关于CSM电子式时间继电器寿命分析应对策略

金垚，陈强，周霄

（南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司，广东广州，510000）

0 引言

惠州蓄能水电厂主机设备为法国ALSTOM公司生产制造。每台发电机组通过18kV封闭母线连接至500kV主变压器低压侧。然后每两台主变作为一个单元，其高压侧在地下厂房通过500kVGIS设备并接至500kV干式高压电缆，然后通过高压电缆洞送至地面500kV开关站接入电网。惠州蓄能水电厂共安装有8台300MW的可逆式机组、8台500kV主变压器以及4条500kV高压电缆。根据设计，惠州蓄能水电厂的机组保护、主变保护、500kV高压电缆保护装置均采用法国AREVA公司生产制造的P系列保护装置，其在保护设备中大量使用了CSM型号的时间继电器。同时惠州蓄能水电厂励磁系统也由ALSTOM公司生产制造，ALSTOM公司在励磁系统的控制回路中也部分使用了CSM型号时间继电器。CSM时间继电器在惠州蓄能水电厂中应用较为广泛，而且十分重要。

1 CSM时间继电器工作分析

1.1 CSM时间继电器概述

惠州蓄能水电厂CSM时间继电器品牌为MTI，其型号为CSM24-240AC/DC。它是一种多功能，多量程的电子式时间继电器，本身具有ET、MT、P.ET、P.MT、K、T多种功能模式，时间调节范围广。根据ALSTOM公司的设计，在惠州蓄能水电厂的各保护系统中，CSM时间继电器正常工作时有两种状态，分别是通电延时状态和失电延时状态。其中处于失电延时状态的CSM时间继电器工作在常励磁状态，其线圈一直处于励磁状态，其A1、B1均带正电，A2带负电，这也是我们后面主要讨论的工作状态。处于通电延时状态的CSM时间继电器则工作在常失磁状态，其线圈一直处于失磁状态，A2带负电，只有回路接通时A1引入正电。每个CSM时间继电器有4对节点，其中两对为瞬时节点，两对为延时节点，根据具体实际情况分别使用。

1.2 CSM时间继电器在各保护系统中的应用分析

图1 CSM时间继电器工作模式以及节点配置情况

根据ALSTOM厂家设计，惠州蓄能水电厂机组保护系统中CSM时间继电器002XT用于监视18kV母线设备中换相刀闸的工作状态。通过继电器002XO、007XF、008XF构成的监视回路，能够保证换相刀闸处于分闸状态、发电工况合闸状态以及抽水工况合闸状态时，其正常状态均能使CSM时间继电器002XT的B1端子引入正电，使得002XT继电器一直处于励磁状态。机组保护装置的CSM时间继电器005XT用于监视机组保护装置A套以及B套的电源状态。当只要机组保护A套装置电源监视继电器008XU和机组保护B套装置电源监视继电器005XU中任一继电器励磁时，CSM继电器005XT的B1端接通，005XT处于励磁状态；当电源监视继电器008XU和009XU同时失磁时，CSM继电器005XT的B1端子失去正电，从而继电器005XT失磁后出口回路延时动作。同时也我们也可以分析出，CSM时间继电器002XT、005XT由于继电器本身故障损坏时，会回到失磁状态，其常闭节点会动作，机组保护出口回路接通，从而造成机组跳闸，后果较为严重。同样，在电缆保护中也设置有CSM时间继电器001XT工作在常励磁状态下监视电缆保护电源，在主变保护中也设置有CSM时间继电器003XT工作在常励磁状态下监视电缆保护电源。只要这些CSM时间继电器失磁动作时都会导致对应的保护装置出口跳闸，造成较为严重的后果。

