断路器操作机构TBJ误动作风险分析

2021-07-22张丽许守东姜訸胡永承

云南电力技术 2021年3期

张丽，许守东，姜訸，胡永承

（1. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2.南京智汇电力技术有限公司，江苏南京 211100）

0 前言

断路器控制回路是通过电气回路来实现的，它是一个由继电器及相关二次回路构成、能满足断路器控制回路要求的最为简单的回路，断路器能否正确控制电网设备、送出或断开负荷电流、切除故障，其控制回路尤为重要。由于断路器的种类和型号是多种多样，故控制回路的接线方式也很多，但其基本原理与要求是相似的。断路器控制回路继电器包括断路器操作箱内电子式继电器、断路器本体机构箱电磁式继电器以及连接保护室至开关厂的控制电缆组成，当控制回路、继电器动作行为异常或者电缆绝缘异常，都会造成断路器控制回路故障，导致断路器误跳或拒跳事故发生[1-5]。

下面结合一起220 kV变电站110 kV断路器操作箱TBJ误动作导致断路器不正确动作事件，对断路器操作箱TBJ误动作风险进行分析并提出改进意见。

1 事件分析

某220 kV变电站继电保护装置压板投入运行前，运行人员开展例行出口压板电压测量，误将万用表测量电压的线错误接在了电流档上，造成110 kV断路器跳闸回路直流（-110 V）经万用表电流档小内阻接地，导致断路器操作箱跳闸保持继电器TBJ线圈励磁，运行中的断路器跳闸。断路器跳闸回路示意图如图1所示。

图1 断路器跳闸回路

1.1 元件检查测试

检查断路器TBJ继电器动作电流，是否满足《南方电网继电保护通用技术规范》以及《南方电网电力系统继电保护反事故措施汇编》：“单口继电器的自保持电流不应大于额定跳（合）电流的50%，线圈压降小于额定值的5%”[6-11]。断路器TBJ继电器为自适应电流型继电器，相关参数测试结果如表1所示，断路器TBJ动作特性及返回特性满足要求。

表1 继电器特性测试

1.2 直流系统电流的暂、稳态分析

开展对地电容与直流系统叠加电流的暂、稳态分析；开展接地时对地电容电流与直流电流的KCL分析。

1.2.1 电流测试

跳闸回路如图1所示，其中TBJ均为电流型继电器。经万用表测试，断路器TBJ并联所谓的“自适应元件”，电阻值约为4.7 Ω，跳闸线圈电阻值约为96 Ω，跳闸回路简化电路如图2所示。其中，A和B为试验电流监测点，测点A布置于支路1（出口压板处），用于开展KCL分析；测点B布置于支路2（TBJ与跳闸线圈TQ）之间，用于开展跳闸逻辑分析。

图2 跳闸回路简化电路图

根据TBJ和TQ功能，TBJ启动瞬间将导通支路3，引入+km；TQ跳闸完成瞬间将断开支路2，隔断电流。基于电路KCL理论分析：

系统正常运行时，TBJ未启动，断路器处于合闸位置，支路1的电流等于支路3的电流（支路1无接地时均为0，有接地时均为对地电容放电电流值）；

系统故障时的暂态瞬间，TBJ启动，断路器处于未完全分开位置，支路2的电流为支路1与支路3的电流之和。

1.2.2 断路器跳闸情景模拟

情景模拟前均将断路器置于合位。带+km经万用表接地，布置监测点于测点A和B，断路器TBJ线圈电流波形如图3所示。

图3 测点支路电流情况（左：测点A；右：测点B）

测点A：带+km经万用表接地时暂态最大电流为7.39 A，有效值为3.243 A，暂态时长约为4 ms；稳态电流为1.52 A，稳态电流经支路3和支路1流入接地点，不流入TBJ回路。

