一起220 kV 断路器非全相保护误动事件分析 及回路改进方法

张 彬 林建雄 马永春

(广东电网有限责任公司汕头供电局 汕头 515041)

1 引言

电网中220 kV 及以上电压等级的断路器大部分运用分相操作机构[1-3]，由于外部环境、倒闸操作、设备质量、单相重合闸失败等各种因素，断路器将出现三相不同期合闸的异常情况，非全相运行时系统中将出现较大的负序和零序电流，对设备极为有害，严重时可能导致越级跳闸扩大事故范围，大大影响系统运行的稳定性和可靠性[4-5]。而非全相保护是有效防止断路器非全相运行事故的一种重要保护手段[6]。

非全相保护分为断路器本体非全相保护和微机非全相保护，由于本体非全相保护接线回路简单，动作可靠性高，故现场断路器通常采用此保护，但是由于220 kV 断路器设备多为户外敞开式设备，该保护回路设备长期在大雨、高温、潮湿等天气下运行，容易导致回路绝缘性能下降而发生保护误动[7-8]。鉴于此，电力系统内专家学者们都对如何提高断路器本体非全相保护动作准确性问题展开了研究。文献[9]提出对此类继电器从原理和结构进行立项反措，虽然能加强维护，但是未有实质性改进。文献[10]提出在本体非全相保护回路中增加零序和负序电流判据，实现对继电器常开接点的闭锁，但是当负荷较小时，保护可能拒动。文献[11]提出在回路中额外增加多个非全相时间继电器，虽然能避免单个继电器时间偏差，但是继电器越多，节点故障的风险越大。

本文介绍了断路器非全相保护两种实现方式的动作原理，以一起220 kV 线路断路器本体非全相保护误动事件为例，分析其误动的原因，并提出在启动回路和出口跳闸回路中分别串接断路器辅助触点的改进策略。

2 非全相保护动作原理

非全相保护分为电气量和断路器本体两种实现方式[12]。相比较而言，断路器本体非全相保护接线回路简单、串接接点较少、辅助判据较少、动作可靠性高，因而普遍应用于高压电力系统中。

2.1 电气量非全相保护

断路器电气量非全相保护是由微机实现的数字式断路器失灵启动及辅助保护装置来实现的，以深圳南瑞科技有限公司的PRS-723A 为例进行分析。

如图 1 所示，非全相保护由非全相接点启动，由软压板控制字及硬压板相“与”作用投退，并将负序电流或零序电流用于动作的辅助判据，可分别由“不一致经零序开放”(软压板)或“不一致经负序开放”(软压板)选择投退。当相应的“不一致零序过流元件”或“不一致负序过流元件”判据条件满足后，经可整定的“不一致动作时间”，非全相保护动作，出口跳闸[12]。

当三相均有电流且有不一致开入时，延时1 s钟报不一致异常，同时闭锁非全相保护。如果三相不均有流或无流且有不一致开入时则经10 s 延时报不一致异常告警。A、B、C 三相电流中相电流大于0.06 In时，则判为该相有流。

2.2 本体非全相保护

断路器本体非全相保护以北京ABB 高压开关设备有限公司为例，其接线图如图2 所示，K36 是 非全相时间继电器，K37、K38 是非全相出口继电器，LP31 是非全相保护投退压板，该保护将三相断路器的分位辅助常闭触点(BG1 222:221)并联、合位辅助常开触点(BG1 224:223)并联后再串联启动时间继电器K36，时间继电器经延时后启动非全相保护出口跳闸[13-14]。

3 案例分析

3.1 事故描述

事故前运行方式为：220 kV 某变电站220 kV某输电乙线正常运行，保护装置的非全相保护与断路器本体非全相保护均在投入状态，220 kV 某输电乙线4686 开关型号为LTB245E1，厂家为北京ABB高压开关设备有限公司。

事故主要经过为：某年某月某日10 时02 分220 kV 某输电乙线断路器跳闸，监控收到“220 kV某输电乙线第一组控制回路断线、220 kV 某输电乙线4686 开关位置分闸”等信号。运行人员到达事故现场进行检查，发现后台报文中保护无动作出口信息。除4686 开关分闸外，220 kV 某输电乙线保护屏保护装置无异常信息，录波装置启动录波，如图3 所示。从录波图分析，某输电乙线A、B、C 三相开关同时分闸，未出现非全相运行过程，分闸前三相电流平衡，零序电流为0。主一保护、主二保护、断路器辅助保护未动作，开关跳闸后，操作箱跳闸灯未亮，说明自操作箱以上没有保护动作向开关发跳令，保护装置行为正确。

3.2 现场检查

一次设备检查：220 kV 某输电乙线4686 开关确在分闸位置，该间隔设备外观、开关动作次数、SF6 压力正常；二次设备检查：后台报文、220 kV某输电乙线保护、220 kV 某输电乙线4686 开关机构箱及端子箱正常，在检查到4686 开关汇控箱时发现非全相信号灯(同时也是复归按钮)有亮灯，打开面板检查K34 非全相信号继电器动作。

对220 kV 某输电乙线4686 开关保护及二次回路检查发现，发现K36 非全相时间继电器有水汽。拆除开关本体非全相继电器K38、K37，时间继电器K36，并将该回路正电源拆除。继电器拆下来，大约10 min 后，继电器内水汽已全部蒸发，外观已恢复正常。进一步检查K36 继电器内部接点，发现有油水结合物，如图4 所示。

