500kV开关防跳回路问题的分析、验证和处理

李嘉文 聂宏展 李德佳

（1.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.海南核电有限公司，海口 570125）

某开关站的开关型号为500－SFMT-63B，开关所配操作机构型号为AM，该操作机构由日本三菱公司生产。该操作机构具有机械防跳功能，同时厂家在就地控制盘内又配有电气防跳回路。在调试与运行过程中均发生过防跳回路工作异常，不起防跳作用的情况。这是由于电气与机械防跳、手动分/合闸及其同期回路与开关操作回路配合存在问题。为了能够彻底解决存在的问题，我们对开关的操作回路接线及机械防跳进行了认真的分析，同时，通过继电保护测试仪对各种可能发生的工况进行了实际模拟试验。对试验结果进行了详细的分析，提出了改造方案。

1 500kV 开关气动操作机构基本结构、工作原理和机械防跳的介绍

缓冲器及防跳跃装置工作原理简述如下：

油缓冲器（3118）与活塞（3122）直接相连，可吸收合闸和分闸终了的剩余能量，避免零部件操作冲击。在该操作机构上装有一个机械防跳装置。防跳装置的关键件是防跳销钉（3216）如图1所示。只要合闸信号一直保持，脱扣杆（3234）由于防跳销钉（3216）的作用始终是倾斜的， 从而铁心杆（3282） 便不能撞击脱扣掣子（3212），因此开关不能重复合闸操作，从而实现了防跳功能。由于机构由（d）状态返回到（a）状态需要运动和稳定的时间，在开关分闸以后180ms内合闸线圈如果带电，开关机构将闭锁在图1中的（e）状态，直至合闸线圈失电返回，才能再次合闸。

2 500kV 开关电气防跳回路的介绍

图1 防跳跃装置图

500kV 开关电气防跳采用的是并联式防跳回路。所谓并联式防跳回路，即防跳继电器52YA/52YB/ 52YC 的线圈并联在开关的合闸回路上（如图5所示）。假如一个持久的合闸命令存在，合闸线圈通过 防跳继电器52YA/52YB/52YC 的常闭接点→开关常闭辅助接点52b/1→空气压力低闭锁继电器63ALX常闭接点→SF6 压力低闭锁继电器63GLX 常闭接点带电而合闸，开关合闸后，开关常开辅助接点52a/1闭合，启动防跳继电器52YA/52YB/52YC，52YA/ 52YB/52YC 常开接点断开合闸回路并自保持。若此时线路或设备故障，继电保护动作跳闸，但由于合闸回路已可靠断开，从而可防止开关发生跳跃。

3 电气与机械防跳

1）防跳功能应满足下述三种工况的要求。第一种工况：手动合闸情况下，保护动作跳闸，开关不允许发生跳跃；第二种工况：跳闸出口信号存在的情况下，手合开关时，开关不应发生跳跃；第三种工况：运行过程中，由于两点接地及控制把手接点未断开而导致的合闸信号始终存在情况下，保护动作跳开关时，不允许发生跳跃[1]。由于第三种工况不存在时间配合问题，本文不作详细讨论。

电气防跳：从第一种工况实测时序图可见（图2），防跳继电器的动作时间应小于保护动作时间与开关跳闸时间之和，即动作时间应小于52ms。从第二种工况的实测时序图可见（图3），防跳继电器的动作时间应小于开关跳闸时间，即动作时间应小于17ms。防跳继电器52YA/52YB/52YC 实测动作时间为20ms，对于第一种工况是没有问题的，但从第二种工况看，存在防跳继电器动作时间稍慢的问题，防跳功能有些不是很可靠。

图2 第一种工况时序图

图3 第二种工况时序图

机械防跳：从第一种、第二种工况的实测时序图可见（图2、图3），开关分闸后机械防跳在开关处于不稳定情况下的180ms 内有效。而手动合闸不可能在180ms 内复归，因此，这种工况下机械防跳不起作用，只有依靠电气防跳。机械防跳起作用的前提条件是合闸回路无开关的辅助接点和合闸线圈应按长期通电设计。对于合闸回路具有辅助接点的机械防跳，只有当发生合闸线圈直接带电情况下（例如：正电与合闸线圈正电端两点接地），机械防跳才能发挥其应有的作用，但合闸线圈一定会烧毁。从以往的运行经验看，机械防跳在运行中的表现不佳，无法替代电气防跳。这也是为什么开关设计了机械防跳后又设计了电气防跳的原因所在。

2）对于电气防跳功能的传动试验应模拟上述第一种和第二种工况。对于第一种工况的传动试验方法：首先，利用控制把手合上开关并保持把手在合闸位置不动，利用保护发跳闸命令，开关不应再合闸。对于第二种工况传动试验方法：首先，利用保护发跳闸命令并应保持，而后利用控制把手合上开关，开关合上后立即跳闸而不应再合闸。对于串联式防跳通常采用前者的试验方法，而对于并联式防跳通常采用后者。对于同时具有电气与机械防跳的开关，防跳试验的方法应考虑开关分闸过程中和刚分闸后机械防跳的不稳定所需的时间，采用第一种试验方法可能无法检查电气防跳回路的功能。

