断路器本体三相不一致保护系统二次回路优化

2016-01-25宋福海吴晨阳

电力科学与工程 2015年3期

关键词：二次回路断路器

宋福海，徐　剑，黄　巍，陆　榛，吴晨阳

(国网福建电力调度控制中心,福建福州350003)

断路器本体三相不一致保护系统二次回路优化

宋福海，徐剑，黄巍，陆榛，吴晨阳

(国网福建电力调度控制中心,福建福州350003)

摘要：针对目前断路器本体三相不一致二次回路抗干扰能力不足、尤其在直流系统接地故障下不能可靠防止误动作的问题,提出了一种基于电网安全运行可靠性的断路器本体三相不一致二次回路优化的新方案。分析了两起断路器误动作跳闸事故原因，利用实测参数建立准确的控制回路系统仿真模型，模拟直流系统接地故障工况引发断路器跳闸的情形，理论上阐释了直流系统接地对保护及二次回路的危害因素。试验结果和设备运行实践验证了该技术方案的先进性和实用性。

关键词：直流接地；断路器；二次回路；跳闸保持继电器；三相不一致保护系统

中图分类号：TM56

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.013

收稿日期：2014-11-20。

作者简介：宋福海(1975-)，男，高级工程师，从事电力系统继电保护运行管理工作，E-mail:15960029083@163.com。

Abstract：A novel scheme for grid safety-operation based optimization for the secondary loop of breaker three-phase inconsistent protection is proposed, considering the incapability for anti-interference of the current secondary loop of breaker three-phase inconsistent protection, especially the unreliability for preventing misoperation when DC system grounding fault happened.This paper analyzed two accidents for breaker misoperation,established simulation mode accurately for the breaker controlling loop system by using the measured parameters,simulated the circumstance that breaker tripping caused by DC system grounding fault,and theoretically explained the risk factors for the relay protection and the secondary circuit when DC system grounding fault happened.The experimental results and practical equipment-operation proved the advantage and practicability of the scheme.

Keywords：DC grounding; breaker; the secondary circuit; TBIJ; three-phase inconsistent protection system

0引言

目前，社会对供电可靠性的要求越来越高，在电气一次设备、二次设备状态检修策略的新形势下，为了尽量减少定期检修所带来的停电时间，科学高效地在线监测电气一次设备、二次设备的健康状态显得十分必要[1，2]。直流系统在变电站中具有十分重要的地位，要保证变电站长期安全运行，其因素是多方面的，保证直流系统的正常运行状态和保持直流控制回路绝缘的良好状况显得尤为重要。因此，对检修作业中人为因素引起的直流回路绝缘不良以及直流系统一点接地时导致断路器跳闸事故的情形必须予以高度重视。

针对变电站运维过程中发生的直流系统接地引起断路器跳闸问题，国内学者们围绕继电器误动作机理、工程计算和反措制定进行了大量研究。文献[3]研究了继电器的安全动作功率与外接电缆长度和继电器本身动作时间特性的对应关系，在反措基础上提出了更换动作时间小于2ms的快速中间继电器。文献[4]论证了通过合理布局理论设计容量的抗干扰电容将24 V线圈继电器更换为供CPU工作统一5V电源线圈继电器的可行性。文献[5]从控制回路电缆等效分布电容和单继电器的RC组合电路角度进行电容放电对单继电器激励特性分析，并提出了一定的防止出口继电器误动作的改进措施。文献[6]综合考虑了继电器的电感效应对直流系统一点接地的情形进行理论研究，对反措制定具有一定借鉴意义。文献[7]详细论证了继电器线圈回路发生直流接地故障时由于受到绝缘监测平衡桥电阻阻值、直流正负极母线绝缘、分布电容和继电器物理参数一系列综合因素影响导致误动作跳闸。文献[8,9]分析了直流接地故障原因，总结出故障点查找的基本方法。文献[10,11]重点分析直流系统配置绝缘监察装置工作机理，针对绝缘监察装置配置不当以及自身缺陷提出合理的解决方案。

断路器三相不一致运行将导致电力系统出现零序、负序分量，作为重合闸失败和后备保护功能的最后一道防线，确保其功能回路可靠性显得尤为重要。本文深入分析了直流系统接地故障工况下导致继电起误动作机理，提出了断路器本体三相不一致二次回路优化方案。

1直流系统接地故障解析

1.1　直流系统一点接地故障原理图

直流系统短时一点接地时，传统观念认为其危险性不大，但由于运行电缆对地存在分布电容，当二次回路发生直流接地故障，上述分布电容将形成一系列充放电过程，当达到继电器动作条件时便会动作。故障时继电器动作情况与分布电容值和继电器动作值有关。对运行中的继电器来说，其运行电缆侧相当于并接等效电容元件Csys，当空接点驱动侧发生一点接地故障时，如图1所示，电容元件电势不能突变会提供继电器暂态励磁电势Esys，继电器同时产生反向磁动势Um，从而在继电器励磁线圈中产生感应电流Im，导致正常运行的继电器正确误动作。

图1　一点接地故障原理图

1.2　等效电路图模型

图2中给出了一点接地故障时等效电容器与继电器等效阻抗组合电路图，其中继电器等效为电阻R和电感L串联电路，继电器等效电路与电容Csys并联。

根据KVL对图2列写电压回路方程如式(1)所示：

图2　一点接地故障等效电路图

(1)

等效电路图中继电器励磁电流、电压波形如图3、图4所示。

由图3、图4故障电流、电压波形可得出如下结论：在继电器空接点侧发生一点接地故障时继电器瞬间流过最大峰值电流，随后按照指数函数衰减至0 A，衰减周期跟等效电路图中RC值相关；另外，在继电器空接点侧发生一点接地故障时，等效电容器两端电压不能突变，继电器TJ两端瞬时感受与电容器初始电势值U[0]同等幅值的电压值，随后按照指数函数衰减至0 V。因此，故障电流的瞬时最大幅值与衰减周期决定了继电器TJ是否会误动作。

