【導(dǎo)讀】貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司都勻供電局的研究人員柏文健、岑榮佳，在2019年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，提出一種新型三相不一致保護(hù)控制回路，該保護(hù)控制回路增加了繼電器和觸點(diǎn)的數(shù)目并改變了原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
對(duì)比傳統(tǒng)三相不一致控制回路中存在的器件易老化、時(shí)間繼電器可靠性差等不足，本回路具有對(duì)器件依賴性低，防老化性能更好、可靠性更高的特點(diǎn)。同時(shí)針對(duì)電網(wǎng)故障排查中遇到的時(shí)間繼電器校準(zhǔn)存在的步驟復(fù)雜、需要斷電等問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討和分析。
三相不一致運(yùn)行是指電力系統(tǒng)中某一支路上三相中的單相或者兩相斷開(kāi)運(yùn)行的情況。對(duì)于部分高壓和所有超高壓、特高壓的電壓等級(jí)的電網(wǎng)，出于對(duì)高壓絕緣、系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)繼電保護(hù)配置的考慮，系統(tǒng)大范圍的采用分相斷路器，并配置有單相重合閘保護(hù)且采用后加速保護(hù)。
同時(shí)由于裝置和人工操作等因素，系統(tǒng)在正常工作過(guò)程中會(huì)不可避免的處于三相斷路器分相狀態(tài)不一致的異常運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)配置可以反映斷路器非全相運(yùn)行狀態(tài)的非全相保護(hù)，作用于跳開(kāi)已處于不正常狀態(tài)的斷路器。根據(jù)GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》，220～500kV斷路器三相不一致，應(yīng)盡量采用斷路器的本體三相不一致保護(hù)，而不再另外設(shè)置同類保護(hù)。
但是，在實(shí)際的工況運(yùn)行下，斷路器控制回路的可靠性相對(duì)較低，主要原因是二次回路中采用的接觸器、繼電器等關(guān)鍵元件運(yùn)行工況較差，斷路器的三相不一致保護(hù)控制回路中的時(shí)間繼電器需要定時(shí)的校檢，從而才能保證供電的可靠性。
關(guān)于三相不一致回路改進(jìn)的研究有很多，各有側(cè)重，文獻(xiàn)[7]提出的控制回路降低了對(duì)于器件的依賴性，提高了保護(hù)的可靠性，但是一定程度上增加了檢修的負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[8-9]則提出改變回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及增加繼電器數(shù)量實(shí)現(xiàn)防誤動(dòng)的功能，卻沒(méi)有考慮器件的運(yùn)行工況對(duì)可靠性的影響。文獻(xiàn)[10]則通過(guò)增加觸點(diǎn)降低對(duì)運(yùn)行工況的要求。
隨著技術(shù)水平的進(jìn)步和對(duì)供電可靠要求的不斷提高，新的問(wèn)題在實(shí)際運(yùn)行中不斷的被發(fā)現(xiàn)，綜合考慮并改進(jìn)保護(hù)原有存在的不足是很有必要的。
本文先介紹了傳統(tǒng)的經(jīng)典三相不一致保護(hù)控制回路，分析其中存在的問(wèn)題。針對(duì)這些接觸器、繼電器存在的隱患，提出了一種新型的三相不一致保護(hù)控制回路。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新型控制回路可以有效地解決回路的自保持問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)防跳，并有效地降低了觸點(diǎn)損壞老化對(duì)保護(hù)回路的影響。
同時(shí)對(duì)于工程校檢時(shí)間繼電器存在的步驟復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，提出了一種新型的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校檢裝置的設(shè)想，不僅可以減少工作人員的工作量，還能夠提供記錄歷史數(shù)據(jù)功能。
1 典型斷路器三相不一致保護(hù)
1.1 典型保護(hù)控制回路
