隔离开关控制回路相序继电器故障频发处理

丁可为，邱静宜，乔 丰

(国网浙江省电力公司检修分公司，浙江 绍兴 312000)

0 引言

某500 kV变电站在进行GW10-550系列高压隔离开关(以下简称“刀闸”)操作过程中，刀闸无动作。经过检查核实，发现该刀闸的控制回路无电，进一步检查无电原因是刀闸机构箱内的相序检测继电器XJ3-G故障。经现场确认，该继电器运行中发热非常严重，部分外壳发生变形，导致在倒闸操作中刀闸经常无法正常拉合。仅仅1年时间里，该继电器就发生10余次类似故障，严重影响电网的正常运行。

1 XJ3-G相序继电器相序检测电路原理

XJ3-G相序检测继电器作为检测低压动力电源系统三相电源是否正常的设备，主要能实现三相顺相序、三相电压平衡以及全相的测量，一旦继电器不能测量其中1项，将立即作出响应，使控制设备的控制回路处于闭锁状态。

继电器检测原理如图1所示，由R1/R7，R3/R8及R5/R9组成三相交流电阻性降压采样电路，R2/C1，R4/C2及R6/C3组成阻容串联降压移相采样电路，2个电路相间交叉移相，组成了全相、顺相序和三相平衡的采样电路。

1.1 三相交流顺相序时的动作情况分析

当三相交流电顺相序接入时，如图2所示，通过移相组成的采样电路可以实现相序的判别和比较。现以A相基准相量叠加C相移相后的相量为例(其余各相以此类推)加以说明。

在图2中，R1为A相公共电阻，通过R7的是A相电阻性基准电流分量而C相通过由R6和C3组成的阻容电路，经移相后的C相电流与A相基准电流分量求和后，可实现对相序的判别。

由图3可知，通过对C相R6和C3阻容串联后计算，相移角约为60°;由于电容的超前作用，可知C相电流超前原C相60°。经计算，R6和C3串联后的阻抗约为240 kΩ，与A相基准电阻R7的阻值240 kΩ一致。如果此时采样的三相电压平衡，其矢量大小相等，通过图3矢量平移叠加后，将无电流输出(其余两相也相同)，即即图1中由V1—V6所组成的整流桥无直流电压信号输出。

由于无整流输出，因此图1中运算放大器IC1同相输入端3脚电压大于反相输入端2脚电压，IC1有输出，并通过R16，V12和V14组成的继电器驱动电路，使继电器J1和J2动作，J2接点闭合，使刀闸控制回路开放实现正常操作。同时，由R15和V13组成的驱动双色LED指示灯电路绿灯变亮，表示继电器相序正确。

1.2 三相交流反相序时的动作情况分析

当电源接入相序错误，按照平移叠加原则，如此时接入相序变成为C-B-A，如图4所示，则A相经R6，C3移相到基准相C相。

图1 XJ3-G相序继电器原理

按照三相交流电基准相序不变原则，各矢量经移相后得图5所示的矢量平移，此时得到输出电流为(其余各相以次类推)。经V1—V6三相组成的全桥整流后，经C4滤波，V8单向导通，V10稳压，提供给图1所示运算放大器IC1的反相输入端2脚。如果此时IC1输入端2脚的电压大于同相输入端3脚电压，则V14和V13晶体管截止，继电器J1和J2失磁返回，J2接点断开，闭锁刀闸控制回路，使刀闸不能正常操作，同时V9双色LED指示灯的红灯变亮。

图2 顺相序移相电路

图3 顺相序移相矢量

另外，当接入该继电器的三相电压严重不平衡(即整定三相不平衡率不小于13 %)以及发生缺相时，V1—V6所组成的三相全桥整流也将有输出，这里不再赘述。

2 XJ3-G相序继电器电源供给电路原理

XJ3-G继电器内部工作电压由1只1W的小型变压器变换整流后供给(图1中T1)。实测该变压器的变比为380 V/14.2 V，其副边交流电压为14.2 V。分析图1的工作原理可知，该变压器副边电压经过由V9，V15，V16和V17桥式整流二极管整流，再经C5滤波后，获得理想直流工作电压：

式中：0.9为全桥整流系数，1.414为交流电峰值。

图4 逆相序移相电路

考虑负载、滤波电容容量大小等综合因素影响，实际直流电压约为 15 V。由R20，V11(8.7 V)组成稳压电路，提供运算放大器IC1电路的工作电压和同相输入端3脚上的参考电压。J1和J2继电器的工作电源直接由15 V电压供给，而J1和J2继电器实际额定工作电压为12 V。这样能确保继电器稳定可靠动作，但也会使其工作电流增大，导致整个继电器的工作电源功耗随之增大。

通过对XJ3-G继电器二次工作电流的实测，其工作状态下的最大工作电流约为80 mA。

由此可知，继电器工作电源部分的实际额定功率P=14.2 V×0.080 A=1.136 W。

2.1 XJ3-G相序继电器电源故障内因

由于实际运行中该继电器发热十分严重，部分外壳因长期受热而变形。通过拆解发现，该继电器故障无一例外都是由继电器内部电源变压器T1绕组烧毁、断路所致，因此对该继电器进行实测和分析，发现该变压器设计上无冗余备份。实测铁芯截面S=0.95 cm×1.4 cm=1.332 cm2，按照小型变压器铁芯截面和容量关系公式P=S2/1.56计算，约为1.137 W(此为理想值，实际要稍小)，与前述用电流、电压所计算的额定功耗1.136 W基本一致，这说明继电器的工作电源变压器T1长期处于满功率使用状态。