图2 机组保护002XT和005XT接线图

1.3 CSM时间继电器在励磁系统中的应用分析

同时，惠州蓄能水电厂励磁系统采用法国ALSTOM生产制造的P320型励磁装置。该励磁系统工作十分稳定、维护方便。P320型励磁装置调节控制部分采用两套整合有自动励磁电压调节和自动励磁电流调节的调节器，两套调节器之间相互跟踪，以实现相互间的无扰动切换。调节部分的电源采用双电源方式，能够实现相互之间无间断切换，且各调节器电源相互独立、互不影响，以满足稳定、可靠运行的需要。该P320型励磁系统的控制和测量部分采用插件形式，在每个插件的面板上配置有输入、输出部分的参数测量点，调节、维护极为方便。励磁系统的整流装置由两个完全相同的可控硅桥并联而成，每组可控硅桥装有6个型号为DCR3030V35型号的可控硅，分别装设在2个盘柜中，并配有散热风扇。在P320型励磁装置中，厂家共设置有4个CSM时间继电器，其中继电器K13、K23用来控制励磁系统调节器的切换，继电器K100、K101用来控制可控硅桥的切换。

图3 P320型励磁装置可控硅桥切换控制图

当励磁系统的可控硅桥控制方式置于桥1时，则继电器K70的11-12节点接通，可控硅桥1本身无故障时，继电器K19的11-12节点接通，从而CSM时间继电器K100的B1端接通，K100处于励磁状态。即可控硅桥1工作时，CSM继电器100处于励磁状态。同样当励磁系统可控硅桥2工作时，CSM继电器101处于励磁状态。励磁系统调节器通道1和调节器通道2的运行方式也与之类似，即励磁系统调节器通道1工作时，CSM时间继电器K13处于励磁状态；即励磁系统调节器通道2工作时，CSM时间继电器K23也处于励磁状态。同时，我们对励磁系统制定了运行策略，让励磁系统调节器的2个通道和2个可控硅桥均处于轮流运行的状态。在奇数年励磁系统调节器通道1和可控硅桥1运行，偶数年时励磁系统调节器通道2和可控硅桥2运行。由上述分析我们可以知道，励磁系统中CSM时间继电器K13、K23、K100及K101实际处于常励磁运行状态的时间励磁系统投运总时间的一半。

1.4 CSM时间继电器的运行统计情况及分析

根据惠州蓄能水电厂的设备实际情况，法国ALSTOM公司在每台机组保护中使用了5个CSM时间继电器，其中2个工作在常励磁状态，另外3个工作在常失磁状态；每台主变压器保护中使用了2个CSM时间继电器，其中1个工作在常励磁状态，另外1个工作在常失磁状态；每条电缆保护中使用了1个CSM时间继电器，该继电器一直工作在常励磁状态；每台励磁中使用了4个CSM时间继电器，这4各继电器均处于轮换励磁工作的状态。因此惠州蓄能水电厂共计有常励磁工作CSM时间继电器28个，常失磁状态CSM时间继电器32个，处于轮换常励磁工作状态CSM时间继电器32个。根据惠州蓄能水电厂的历年设备的运行情况，统计出最近几年损坏的CSM时间继电器情况，详见表1。

