500kV变电站开关故障分析

杨金戈

（广东省能源集团有限公司沙角C 电厂，广东 东莞523936）

1 概述

500KV 变电站是电力系统中非常重要的组成部分，分析500KV变电站的故障有利于掌握变电站的运行规律，杜绝故障的发生。沙角C电厂执行中调令断开500kV第五串联络5052 开关、5053 开关。当合上50521、50522 刀闸电动机220V 直流动力电源时，50521、50522 刀闸突然分闸，开关短引线保护一、保护二动作5052、5053 开关跳闸。

图1 故障前运行方式

2 故障过程

2.1 运行操作情况。2019 年8 月28 日，值长接到调度令：断开500kV第五串联络5052 开关；断开500kV第五串5053 开关；电气操作员接到值长令后，填写操作票经审核签名后到现场操作。首先在现场检查500kV第五串开关、刀闸状态及第五串5052、5053 就地GIS汇控柜情况，检查无异常；电气操作员送上第五串就地控制S2 柜-F2M （50521 刀闸、50522 刀闸、505217 地刀、505227 地刀操作电动机的动力电源）220V 直流空开时，50521 刀闸、50522 刀闸、5052 开关、5053 开关相继跳闸，现场检查50521 刀闸、50522 刀闸、5052 开关、5053 开关三相断开。电气操作员立即汇报值长，值长即将该事件汇报中调和电厂相关领导，通知继保班进厂检查处理。

2.2 保护动作情况及动作顺序。5052、5053 开关短引线保护一、保护二动作，故障相为A相，最大故障电流为10.26A(对应一次侧电流为41kA)，5053 开关三相跟跳动作，故障相电流显示为A相。故障录波报告显示故障相为5053 开关支路A相，继电保护正确动作。查阅500kV监视系统SOE，从SOE 结果看，开关及刀闸的分闸顺序依次是：50522 刀闸、50521 刀闸、5053 开关、5052 开关。

3 故障后检查情况

3.1 一次设备检查情况。检测人员分别检测5052、5053、50521、50522 刀闸气室SF6 分解物。发现5053 开关A 相气室的SO2为106ppm，H2S 为105ppm，50522 刀闸A 相气室的SO2为295ppm，H2S 为176ppm, 表明50522 刀闸A 相气室发生过电弧故障，5053 开关A 相断路器本体开断过故障电流。根据各气室SF6气体分解物的检测结果及故障录波结果分析，确定故障点位于50522 A相刀闸。50522 A相刀闸所在气室的所有部件因50522 刀闸误分闸导致的接地故障而受到严重污染，该气室内的三台A相隔离刀闸（50522、50531、50536）、三台A 相接地刀闸（505227、505317、505367）和四组CT（503、504 用于II 母母差保护；505、506用于沙东乙线T区保护）均需更换。5053 断路器A 相断路器由于切断过近距故障电流需解体检修。

3.2 二次回路检查情况。对50521、50522 刀闸二次回路的详细检查，可以排除刀闸控制回路接错线、联锁板跳闸出口接点击穿、联锁板功能失效、电缆绝缘下降、直流接地、交流窜入直流、寄生回路等设备原因引起的50521、50522 刀闸误分的可能性。500kV 远方监视系统SOE 记录本次50521、50522 刀闸几乎同时分闸，因此也排除停电过程中人为误操作的可能。

4 故障原因分析

4.1 设备情况。500kV开关站为户内SF6 气体绝缘全封闭组合电器，采用二分之三接线方式，瑞士ABB 公司生产的GIS 设备，设备制造时间为1991 年，投运时间为1992 年，500kV GIS 断路器型号为ELK.SP3-21，额定开断电流为50kA，隔离刀闸型号为ELK-TX/TV。第五串50521、50522 隔离刀闸操作闭锁逻辑完好。

4.2 短引线保护动作原因分析。当送上50521、50522 刀闸操作电动机220V 直流动力电源时，50521、50522 刀闸在5052 断路器仍在合闸运行状态时突然带负荷分闸，导致50522 A相刀闸在分闸过程中起弧，发生接地故障，最大故障电流达到41kA,造成5052、5053 开关短引线保护一、保护二动作，5053 开关保护三相跟跳动作，跳开5052、5053 开关，短引线保护一、二正确动作及出口，快速切除故障。

图2 刀闸分闸操作回路逻辑图

4.3 50521、50522 刀闸异常分闸的原因分析。分析50521、50522 刀闸分、合闸控制回路图，发现该控制回路设计原理存在安全隐患：50521、50522 刀闸分、合闸回路均设计自保持电路，该自保持电路不受50521、50522 刀闸的动力电源开关F2M控制，在开关断开、刀闸在合闸状态、刀闸动力电源退出的情况下，如进行刀闸分闸操作，将导致分闸自保持回路持续导通，在下一次投入动力电源时，将触发刀闸直接分闸。在正常情况下，控制电源F2、动力电源F2M都合上，该设计不存在安全漏洞。此时即使有人为分闸信号，信号无法通过电气五防逻辑闭锁，无法导致分闸自保持回路持续导通，分析以下情况。