测点B：带+km经万用表接地时暂态最大电流为2.01 A，有效值为1.234 A，暂态时长约为50 ms，超过动作电流0.155 A，故TBJ动作，断路器跳闸；稳态电流为0 A。

1.3 原因分析

通过对相关单体元件的测试和情景还原，结合电路原理的理论分析，当TBJ接地时，直流负母线对地电容会对断路器操作回路进行放电，放电过程如图4所示。当放电衰减时间及放电电流的某个物理意义值（幅值、均值或有效值）都超过TBJ的动作值时，可能就会引起TBJ动作继而造成断路器跳闸。

图4 TBJ线圈接地时的放电示意图

综合以上原理分析，TBJ线圈接地时造成断路器误跳闸的主要原因可能如下：

1）变电站直流系统回路电缆长、对地分布电容较大；

2）断路器TBJ回路抗干扰能力不足（TBJ整定值不合理或对流过TBJ的电流控制不足）。

由于目前还没有有效办法消除或降低直流系统对地分布电容，且110 kV及以下断路器操作箱TBJ为电流型自适应继电器，因此若想从技术措施方面解决这一问题，可提高对流过TBJ的电流控制来解决这一问题。

2 防范技术分析

结合事件的原因分析及其他类似事件的技术处理经验，TBJ误动作的技术防范措施可借鉴继电器加装并联电阻的方式，厂家提供针对110 kV断路器TBJ为自适应继电器，建议TBJ采用1.5Ω电阻的并联方案。

2.1 理论计算

经测试，断路器跳闸线圈电阻值约为96.3 Ω，电感值约为1.038 H。110 kV对地电容值参考为30 uF。基于电容和电感的电气特性[3]，可知暂态时段KVL方程如下：

对应带入相关上述数值，根据特征根求解二阶微分方程，可得未并电阻时，TBJ回路的特征值为137.03和-234.34，故TBJ回路电流通用模型分别为：

由于e234.34t的斜率曲线为234.34e234.34t，其毫秒级的增量也远大于实际，故特征值-234.34仅为数学意义上的解，故可令B=0。

由于C为暂态时的定量，可与直流电源电流特性相匹配，故C暂按保护正确出口时的电流进行欧姆定律计算，约为2.178 A。

因此Ae-137.03t为暂态时的变量，故可与对地电容电流相匹配。取1 ms时的值与测试数据的峰值进行比例折算修正，得A=0.38。

综上假设可建立未并电阻时流过TBJ回路的电流模型可近似等效为：

根据厂家提供的TBJ采用1.5 Ω，同上述分析方法，得并电阻时流过TBJ回路的电流模型可近似等效为：

假设发生接地时断路器跳闸，则1 ms时TBJ回路电流峰值为2.509A，则50 ms内的有效值为：

进一步依据分流原理计算，流过TBJ继电器的电流有效值为0.121 A，小于TBJ动作值不能跳闸，这与假设前提矛盾，故原假设错误，实际为未跳闸。该方案可行。

2.2 实验验证

1）带+ km经万用表接地，布置监测点于测点A和B，TBJ线圈电流波形如图5所示。

图5 测点支路电流情况（左：测点A；右：测点B）

测点A：带+ km经万用表接地时暂态最大电流为0.313 A，有效值为0.145 A，暂态时长约为41.8 ms；稳态电流为0 A。

测点B：带+ km经万用表接地时暂态最大电流为0.373 A，有效值为0.187 A，暂态时长约为34.9 ms，未超过动作电流0.155 A，故TBJ不动作，101未跳闸；稳态电流为0 A。

2）正常情况下保护动作，布置监测点于测点B，TBJ线圈电流波形如图6所示。

图6 测点支路电流情况（测点B）

测点B：正常情况保护动作时暂态最大电流为1.893 A，有效值为1.289 A，暂态时长约为44.8 ms，超过动作电流0.155 A，故TBJ动作，101跳闸；稳态电流为0 A。