目前電力系統(tǒng)三相不一致保護(hù)的跳閘回路如圖1所示。典型回路中的核心元件是時(shí)間繼電器TS和跳閘輔助繼電器K61。
圖1典型斷路器本體三相不一致保護(hù)回路
保護(hù)控制回路由斷路器的一組三相常開(kāi)觸點(diǎn)和一組三相常閉觸點(diǎn)串并聯(lián)組成。
當(dāng)出現(xiàn)三相不一致運(yùn)行的情況時(shí)，以上常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)各自至少有一相處于閉合狀態(tài)，于是形成了通路，使時(shí)間繼電器TS和跳閘繼電器K61處于通電狀態(tài)，跳開(kāi)故障的斷路器，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
1.2 典型三相不一致保護(hù)的缺陷
典型的三相不一致保護(hù)在實(shí)際使用中存在著諸多的缺陷，其中最主要的問(wèn)題在于核心時(shí)間繼電器元件的可靠性問(wèn)題。如起動(dòng)回路中只使用了一個(gè)時(shí)間繼電器，可靠性較低，時(shí)間繼電器的整定時(shí)間需要滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性與繼電保護(hù)速動(dòng)性的要求，同時(shí)需要與單相重合閘的整定時(shí)間相配合，若時(shí)間繼電器的發(fā)生動(dòng)作時(shí)間偏移，則三相不一致保護(hù)可能會(huì)引起誤動(dòng)作。
三相不一致保護(hù)的整定時(shí)間也應(yīng)與零序和負(fù)序保護(hù)的整定時(shí)間相配合。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于時(shí)間繼電器的故障導(dǎo)致的誤動(dòng)作占三相不一致保護(hù)誤動(dòng)作的70%。而三相不一致保護(hù)的誤動(dòng)作會(huì)對(duì)電網(wǎng)、發(fā)電機(jī)、變壓器等重要電力設(shè)備產(chǎn)生諸多危害，嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
另外，目前斷路器三相不一致保護(hù)的繼電器工作環(huán)境惡劣，特別是由于其長(zhǎng)期在戶外運(yùn)行，內(nèi)部精密器件易受影響。同時(shí)繼電器和觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)與選型標(biāo)準(zhǔn)尚不完整，復(fù)雜的工作環(huán)境可能導(dǎo)致其常開(kāi)觸點(diǎn)老化或者氧化造成保護(hù)拒動(dòng)，或者由于受潮和絕緣降低存在著誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。即使是ABB、OMRON的部分器件也存在此問(wèn)題。
綜上所述，目前典型的保護(hù)控制回路的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用元件較少。從保護(hù)原理角度，回路采用更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)提高了保護(hù)的可靠性。然而，典型控制回路對(duì)于時(shí)間繼電器的依賴較高，不能很好解決繼電器的老化、氧化等問(wèn)題。
2 新型斷路器三相不一致保護(hù)
2.1 新型保護(hù)控制回路
為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并且克服經(jīng)典回路存在的不足，本文提出了一種新型的保護(hù)控制回路，如圖2所示。
圖2新型斷路器本體三相不一致保護(hù)回路
新的控制回路包括改進(jìn)后的起動(dòng)回路、跳閘回路、自保持回路、防跳回路。起動(dòng)回路：由KT1和KT2時(shí)間繼電器相并聯(lián)，KT1-1、KT2-1、KT1-2、KT2-2分別是其對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)。只需要有一組時(shí)間繼電器動(dòng)作就能保證跳閘回路通電。避免了一個(gè)時(shí)間繼電器故障時(shí)的拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，也很大程度上降低了由于某一個(gè)或者兩個(gè)時(shí)間繼電器觸點(diǎn)因工況不良造成的拒動(dòng)情況，提高了保護(hù)的可靠性，避免了采用單一觸點(diǎn)由于絕緣降低、受潮、臟污引起的保護(hù)誤動(dòng)。