图3　励磁电流波形

图4　电容电压波形

2跳闸事故分析与建模仿真计算

2.1　直流系统负端一点接地引起断路器跳闸

某220 kV变电站线路间隔在送电时发生A相跳闸后，再由断路器本体三相不一致保护动作跳闸事件。跳闸后经过现场试验检查，现场检查试验结果如下：

(1)该间隔保护操作箱4号插件存在虚焊点，虚焊点如图5所示“1”处。经试验，存在虚焊点时跳闸保持继电器动作电流为172 mA(正常值应为0.34A)，动作时间约4 ms。

(2)现场实测通过TBIJ继电器的电缆电容放电电流瞬时峰值约为400 mA，并以指数曲线下降，电容电流高于172 mA的持续试验大于继电器的动作时间(4 ms)，TBIJ继电器动作。

(3)现场模拟A相直流瞬时20 ms单点接地10余次(图5中标示“2”处)，均出现断路器A相跳闸后再由本体三相不一致保护动作跳闸，情况与故障现象基本相同。

经上述检查及试验判断：由于操作箱中跳闸保持继电器TBIJ的并联电阻虚焊，造成TBIJ继电器动作电流比正常值小一半。在直流系统发生负极接地的情况下，TBIJ继电器动作时间很短，躲不过长电缆电容放电电流的暂态过程而动作。TBIJ继电器动作后，TBIJ1接点闭合形成自保持，造成断路器跳闸。

图5　一点接地造成跳闸示意图

利用实测参数建立准确的控制回路系统一点接地故障仿真模型，试验数据如表1所示。模拟断开图5中接点“3”处焊点孤立自保持接点，在发生一点接地故障后TBIJ继电器励磁电流波形如图6所示。

表1　一点接地故障仿真模型实验数据

模拟跳闸控制系统在绝对时刻1s时发生了经10 Ω过渡电阻接地故障，在图6中绘制励磁电流幅值高于172 mA的持续时间tc，得出tc≥4.5 ms，超出继电器的额定动作时间试验值。因此，跳闸控制系统发生一点接地故障时，受故障电流瞬时最大幅值和衰减周期影响，电流保持继电器TBIJ会误动作。

图6　TBIJ励磁电流波形

2.2　直流系统两点接地引起断路器跳闸

某一220 kV变电站发生233断路器本体三相不一致保护误动跳闸事件。跳闸后经过现场试验检查,查明原因如下：

(1)该变电站的备用间隔断路器整体搬迁，现场未进行与运行设备的二次回路进行有效隔离(直流电源未断开)，仅对断路器二次航空插头采取临时保护措施，直接导致备用间隔断路器二次航空插头充水，造成站内直流系统正负极两端均出现接地现象。

(2)北京ABB公司断路器(型号:LTB245E1)本体端子箱内的三相不一致二次回路存在接线错误。正确接线是在第一组继电器K38并联电阻R9，在第二组继电器K37并联电阻R11，如图7所示。现场实际二次回路检查结果为，电阻R9正端错接至第二组继电器K37的A1，电阻R11的正端错接至第一组继电器K38的A1，该错接线导致三相不一致出口继电器K37与R9串接于两段直流负母线之间、K38与R11串接于两段直流负母线之间。

试验数据如表2所示。模拟在直流1段母线正极接地工况下，短接图7中直流2段母线负极接地开关K，接地前后时K38、K37三相不一致出口继电器端电压波形如图8所示。

表2　两点接地故障仿真模型实验数据

图7　三相不一致回路两点接地故障仿真图

图8　三相不一致继电器端电压波形图

模拟直流2段母线负极在绝对时刻1s时发生了经2 500 Ω过渡电阻接地故障，从图8可知，故障时UK38由40.946 V突变到144.41V；UK37由-41.268 V突变到-145.5 4V；而且还推导出故障后三相不一致出口继电器感受端电压幅值与直流2段母线负极接地电阻阻值成反比例关系的结论。因此，在直流1段正极母线接地故障工况时，受直流2段负极母线绝缘状态影响，三相不一致出口继电器会误动作。

3断路器本体三相不一致二次回路优化

改善继电器动作电压和动作功率对于防止继电器在直流系统发生一点接地故障时误动作十分有效，但该方法对于防止继电器在直流系统发生两点接地故障时误动作显得无能为力，因此，在不影响断路器控制功能和继电器动作特性的前提下，对三相不一致二次回路进行了优化设计。在断路器本体三相不一致保护跳闸出口接点与正电源回路之间串接断路器常闭辅助接点，如图9所示。即将原先接点1解除改接至接点2，保证在断路器至少一相断开时三相不一致保护才能出口跳闸，从而有效防止继电器在直流系统发生两点接地故障时误动作。

图9　三相不一致二次回路优化示意图

4结论

本文分析了两起直流接地故障导致断路误动作跳闸事故原因，利用现场实测参数建立了精确仿真模型，仿真结果准确还原了事故过程，从理论上阐述了直流系统一点接地、两点接地故障引发继电器误动作跳闸机理和两种故障过程本质区别，改进了通过改善继电器动作特性的传统观念，另辟蹊径设计出了一种断路器本体三相不一致二次回路优化的新方案。该方案无需改变现有控制回路原理，仅需在三相不一致出口继电器正极性端串接断路器位置常闭辅助接点，能够可靠保证在三相不一致时间继电器或出口继电器误动作时断路器不至于发生连锁误动跳闸事故。本优化方案措施易于在断路器本体三相不一致保护回路中实施，具有较高的工程应用价值。

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