500kV断路器阻容加速分闸回路分析及故障模式研究

聂 航，钟齐勇

（南方电网调峰调频发电有限公司广州蓄能水电厂，广东 广州510950）

1 引言

500kV断路器为主网的重要电气设备，正常运行时需要承担大负荷电流，当电网发生故障时，需要与保护或安自装置配合，跳开500kV断路器快速切除故障，因此其分闸回路的可靠性对于电网的安全稳定运行至关重要，我们一般通过定期对分闸回路进行保护传动试验或者手动分闸试验以验证回路的完好性[1]，而对于断路器分闸回路中元件的检查有所忽视，导致无法及时发现或预测元件故障，存在拒动及损伤断路器分闸回路的风险，影响系统安全运行。

2 500kV断路器阻容加速分闸回路动态过程分析

某水电厂500kV开关站为五角型接线方式，通过3回500kV出线送出至广东电网，承担广东电网的调峰调频及应急响应的任务。500kV断路器为西门子8DQ1-550系列，其现地控制箱配置有2组分相分闸回路，接受保护操作箱的分闸命令，原理图见图1[2]。

图1中U为分闸回路直流电源，R1为断路器操作箱分闸保持继电器（串联其自保持接点），R2为线圈两端并联的限流电阻，R3为分闸线圈电阻，R4为阻容加速分闸回路电阻，C为阻容加速分闸回路电容，并串联有断路器位置辅助接点。

其分闸动态过程如下：分闸保持继电器励磁R1并自保持—分闸线圈R3励磁并跳开断路器（电容C充电）—开关位置接点断开（电容C放电）—结束，可以分为2个RC一阶电路：①在接受到分闸令后，直流电源对电容C进行充电；②在开关位置接点断开分闸回路后，电容C中存储的能量通过电阻放电。故全部可以利用一阶RC电路的时域分析方法[3]，计算得到分闸全过程的分闸回路的电气量。

图1 500kV开关分闸回路原理图

第1个动态过程分析：

（1）一阶电路的时间常数如下：

（2）电容电压：

根据三要素法计算得到电容电压为：

（3）电容电流：

Ic（t）初始时刻电流最大，然后随指数函数衰减。

（4）分闸电阻电压：

UR4（t）=分闸电阻的电压变化规律与电容相同。

（5）分闸电阻电流：

IR4（t）=分闸电阻电流变化规律与电容电压变化规律相似。

（6）分闸线圈电压：

（7）分闸线圈电流：

通过上述计算分析可知，设置阻容回路在第1个动态过程中的作用如下：在分闸指令施加到分闸回路的瞬间，由于电容电压不能突变，此时电容的两端相当于短路的状态，电阻不起作用，由于分闸线圈R3的电阻很小（15Ω），分闸线圈在短时间内流过大电流，让线圈衔铁快速吸合，快速跳闸。在此过程中阻容回路起一个建立瞬间大电流的作用，缩短断路器分闸时间，故称之为阻容分闸加速回路。

第2个动态过程分析：

（1）一阶电路的时间常数如下：

（2）电容电压：

根据三要素法计算得到电容电压为：

（3）电容电流：

Ic（t）=C×dUc（t）/dt=-C/τ×Uc（60ms）×e（-t/τ），电容电流为负值，说明此时电容在释放能量，并全部消耗在电阻上。

通过上述分析可知，设置阻容回路在第2个动态过程的作用如下：因开关跳开时需要通过断路器位置接点断开跳闸回路，电容C中储存的能量通过R释放，电流减小，有利于上述触点灭弧[4]，同时也防止电容中的能量损伤分闸线圈。

3 阻容加速分闸回路故障模式研究

阻容回路完好性的检查是一个经常被忽视的问题，但该回路承担着重要的作用，一旦出现故障，将导致断路器分闸速度变慢或者拒动，当电阻故障，将导致电容在充电期间的能量无法释放，如果故障恰好发生在分闸的瞬间，当电阻烧断后，由于电容处于充电状态，与该电阻相连的断路器分闸线圈必然受到损伤，因此必须对出现故障的电阻进行及时的处理。本文主要从两个方面分析电阻的故障情况：

（1）正常分闸过程电阻故障

某电站采用的电阻参数如下：功率型绕线电阻，15Ω，误差5%，耐压514V，额定功率32W。如上文分析，在断路器分闸的过程中电阻会承担两端电压快速上升然后又很快衰减的过程，这种运行工况对电阻是不利的。如果电阻存在匝间绝缘异常或薄弱的环节，就会在每次分闸后逐步产生电阻匝间的绝缘损坏，并造成损伤积累。

图2 电阻两端电压变化图

在电阻的绕线匝间绝缘产生损坏后，随着断路器操作次数的增多，匝间绝缘受损的绕线匝数将会逐渐增多，最终会在某一次分闸的时候，烧断电阻绕线，在后台显示断路器分闸回路断线，导致断路器失去一组跳闸回路，严重影响系统安全。

（2）线圈动作试验时电阻故障

按照南方电网电力设备检修试验规程的要求，500kV断路器分闸线圈要定期进行分闸动作电压试验，尤其是在30%额定动作电压下线圈不动作试验[5]，存在试验电压施加过长的可能。试验回路图见图3。

回路参数如下：R3=5.6Ω，R4=15Ω，C=130µF，U=30%Un=33V，R1//R2约等于2Ω

利用一阶RC电路分析方法计算电阻电压为：

UR4（t）=24.04-24.04e（-t/τ）

电阻电流为：

图3 断路器跳闸线圈动作电压测试图

因该试验为线圈不动作电压测试，如果单纯依靠人工手动控制，时间存在很大的不确定性，如长期施加试验电压，电阻在阻容电路进入稳态后承担的功率为：P=UR4（∞）×IR4（∞）=24.04V×1.6A=38.464W，超过了电阻的额定功率32W，如果散热不良，电阻无法长时间工作于超负荷状态的，将会烧损（图4为故障电阻现场图片）。

图4 故障电阻现场图片

4 结语

针对断路器正常分闸过程及分闸线圈预防性试验过程中可能造成的电阻烧损，可采取如下的维护策略及试验建议：

（1）在日常检修中增加电阻的检查内容，定期测量电阻值是否已严重偏离出厂值，收集历次定期检查数据并进行对比，判断电阻性能是否存在恶化趋势；检查电阻绕线匝间是否存在明显的短路或者断线；统计断路器的分闸次数，当积累至一定次数时，对电阻进行更换。

（2）在进行断路器分闸线圈动作电压测试时严格控制试验电源施加的时间，根据保护带断路器整组试验数据，在保护跳闸接点闭合后断路器位置触点约在70ms左右断开跳闸回路，因此建议采用的试验仪需具备精确控制输出电压脉宽的功能，整定试验电压的脉宽在70ms附近。