SF6气体密度继电器的缺陷及改进

2018-07-11董亚颉

电力安全技术 2018年5期

董亚颉，吕然

(深圳供电局有限公司，广东深圳 518020)

0 引言

SF6气体密度继电器是电气设备中重要保护和控制元件。户外敞开GIS变电站由于受南方多雨潮湿天气影响，SF6气体密度继电器常受潮或渗水，导致发生接点误导通、寄生、直流接地等缺陷，大大增加了运维压力，并威胁电力系统的安全运行。为减少此类缺陷的发生，有必要对该继电器进行相应的改进。

1 SF6气体密度继电器介绍

SF6气体密度继电器是对运行中SF6电气设备内SF6气体密度进行监测的仪器。在设备运行中，SF6气体密度难以测量，通常以20 ℃时气体压力来衡量，并以相对于20 ℃时的额定气体压力的下降值作为报警值和闭锁值。

SF6气体密度继电器由表本体和插入式通用连接器2部分组成，继电器的工作原理如图1所示。在图1中，在波纹管1外侧的与断路器中SF6气体连通的气体包，通过以轴为支撑点的杠杆与标准气体包联接，当气体包内的气体压力比标准气体包内的气体压力小时，杠杆就会转动，从而带动微动开关电触点不同程度地闭合，实现其报警和闭锁功能。其中，C1-L1为SF6气体压力降低时报警的电触点，C2-L2为SF6气体压力降低时闭锁断路器的电触点。

SF6电气设备正常运行时，断路器中SF6气体压力与标准包的气体压力相同，杠杆保持在某一平衡位置，使微动开关电触点在打开位置。若断路器发生SF6气体泄漏，断路器中SF6气体压力减小，就会推动杠杆绕轴逆时针转动，使微动开关电触点闭合。

图1 SF6气体密度继电器工作原理

此气体密度继电器提供3对常开接点，其使用情况如图2所示。

其中，1-2接点用于信号回路，当SF6断路器气室内SF6气体密度下降到规定的报警(补气)压力值时，1-2接点闭合，发出报警(补气)信号；3-4接点用于第1路控制回路，5-6接点用于第2路控制回路。当SF6气体密度下降到规定的闭锁值时，3-4，5-6接点闭合，发出闭锁信号，以保证设备和系统安全。

图2 3对常开接点的使用情况

2 SF6气体密度继电器在运行中的隐患

2.1 接点误导通

2.1.1 闭锁接点误导通案例

某220 kV变电站报2号主变变高2202第2路控制回路断线。现场巡视发现2号主变变高2202开关柜报QF闭锁，但SF6气体密度继电器压力指针在正常范围内。继保人员用万用表对第2组控制回路各点电位进行测量，发现其KA16常闭接点断开，而KA16为开关分闸闭锁继电器。KA16继电器启动回路中串接了SF6气体密度继电器KD1的常开接点，对SF6气体密度继电器各接点电位进行测量，发现其中5-6接点导通。由于在正常运行时，该接点为常开接点，短时解开不影响正常运行。在解开接点6接线后，2号主变变高2202控制2路控制回路断线、QF闭锁信号消失。SF6气体密度继电器闭锁分闸示意如图3所示。

2.1.2 原因分析

凝露造成微动开关常开接点5-6短接，致使气体密度继电器在杠杆6没有转动的情况下，误发闭锁命令和信号。检修人员更换SF6气体密度继电器后，控制回路断线信号复归，QF闭锁信号复归。

2.1.3 接点误导通的危害

220 kV SF6断路器气体密度继电器受潮，造成继电器误动作闭锁控制回路；若在此时一次设备发生故障，保护将不能及时切除故障，从而损坏电力设备，威胁电力系统稳定运行。

图3 SF6气体密度继电器闭锁分闸示意

2.2 绝缘下降产生寄生回路

2.2.1 控制电源与遥信电源寄生回路案例

某110 kV站在进行2号主变保护及测控装置定检工作中发现：2号主变变高1102开关控制电源与其遥信电源之间存在寄生回路。继保人员结合设计图纸对SF6气体密度继电器的辅助接点进行检查。合上2号主变变高控制电源与遥信电源，解开图2中所示用于闭锁的气体密度继电器的3-4接点，发现寄生回路消失。另外，解开用于信号报警的气体密度继电器的1-2接点后，也发现寄生回路消失。使用绝缘摇表测量气体密度继电器1-2和3-4接点之间的绝缘电阻值，用1 000 V档时测得绝缘电阻为0，500 V档时不到0.5 MΩ。

2.2.2 原因分析

拆开SF6气体密度继电器连接器，发现由于渗水受潮，气体密度继电器连接器处存在锈蚀情况(见图4)，其接点间的绝缘降低导致开关控制回路与遥信回路间短路而产生寄生回路。