由此判断220 kV 某输电乙线4686 开关跳闸故障原因是K36 继电器接点(14-11)导通导致K38 继电器动作，回路原理图如图5 所示。K38 继电器动作后跳开关并接通K34 非全相信号继电器动作。但该信号只在开关本体机构灯光信号显示，设计图纸未接入后台报文，导致后台无报文信息，回路原理图如图6 所示。

3.3 绝缘测试验证

大约20 h 后，在室内干燥环境下用500 V 摇表测试K36、K37、K38 继电器接点两端绝缘，结果如表1 所示，从测试结果可以看出时间继电器K36 的接点(14-11)绝缘偏低。

3.4 模拟继电器受潮试验验证

模拟潮气渗入继电器：将K36 继电器放在正在烧水的壶上面，模拟受潮情况20 s 左右，测试(14-11)接点，绝缘继续降低，如图7 所示(用万用表测量只有21.63 MΩ，曾出现只有3.1 MΩ 的情况) 。

3.5 原因分析

根据以上排查结果分析，判断220 kV 某输电乙线4686 断路器跳闸故障原因是由于在高温潮湿或雨水天气下，水汽渗入导致本体非全相时间继电器K36 接点(14-11)绝缘逐步降低，导致(14-11)接点误导通，致使K38 继电器动作后跳开三相开关。

表1 K36、K37、K38 继电器接点两端绝缘阻值

4 断路器非全相保护回路改进方法

通过以上分析可知，此事件发生的直接原因是时间继电器绝缘降低，环境因素影响较大。而且目前220 kV 断路器本体非全相保护大部分都 没有设置零序和负序电流判据，跳闸回路简单。同时监控后台机无对应动作报文，严重影响对故障的快速判断。因此针对传统非全相保护回路的不足之处，提出新型断路器本体非全相保护回路改进方法。

4.1 非全相保护信号回路改进方法

该线路断路器本体非全相动作信号只在断路器本体机构灯光信号显示，设计图纸未接入后台报文，导致后台无报文信息，严重影响运行和监控人员对故障的快速判断和定位，延长了异常处理的时间，因此需要对设计图纸进行改进，如图8所示，将非全相动作信号图中的921 和922 接点接到对应线路测控屏，从而使后台能够及时收到本体继电器动作信号。

4.2 基于断路器辅助触点的保护回路改进方法

将非全相时间继电器K36 的辅助接点11 和21端子与正电源的602 接点解开，更改成和K36 继电器的A1 端子连接；将非全相出口继电器K37 和K38辅助接点11/21/31 和12/22/32 端子与正电源的601解开，改为与K36 继电器的A1 端子连接。改进后的保护回路如图9 所示，此接线方式下，即使非全相继电器K36、K37 和K38 的接点绝缘不良误导通的话，也不会导致本体非全相保护误动，因为K36、K37 和K38 继电器辅助接点与正电源之间串接了断路器的三对常开和三对常闭辅助触点，因此仅在断路器本体真正出现非全相运行时，断路器则有一对常开和常闭辅助触点导通，非全相保护才会动作，从而避免了因继电器故障或外部干扰而导致的保护误动。

5 试验验证

为了验证本文所提断路器本体非全相保护回路改进方案的可行性，进行了相关试验，试验对象为某 220 kV 线路备用甲、乙间隔，其开关型号为LTB245E1，厂家为北京ABB 高压开关设备有限公司。根据回路改进的图8 和图9，仅对220 kV 备用乙线断路器本体非全相保护回路进行改进，220 kV备用甲线断路器本体非全相保护回路保持不变。通过继保试验验证了保护动作的准确性和可靠性，试验结果如表2 所示。

表2 某220 kV 备用甲、乙线断路器非全相保护 试验参数及结果

由表2 可知，首先在220 kV 备用甲、乙线断路器AB 相合位、C 相分位时，对其进行非全相保护试验，试验结果验证了非全相保护回路及动作逻辑的正确性；通过两个断路器间隔的对比，可看出本文所提回路改进方案能使监控后台机实时收到非全相保护动作报文，方便了运行和监控人员对事故的快速判断和准确定位，缩短了异常处理的时间。

然后在220 kV 备用甲、乙线断路器ABC 相合位，同时模拟外部作用使非全相继电器励磁吸合的情况下，对其进行非全相保护试验，试验结果验证了外界因素使非全相继电器励磁吸合时，断路器辅助常闭常开接点能有效闭锁非全相保护动作回路。

该保护试验验证了本文非全相保护回路改进方案的有效性和可行性，能有效避免由于人为误碰、外力作用、继电器故障及环境因素引起的本体非全相保护回路误动，同时可以降低由于辅助开关触点故障引起的非全相保护回路误动，提高运行可靠性。

6 结论

针对如何提高断路器本体非全相保护动作的准确性，本文首先介绍了断路器非全相保护两种实现方式的动作原理，通过对一起220 kV 线路断路器本体非全相保护误动事件的分析，发现断路器本体非全相保护回路中时间继电器绝缘异常的缺陷，在传统的断路器本体非全相保护回路的基础上，提出一种基于断路器三对常开常闭辅助触点的非全相保护回路改进方法。试验结果验证了该非全相保护回路改进方案能够提高断路器本体非全相保护动作的正确性和可靠性，从而保障了电网设备的健康高效运行，具有较高的工程实用价值，同时为类似缺陷的排查及处理提供了借鉴。