表1 惠州蓄能水电厂近年CSM时间继电器损坏情况一览表

由上述统计可以看出，惠州蓄能水电厂自2011年全厂投运后，所使用的CSM电子式时间继电器从2014年开始逐步出现损坏的报告。在第一次损坏时，该继电器故障直接导致机组保护出口动作，但由于当时#3机组本身处于停机状态，未造成其他后果，未引起重视，运维人员仅将该继电器进行更换处理。当2015年再次出现CSM时间继电器损坏时，由于#8机组正处于泵工况运行状态，本次故障便导致#8机组跳机。当此次故障发生后，惠州蓄能水电厂高度重视，立刻采取措施，首先对故障的原因进行了详细的分析，制定了完善的优化改造方案，并立即着手实施相关改造优化工作。于是从2016年开始，惠州蓄能水电厂检修部门结合机组检修期，对全厂所有涉及到CSM继电器的相关回路进行了全面彻底的优化改进，将原相关常励磁CSM时间继电器的动作后果由原来的跳闸出口改为报警出口。这样既保障了CSM时间继电器故障后运行人员通过监控系统依旧能够及时看到告警信号，及时通知检修人员处理缺陷，但是也不会造成保护装置出口跳闸，降低了设备运行风险。同时结合设备运行统计情况可以发现，即便在惠蓄电厂进行保护装置回路优化改进后，相关设备仍然出现了5次由于CSM时间继电器处于长期励磁情况导致损坏的故障，其中有3次故障是在机组带负荷运行的情况下发生。可以看出，惠州蓄能水电厂通过本次回路优化升级，大大优化了CSM时间继电器动作后果逻辑，将跳闸出口改为报警信号，从而避免了设备在运行过程中由于保护装置CSM时间继电器故障后造成的机组误跳闸风险，大大提高了设备的可靠性。但同时我们也可以看出，单纯针对CSM时间继电器回路的优化改进，并不能解决CSM时间继电器本身损坏的问题。根据统计可以发现，CSM电子式时间继电器工作在常励磁方式时，大约经过4～6年时间的运行后，其工作可靠性出现明显降低的情况，损坏概率急剧增加。而且可以发现，在惠州蓄能水电厂所使用的CSM时间继电器中，所损坏的继电器全部工作在常励磁状态下，而所有的常失磁状态CSM继电器均没有损坏。即便是在励磁系统中轮换工作的常励磁状态的CSM时间继电器，其也未出现过损坏的报告。因此我们可以发现，CSM时间继电器在常励磁的工作条件下，其使用寿命将会大大下降。同时查看该继电器说明书中并无关于电气寿命的描述，仅有关于机械寿命的描述，机械寿命的厂家保证值为5百万次，因此当前已损坏的CSM时间继电器均远未达到其机械寿命。上述所有的CSM时间继电器均在按照要求每次定检维护时进行了常规的试验，测量继电器的直阻、接触电阻、动作时间等项目，确认继电器在每次定检时处于良好的状态。同时，继电器的工作环境良好，为地下厂房，厂房温湿度基本保持恒定。将故障CSM时间继电器进行解体检查，拆开外壳检查内部接线及元器件外观情况，确认其电路板及元器件外观状态均处于良好状态，并未发现明显的故障痕迹，因此也无法通过对CSM时间继电器检查外观来确认继电器的状况。

2 总结

根据上述分析，我们在使用CSM时间继电器时，要结合其使用工作条件和使用寿命来进行管控，针对重点设备做好统计分析，做出更有针对性、更加有效的检修策略。当CSM时间继电器应用于保护装置时，应当结合保护装置3年、6年的部检以及全检时间及时将其更换。对于应用在其他系统的CSM时间继电器，可以酌情结合设备定检机会将其更换。惠州蓄能水电厂检修维护人员自2019年年中开始，更换了新的运维策略。对机组保护、主变保护以及发高压电缆保护装置中处于常励磁状态的CSM时间继电器在每次保护装置定检时都进行更换。经过一轮检修周期后，保护装置中处于常励磁状态的CSM时间继电器均更换完成。后续运行结果也非常良好，采用新的管控策略后的常励磁状态的CSM时间继电器未再出现损坏的报告。对于惠蓄电厂励磁系统中的CSM继电器，结合励磁系统每年定检的周期，设定6年周期对其进行更换。采用该策略后，惠州蓄能水电厂励磁系统中的CSM时间继电器工作状态良好，未出现损坏的报告。同时，这些情况也提示我们在设计继电器的动作回路时，应当根据设备的重要程度考虑是否使用常开节点还是常闭节点进行设置出口。当设备重要度极高，后果非常严重时，我们需要考虑使用常闭节点保障设备安全。当设备的重要度下降，需要优先考虑误动风险时，我们需要优先考虑常开节点出口，以降低设备误动的几率。底解决工作中的问题。

图4 故障继电器的内部结构图