检修人员对气体密度继电器连接头进行处理后，2回路间的绝缘恢复正常，开关控制电源与遥信电源间寄生回路消失。

2.2.3 寄生回路的危害

《中国南方电网公司继电保护反事故措施汇编》第4.1.7中规定“1.信号回路由专用的直流空气开关供电，不得与其他回路混用。2.第1路控制电源与第2路控制电源应分别取自不同段直流母线”。若信号电源与控制电源间存在寄生回路，则存在误发信号或引起保护误动等隐患。当2路控制电源间存在寄生回路，一旦某一路直流发生缺陷，将使2路控制回路同时故障，失去了双重配置的意义。若此时一次设备发生故障，将无法跳开开关而使故障范围扩大。

图4 连接器现场锈蚀

2.3 直流串电造成直流假接地

2.3.1 2段直流串电造成直流假接地案例

某220 kV站发直流接地告警信号，直流Ⅰ母负接地，直流Ⅱ母正接地，2段直流馈线屏内绝缘检测装置记录如表1所示。

表1 直流接地发生时电压值记录 V

2.3.2 原因分析

正常情况下，变电站2段直流系统相互独立。任一直流系统正、负两极对地的绝缘电阻Rc=Rd，绝缘监测装置的平衡电阻Ra=Rb，使得Ra×Rd=Rb×Rc，满足电桥平衡条件，电压表电压为0。当某一极对地的绝缘电阻下降，平衡条件被破坏，电压表电压不再为0，发“直流接地”告警信号。绝缘监测装置原理如图5所示。

图5 绝缘监测装置原理

忽略各段直流母线绝缘监测装置的电桥桥臂电阻及电压表内阻的影响，按照案例情况绘制模型，如图6所示，并建立了等效电路模型，如图7所示。其中KM1为直流Ⅰ段，KM2为直流Ⅱ段，为便于分析，定义Ua，Ub，Uc，Ud为各正负极对地电压值，U1，U2为直流母线正负极之间电压，R1，R2，R3，R4为各正、负极对地电阻值，R0为开关SF6气压表接点4，5之间的电阻值。

图6 某站直流串电示意

图7 某站直流串电等效电路

为便于分析，对R0，R2，R3进行Y→△等效变换后得到等效电路如图8所示。

图8 Y→△变换后等效电路

在各正、负极对地电阻阻值正常时，有R=R1=R2=R3=R4，可得R02=R03，满足电桥平衡条件，Ux=0。

显然，在R02，R03上将产生一定电压降，又由U=U1=U2=Ua-Ub=Uc-Ud，可得下式：

式(6)，(7)说明，Ub，Uc电压值取决于R和R0的比值，其绝对值变化范围为0—U/2：

(1) 当R0相对于R可忽略不计时，直流Ⅰ母负电压Ub为0，直流Ⅱ母正电压Uc为0；

(2) 当R0相对于R无穷大时，Ub取得最小值-U/2，Uc取得最大值U/2。

综上，当Ub，Uc值小于直流绝缘检查装置接地告警电压值，或直流正负极电压差(即|Ua|-|Ub|、|Uc|-|Ud|)大于绝缘检查装置接地告警电压差值时，检查装置即会报直流接地信号。

继保人员在排查中发现，220 kV某甲线断路器SF6气体密度继电器故障，如图2所示的气体密度继电器的辅助接点4(接第1路控制电源负电)和辅助接点5(接第2路控制电源正电)之间的绝缘电阻较小，导致某220 kV站2段直流母线对地电压出现较大偏移，发出“直流接地“告警信号。

2.3.3 直流接地危害

当发生上述“直流接地”时，虽非真的发生直流接地，但依旧可能会造成继电器误动作(如图9所示)。假设图9中出口继电器和驱动接点之间通过长电缆连接，由于长电缆对地存在分布电容，当如图9所示的K处发生一点接地时，则长电缆对地电容通过K形成放电回路，而出口继电器刚好处于放电回路中。

《深圳供电局有限公司继电保护反事故措施汇编》第4.4.12中规定：跳闸出口继电器的起动电压在直流额定电压的55 %—70 %之间。若此时直流母线正负极对地电压平衡，放电电压为额定电压的50 %，则跳闸出口继电器不会动作。如果此时直流母线正负极对地电压不平衡，负极对地电压大于额定电压的55 %，则放电电压大于出口继电器的动作电压，继电器将误动作。当直流2段母线发生正负极串电时，会导致母线正负极对地电压严重不平衡，甚至全偏。在此情况下，若发生直流系统一点接地，极易导致继电器误动作。