建议工程中应同时利用两种方法对防跳功能进行传动试验，同时，应观察机械防跳是否动作，以便于区分是电气防跳起作用还是机械防跳起作用，这样较为稳妥。

4 竣工调试期间电气防跳回路的修改

500kV 开关的控制方式是这样，正常操作在网控室的控制盘，通过把手SC 进行合/分操作，只有检修情况下才通过就地控制盘（LCP）把手11-52对开关进行操作，这种功能是通过开关两侧闸刀联锁来实现的。因此，应保证在控制盘通过把手SC对开关进行合闸操作时，开关不发生跳跃。按照电气防跳回路的传统试验方法，首先用把手SC 合上开关并保持SC 在合闸位置，通过保护将开关跳开，观察防跳继电器52YA/52YB/52YC 是否自保持和开关是否重新合闸。

存在问题：按照上述的传动试验方法对开关电气防跳回路进行了检验。在试验过程中，开关电气防跳回路工作异常，不起防跳作用。现象是防跳继电器52YA/52YB/52YC 不能自保持和开关又重新合闸了。

问题分析：经过对电气防跳回路的分析，发现其二次回路存在设计问题。由于为了使合闸继电器CMR1 合闸后解除自保持，在其线圈回路串入了跳闸位置继电器的常开接点（见图4、5）。这样导致开关在合闸后CMR1 失磁，52YA/52YB/52YC 不能自保持，开关合闸回路未能断开，导致电气防跳功能失效，开关重新合闸的后果。

图4 修改前接线图

回路修改的方案：将合闸继电器LCMR1 保持回路断开，同时将TWJ 自保持回路短接（见图6）。修改后进行了相应的传动试验，开关的电气防跳功能正常。

该方案可能带来的问题分析：取消了合闸继电器自保持功能，可能会导致手动合闸和自动重合闸的失败，同时，有可能烧毁合闸继电器的接点。由于手动合闸会由运行人员保持一段时间，而自动重合闸的合闸脉冲已经展宽了200ms，另外，该合闸继电器是大容量接点的中间继电器，可断开合闸回路电流。因此，不存在上述问题。

5 #1 主变充电时，5033 开关跳跃情况的介绍

机组大修后，#1 主变由500kV Ⅱ母经5033 开关进行充电操作。在手动合上5033 开关时，#1 主变分相差动保护误动作，导致了5033 开关连续两次跳闸三次合闸。从当时的故障录波图可分析到，5033开关动作的时序是：首次合闸56ms 后 5033 开关三相跳闸→经192ms 后5033 开关三相合闸→又经29ms 后5033 开关三相再次跳闸→再经192ms 后5033 开关三相合闸成功。

图5 开关控制回路接线图

图6 修改后接线图

6 5033 开关跳跃原因的初步分析

6.1 同期系统介绍

500kV 网控的同期系统属于手动准同期的分散同期方式，即同期表计集中，各同期点的操作开关分别装设在各同期点的控制屏上。开关站采用3/2开关接线，变压器进线的两侧开关在主控室和网控室均能操作。网控室的同步电压采用“近区电压优先法”取得，利用低电压继电器K127、K227 对开关两侧电压进行检测，以实现开关的单侧无压合闸。

6.2 初步分析

通过对开关电气和机械防跳原理的分析、调试期间对电气防跳回路的修改并结合以往的实际经验，对存在问题进行了初步的综合分析和判断。初步结论如下：合开关前，Ⅱ母正常运行，母线电压互感器（PTB11）有电，K227 带电动作，其常闭接点断开。主变500kV 电压互感器（PTG31）无电，K127 不动作，其常闭接点闭合，同期回路处于单侧无压合闸状态。开关合闸命令发出，5033 开关合闸。防跳继电器动作并自保持，同时断开了合闸回路。5033 开关合上后，PTG31 带电，K127 带电动作，其常闭接点断开，防跳继电器失磁，其常闭接点又接通了合闸回路。此时分相差动保护动作跳闸，5033 开关跳开。由于合闸信号还存在，5033 开关第二次合闸。又由于分相差动保护出口的展宽时间为250ms，导致开关合闸后的第二次跳闸，第三次合闸的情况与前述相同。

