顯故障特征，為保證匝間保護不誤動，A套保護增強了匝間保護閉鎖能力，所以其匝間保護未動作。

圖5 A套匝間保護邏輯圖

2）B套保護

圖6所示為B套匝間保護的邏輯圖，B套保護的匝間保護按躲過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行整定。為確保匝間保護的靈敏度，零序監(jiān)控電流整定值較小。另外，B套保護設(shè)計時，為防止勵磁涌流使匝間保護誤動，在電抗器空投時匝間保護零序監(jiān)控電流采用反時限特性的定值[14]。并且當電抗器發(fā)生TA斷線及TV斷線時，都閉鎖匝間保護。

圖6 B套匝間保護邏輯圖

結(jié)合圖4和圖6可知，當合斷路器瞬間，由于B相斷路器延遲30ms左右合閘，此時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，匝間保護的整定值為27.105◆，在區(qū)內(nèi)，零序阻抗動作，同時高端反時限零序過流、低端零序監(jiān)控電流均動作，并且無TA斷線、TV斷線，滿足保護跳閘條件，故零序匝間保護動作。

綜上所述，對比兩套保護的動作信息，結(jié)合第2節(jié)分析可知，高抗本身無明顯故障特征，引起匝間保護動作的原因可能是斷路器合閘過程未合閘成功，使其處于分相運行。

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

4 故障處理

由于斷路器合閘過程中合閘彈簧能量一部分驅(qū)動主拐臂使斷路器合閘，一部分對分閘彈簧進行儲能，因此根據(jù)能量守恒定律，通過減小分閘彈簧儲能來增加合閘能量。現(xiàn)場檢修人員對高抗22K1斷路器B相分閘彈簧壓縮量進行調(diào)整，如圖7所示。

圖7 斷路器調(diào)整位置

經(jīng)調(diào)整后，再次對斷路器分合閘動作電壓和三相同期進行測試，試驗數(shù)據(jù)分別見表6和表7。

表6 分、合閘電磁鐵動作電壓

表7 機械動作特性

對比表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無變化。對比表1和表7可知，調(diào)試后三相不同期時間大幅度減小為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動作的原因，對于投運年限長的設(shè)備，為維持設(shè)備的正常運行，應(yīng)采取如下積極的防范措施：

1）對于投運年限長的斷路器，加大巡查，采取有效的措施，開展彈簧彈性疲勞檢測工作或者逐步進行更換。

2）落實變電精細化的管控要求，開展斷路器分合閘速度、分合閘時間的數(shù)據(jù)比對分析工作，做好試驗數(shù)據(jù)及圖形的保存，通過數(shù)據(jù)的趨勢性變化，分析判斷設(shè)備存在的潛在性問題。

3）一次檢修與二次檢修工作需配合起來，明確檢修流程，在二次傳動工作完成后，必須對斷路器再次進行機械特性試驗（首先最低動作電壓試驗，之后分合閘時間、速度特性試驗），確保送電過程中不會出現(xiàn)異常情況。

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