4.3.1 50521 刀闸动力电源开关F2M合上。在5052 开关在合闸状态、50521 刀闸在合上状态，此时操作拉开50521 刀闸，由于刀闸分闸的联锁条件不满足，联锁板无分闸指令输出，50521 刀闸分闸继电器K21A1、K21A2、K21A3 继电器不会动作，50521 刀闸无法拉开。

在5052 开关在分闸状态、50521 刀闸在合上状态，此时操作拉开50521 刀闸，由于刀闸分闸的联锁条件满足，联锁板有分闸指令输出，50521 刀闸分闸继电器K21A1、K21A2、K21A3 继电器动作，50521 刀闸正常拉开，不会导致带负荷拉刀闸，对系统不会造成任何不良影响。当50521 刀闸拉开后，刀闸常开辅助接点（25、26）打开，分闸继电器K21A1、K21A2、K21A3 自动返回，不会自保持。

4.3.2 50521 刀闸动力电源开关F2M断开。在5052 开关在合闸状态、50521 刀闸在合上状态，此时操作拉开50521 刀闸，由于刀闸分闸的联锁条件不满足，联锁板无分闸指令输出，50521 刀闸分闸继电器K21A1、K21A2、K21A3 继电器不会动作，50521 刀闸无法拉开。

在5052 开关在分闸状态、50521 刀闸在合上状态，此时操作拉开50521 刀闸，由于刀闸分闸的联锁条件满足，联锁板有分闸指令输出，50521 刀闸分闸继电器K21A1、K21A2、K21A3 继电器动作，但是由于50521 刀闸电机没有动力电源，50521 刀闸不会拉开，50521 刀闸常开辅助接点（25、26）一直闭合，则分闸继电器回路长期自保持。即使合上5052 开关，50521 刀闸联锁板输出的分闸指令也仍然长期存在，而当再次送上50521 刀闸动力电源F2M时，50521 刀闸会自动分闸，可能造成带负荷拉刀闸的严重后果。

4.3.3 比较其它分闸继电器。通过以上分析可以看出，当刀闸的动力电源断开后，若开关在热备用状态，由于某种意外原因造成刀闸的分闸继电器动作，则刀闸的分闸指令将一直自保持，当再次送上刀闸动力电源后存在带负荷拉刀闸的安全隐患。从ABB公司了解的信息, 目前ABB公司新设计的控制回路是在其马达回路中设置电压型中间继电器，把继电器的常开接点接入刀闸的控制回路，可防止刀闸分、合闸自保持回路误动作。

为了间接验证这种推测，2019 年9 月5 日拆下同一时期投用且运行条件相似的分闸继电器进行对比，发现K21A1 继电器线圈偏深，说明50521 刀闸的分闸继电器极可能处于带电状态并自保持了比较长的时间。

5 改进措施

针对隔离刀闸分、合闸控制回路中的自保持回路存在的设计功能不完善问题，可采用在刀闸操作电动机回路上设置电压型中间继电器，把继电器的常开接点接入刀闸的控制电源回路。当刀闸的控制电源开关投入、动力电源开关断开时由于中间继电器失电，其常开接点打开，刀闸的控制电源回路被切断。这种情况下，即便开关在热备用状态，由于某种意外原因，误动刀闸的分闸按扭，刀闸分闸继电器也不会动作，可防止开关合闸时，再次送上刀闸动力电源，刀闸自动分闸的情况，避免带负荷拉刀闸。改进后，即使是刀闸控制电源和操作电机电源长期投入，也能保障当电机电源回路失电的情况下可避免带负荷拉刀闸。该改进措施适用于500kV升压站内所有隔离刀闸和接地刀闸。

国内外刀闸的出厂设计均以刀闸电源保持投入进行考虑，如采取刀闸操作电源长期退出的措施，表面上依靠人工投退电源可避免刀闸误分合，但实际影响原有信号监控，且经常性投退操作电源对复杂控制回路的影响无法充分辨识，存在可能导致继电器损坏、接点导通等原因引起刀闸自动分合闸的情况。

6 结论

通过分析本次故障的过程，我们找出了500kV隔离刀闸带负荷拉跳开的原因是由于控制回路的自保持回路存在不合理设计。针对隔离刀闸分、合闸控制回路中的自保持回路存在的设计功能不完善问题，采用在刀闸操作电动机回路上设置电压型中间继电器，把继电器的常开接点接入刀闸的控制电源回路中。我们还将改进措施应用于500kV升压站内所有隔离刀闸和接地刀闸，杜绝事故再次发生。