进一步拆解分析发现，该变压器还存在设计问题。对该变压器的绕组伏匝数进行实测，发现副边绕组匝数为360匝，按照副边电压14.2 V计算，约为25.3匝/V。按此伏匝数推算原边绕组，减去变比误差修正系数，原边匝数应该约为9 000匝。对变压器铁芯所使用硅钢片质量和厚度检查，发现变压器硅钢片厚度为0.5 mm，属于普通硅钢片，其磁通密度Bm取值约为10 000 Gs，最高也不能超过12 000 Gs；且对于不同使用环境，Bm需要有一定的冗余。

副边匝数可依据以下公式计算：

式中：U—副边电压，V；f—电源频率，Hz；Bm—磁通密度，Gs；S—铁芯截面积，cm2。

当Bm取 10 000 Gs时可得：W=14.2/(4.44×50×1.332×104×10-8)≈ 480 匝。

据此计算所得，当硅钢片Bm取10 000 Gs时，其二次绕组约为480匝，与实际所测360匝出入较大。由此可见，在伏匝数计算中，该变压器铁芯Bm取值需达到13 000 Gs，才能满足360匝的要求。由于铁芯硅钢片实际并未有如此高的导磁率，因此导致伏匝数不能满足正常变压器励磁阻抗的要求，使变压器空载激磁电流较大，承受过电压情况下的过励磁能力特性较差。由于继电器正常工作时长期处于满载工况，较大的空载电流与满载工作电流之和使变压器的发热量大增，这是继电器故障频发的主要内在因素。

图5 逆相序移相矢量图

2.2 XJ3-G相序继电器电源故障外因

由于该继电器测量为三相相序，实际工作在三相三线交流电源场所，因此该变压器的原边需要承受380 V的线电压。在相同功率情况下，电压升高，变压器绕组匝数就需要增加，但由于变压器铁芯的窗口面积是一定的，因此只有减小绝缘导线的线径，才能容纳下所增加的绕组匝数;而导线线径减小，绕组所需承受的电流密度(A/mm2)也将提高。

前述设计缺陷的存在，无法平衡内部发热和散热，如果采用220 V的同样功率变压器，则发热量将明显下降，但需要三相四线接入。同时，由于继电器安装在户外刀闸机构箱内，在高温季节会加剧故障的发生。

2.3 XJ3-G相序继电器电路设计缺陷

通过分析继电器原理，发现电路设计也存在缺陷。该缺陷虽不会导致相序继电器不工作，但无法调节三相电压不平衡时的检测灵敏度。

如图 6所示，在由R10，C5，R23，R11所组成的信号取样电压分压调节电路中，调节R23只改变了R11上的电压，调节后也只能使V8亮度发生变化，无法对由R10，C5和R12组成的2级滤波的信号输出电压进行有效幅值调节。现场通过实际模拟信号电压输入并调节后，确证了该缺陷的存在，这使得运算放大器IC1的反相输入端2脚输入电压的灵敏度调节失去意义。

该电路的正确设计应是：将R10，C5和R12组成的2级滤波电路接入到由R23与R11组成的分压电路中间U2点上，如图7所示。这样，当调节R23时，在R11上就能获得分压值改变，即U2上电压应为(U1×R11)/(R11+R23)。由于该缺陷与所要解决的关键问题无足轻重，因此不再讨论。

3 解决方法

通过分析，发现导致继电器频发故障原因是：继电器内部作为工作电源的变压器，容量小且设计不合理。如更换容量较大的变压器，可以解决上述问题;但由于涉及改变继电器内部结构，且无法保证更换后产品的使用安全性，责任无法澄清，因此该方案不可取。

继电器正常工作时处于长励磁状态，发热量较大，因此采取在刀闸不操作时将刀闸机构箱内电源拉停，使继电器不工作的方法。此方法可显著提高继电器的使用寿命且方便可靠，但给变电站无人值守带来考验，不利于紧急情况下的远控操作。

图6 原相序取样分压电路

图7 改进后的相序取样分压电路

通过联合厂家改进刀闸控制回路设计，使所选用的相序继电器在相序正确时处于不励磁状态，以降低继电器的工作电流，降低内部变压器的发热量，提高继电器的使用寿命。但由于需要在继电器后增加一级辅助继电器来达到所需的逻辑条件，虽解决了存在问题，但需要修改设计图以及现场接线等，比较复杂。

通过现场实际测试，浙江正泰电气股份有限公司生产的XJ3-G相序继电器质量和发热情况等要明显好于正在使用的产品，替换后该产品已使用1年多时间，至今尚未发生故障。

几种方案对比后，发现最后一种方案最为实用可靠，且无需作改动。但由于继电器仍处于常励磁工作状态，仍然存在类似的工作环境，仅可降低故障发生的频次。

4 结论

在低压三相交流动力供电系统中，为防止三相交流电接入设备的相序不正确，导致设备运转不正常，需要对三相交流电相序进行检测控制，以确保在相序不正确或电压异常时，设备控制回路处于闭锁状态。但相序检测设备本身一旦发生故障，设备同样无法正常运转。作为三相异步电机正确运转时所需的相序接入保护，相序继电器被广泛应用在变电站的断路器、刀闸、变压器冷却器等控制回路中，其工作环境、质量和在控制电路中的使用及设计方法是否合理，都可影响继电器故障的频发程度。

对该500 kV变电站高压隔离开关的动力电源相序检测继电器频发连续性故障进行探讨分析，研究隔离开关无法正常操作的异常故障，查找到了故障频发原因，提出了解决的方法，可供同行解决类似问题时参考借鉴。