7 现场试验验证

为了验证初步分析的结论，结合202 大修，对5041开关的电气防跳功能进行了相应的模拟试验。通过测试仪模拟当时5033 开关跳跃的工况。

模拟试验接线图见图7，具体步骤如下。

7.1 步骤一：验证第一种工况的防跳功能

1）在控制屏上手动合上5041 开关并保持，直到试验结束。

2）确认5041 开关合闸，检查开关防跳继电器52YA/A、52YB/A、52YC/A 带电动作。

3）短接第四串接口屏X3：36-42 端子，手动模拟跳闸信号，短接后立即断开。

4）检查确认5041 开关跳闸。

5）观察5041 开关在跳闸后不在重新合闸。

6）松开5041 开关把手。

7.2 步骤二：验证第二种工况的防跳功能

1）跳闸信号首先发出并保持。

2）在控制屏上手动合上5041 开关并保持，直到试验结束。

3）检查5041 开关的状态。

4）观察5041 开关合闸后，再跳闸不再合闸。

5）松开5041 开关把手。

7.3 步骤三：模拟5033 开关跳跃工况

1）保护测试仪模拟I 母PTB11 带电。测试仪状态1 的设置：电压U1=100V∠0°；状态时间为10s。

2）检查确认电压继电器K227 动作，常闭接点断开。

3）在控制屏上手动合上5041 开关并保持，直到试验结束。

4）确认5041 开关合闸，检查开关防跳继电器52YA/A、52YB/A、52YC/A 带电动作。

5）保护测试仪模拟PTG41 带电，电压施加大小和相位与模拟PTB11 电压相同。测试仪状态2 的设置：电压U1=100V∠0°；电压U2=100V∠0°状态时间为32ms。

6）检查确认电压继电器K127 动作，常闭接点断开。

7）检查同期继电器K95 的动作情况。

8）由保护测试仪短接第四串接口屏跳闸端子，模拟保护跳闸信号。测试仪状态 3：电压U1=100V∠0°）、电压U2= 100V∠0°，节点输出1：状态时间为25ms。

图7 5041 开关防跳模拟试验接线图

9）检查确认5041 开关跳闸。

10）观察5041 开关在跳闸后是否重新合闸，同时观察合闸线圈动作情况。

11）在控制屏上松开5041 开关把手。

8 试验结果及分析

1）步骤一的试验结果

按照试验方案进行了防跳试验，防跳继电器能动作并自保持同时断开了合闸回路，开关没有再次合闸，防跳回路的功能正常。说明调试期间的回路修改是正确的。

2）步骤二的试验结果

按照试验方案进行了该项模拟试验，防跳继电器能带电并自保持同时断开了合闸回路，开关没有再次合闸，防跳回路的功能正常。该项试验的目的主要是检查防跳继电器与开关跳闸时间的配合情况。为了说明问题，我们对52YA/YB/YC 防跳继电器动作时间进行了测量，实测动作时间为20ms。由于开关跳闸时间为17ms，说明52YA/YB/YC 防跳继电器动作时间基本满足防跳功能。

3）步骤三的试验分析

从录波图分析（见图8），在开关合闸同时模拟电压互感器PTG 带电情况时，同期回路中的K127电压继电器动作，其常闭接点断开。但，此时同期继电器K95 在未来得及动作的情况下，使合闸回路失去正电源，防跳继电器不能自保持。由于52YA失电时间（间断时间）为120ms，导致52YA 防跳继电器返回，防跳功能丧失。在开关跳闸后，致使合闸线圈带电，开关再次合闸。这与初步分析是吻合的。

9 处理方案

通过上述的分析和试验验证，开关控制回路存在电压继电器K127 或K227 与同期继电器K95 配合的时间差问题。

具体改造建议如下。

方案1：在同期回路增加同期闭锁开关（STK），并取消电压继电器（见图9）。

图8 防跳回路失灵的情况录波图

图9 方案1 接线图

方案2：各控制屏同期开关改型号，使其具备解除、同期、同期闭锁三个位置，并取消电压继电器（见图10）。

图10 方案2 接线图

两个方案优、缺点的比较：

方案1 接线简单，三、四串只需增加一个同期闭锁开关（STK）即可，改造容易实施。为了防止值班员操作此开关后忘记复位，将此开关纳入运行操作票内进行管理，同时，利用STK 的空接点发到闪光报警系统，提示值班员防止误操作。

方案2 接线较复杂，需更换各开关的同期开关。改造实施相对困难。但操作比较安全，不易误操作。

10 结论

通过具体分析、现场验证及制定具体处理方案，并对两个方案优缺点进行了比较。方案2 虽然接线复杂，改造实施难度大，但按照“保守决策”的原则，现场选择了方案2。实施后经过了5年的运行及大修后启动操作，再没有出现类似问题，证明了改造方案的正确性。该改造方案对新建及运行电厂有一定的参考价值。

[1] 国家电力调度通讯中心.电力系统继电保护实用技术问答[M]. 北京:中国电力出版社,2000.

[2] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用[M]. 北京:中国电力出版社,1998.

[3] 王维俭,桂林,毕大强.大型发电机－变压器组继电保护的探讨[J].中国电力,2001(1).