3 TBJ误动作风险评估

1）现有规程的要求：根据标准T / CEC 124-2016《断路器操作箱通用技术条件》，适用于220 kV及以上电压等级断路器操作箱，保持继电器额定电流可采用动作电流自适应方式或在一定范围内按极差整定方式，实际动作电流不应大于断路器跳合闸线圈额定电流的50%，按级差整定时，保持继电器的实际动作电流宜不小于断路器跳合闸线圈额定电流的20%。

2）主流厂家设备情况：少量TBJ采用电流自适应方式，其余厂家均采用跳线方式，在投产调试时根据现场跳闸回路的额定电流值进行整定。其他采用跳线整定方式，且TBJ动作值为整定电流的25%～50%，只要TBJ的动作电流严格按照断路器跳闸回路额定电流进行整定，可避免直流一点接地导致TBJ误动。

自适应方式：其TBJ启动电流不小于0.5 A，考虑到云南电网220 kV及以上电压等级断路器跳闸回路额定电流为1 A至2 A之间，也满足大于20%的要求，可避免直流一点接地导致TBJ误动。

跳线整定方式：默认启动电流为0.15~0.25 A；许继公司采用自适应方式，可提供焊接整定，默认启动电流为0.25 A。两个厂家TBJ启动电流均可现场整定，验收及定检过程中，严格按照标准《断路器操作箱通用技术条件》及《10 kV～500 kV输变电及配电工程质量验收与评定标准（2012版）》中“操作箱跳、合闸保持继电器检查”条款，并依据断路器跳闸回路额定电流进行整定。可避免直流一点接地导致TBJ误动风险。

3）投产调试情况：根据规程规定，要求动作电流小于断路器额定跳闸电流的50%，投产调试时会根据断路器跳闸额定电流进行跳线整定。

4 改进措施

结合对不同电压等级的断路器出口控制回路分析，对断路器操作箱跳闸保持继电器TBJ的误动作风险评估总结：

1）220 kV及以上电压等级，在验收或定检过程中，若严格按照《断路器操作箱通用技术条件》、《10 kV～500 kV输变电及配电工程质量验收与评定标准（2012版）》相关条款，开展断路器跳闸回路额定电流的整定，再发生TBJ线圈正极直流接地时，可避免直流一点接地导致TBJ误动。

2）110 kV及以下电压等级断路器操作箱TBJ采用自适应方式，现场无法整定。如果启动电流值过低，当直流系统电容电流较大时，存在TBJ误动作隐患。但考虑保护装置动作接点至操作箱TBJ线圈正极这段回路是屏内配线，发生线缆破损接地概率较小。

3）正常运行时，该风险只存在保护装置动作接点至操作箱TBJ线圈正极这段回路中，目前，运行中没有发生过在因TBJ线圈正极回路线缆破损接地引起的误动作。公司系统内发生的几起案例均属于人员操作不当导致。

4）断路器操作箱TBJ线圈正极一点直流接地时，对地电容电流是一个相对变化的量。首先，TBJ线圈正极接地时，平衡桥电阻的大小决定了变电站一点接地瞬间的电容电流的大小；其次，随着变电站内的不断改扩建，该站的规模发生变化后，全站的电容电流也随之变化，通过对TBJ一次参数调整或采用并电阻后，不能保证电容电流变化后TBJ不再误动，因此，要结合定检停电检修时，及时测试该站的电容电流，并动态合理调整TBJ启动电流值；此外，重点还在于防止人为原因造成TBJ线圈正极一点接地。

5）从电网风险的角度进行评估，防TBJ线圈正极一点接地误动，可以通过对TBJ线圈正极一点接地的电容电流的测试、TBJ的启动电流测试以及对跳闸电流的综合考虑，采取并电阻的方式，避免了电网的误动风险，但并电阻后通过抬高TBJ启动电流值降低了该继电器的灵敏性，并电阻后TBJ及操作回路的可靠性问题，可能引起电网拒动的风险。