自保持回路：在跳閘繼電器通電后，對(duì)應(yīng)的常開(kāi)觸點(diǎn)KL-1，KL-2變?yōu)殚]合狀態(tài)，跳閘回路持續(xù)通電，形成自保持。補(bǔ)充了在目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中有部分國(guó)內(nèi)廠家斷路器缺乏該的回路，同時(shí)也避免了采用單一觸點(diǎn)的缺點(diǎn)。
防跳回路：防跳回路的邏輯如圖3所示。
圖3防跳回路示意圖
在斷路器三相合閘回路前段和后段串聯(lián)三相不一致的跳閘繼電器KL所對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)KL-3和KL-4。繼電器KL斷電后常閉觸點(diǎn)跳開(kāi)，令合閘回路斷電實(shí)現(xiàn)防跳功能。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的斷路器中50%不具備防跳功能，在具備防跳功能的斷路器中在負(fù)電側(cè)采用了單一觸點(diǎn)，圖3新型控制回路避免了直流接地造成的防跳失效的問(wèn)題。
除了原理上的分析，對(duì)于三相不一致保護(hù)繼電器的選型，還應(yīng)關(guān)注其耐壓水平、電容元件、密封性等諸多方面，需要根據(jù)實(shí)際工況選擇合適型號(hào)的繼電器[15]。
2.2 新型保護(hù)控制回路的測(cè)試與分析
在某220kV變電站220kV備用線路間隔測(cè)試了新型保護(hù)回路與傳統(tǒng)控制回路，其結(jié)果見(jiàn)表1。
表1傳統(tǒng)控制回路與新型控制回路測(cè)試結(jié)果
該間隔斷路器為國(guó)內(nèi)某廠家2004年生產(chǎn)。使用原控制回路測(cè)試了50次后更改為新型控制回路，又測(cè)試了50次。各項(xiàng)功能測(cè)試中模擬了絕緣降低、受潮、臟污、接點(diǎn)粘死、元件故障等缺陷。該間隔斷路器本體三相不一致保護(hù)未設(shè)計(jì)防跳功能，在斷路器本體三相不一致保護(hù)動(dòng)作后斷路器任能合閘，故合格率為0。將時(shí)間繼電器動(dòng)作時(shí)間整定為2s，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差以衡量時(shí)間繼電器的時(shí)間離散程度。
通過(guò)測(cè)試，表明新型保護(hù)控制回路的主要優(yōu)點(diǎn)有：
1）時(shí)間繼電器離散程度低可靠性高，并且降低了由于工況惡劣導(dǎo)致繼電器觸點(diǎn)誤動(dòng)拒動(dòng)造成危害的幾率。
2）自保持回路的可靠跳閘，避免了采用一副觸點(diǎn)時(shí)由于受潮和絕緣降低，造成繼電器KL誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。
3）防跳回路避免了斷路器跳閘后再次合閘給電網(wǎng)帶來(lái)的二次傷害，避免跳閘回路的觸點(diǎn)粘死或直接接地導(dǎo)致的防跳回路失效。
綜上所述，斷路器三相不一致保護(hù)的新型控制回路，通過(guò)對(duì)起動(dòng)回路和跳閘回路的改進(jìn)，改變?cè)O(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及增減繼電器與觸點(diǎn)的數(shù)量，減少了設(shè)備之間的相互影響，很大程度上降低了設(shè)備工況問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)的危害，間接提高了保護(hù)的可靠性，并且仍能保證良好的經(jīng)濟(jì)效益。
3 對(duì)新型三相不一致保護(hù)的展望
斷路器三相不一致保護(hù)新型控制回路從原理上克服了傳統(tǒng)典型的三相不一致保護(hù)控制回路存在的不足與弊端。通過(guò)增加了元件數(shù)目提高了保護(hù)控制回路的可靠性，但與此同時(shí)也不可避免地增加了保護(hù)裝置校檢的步驟，其中，校檢觸點(diǎn)的老化與氧化工作相對(duì)簡(jiǎn)單，更為復(fù)雜和重要的是對(duì)于時(shí)間繼電器的校檢工作。
根據(jù)研究表明，時(shí)間繼電器的故障主要源于老化后設(shè)備的硬件故障和計(jì)時(shí)偏移的缺陷。同時(shí)，目前繼電保護(hù)工作人員在對(duì)時(shí)間繼電器的整定值進(jìn)行校檢時(shí)仍有不少的麻煩。
目前，可將主流的校檢的方式分為以下兩類。
第一類：斷電以后將三相不一致電路拆下用專業(yè)儀器進(jìn)行校檢。此方法在測(cè)量全過(guò)程中需要在保證斷電，同時(shí)拆除以及安裝接線可能造成接線的錯(cuò)誤。該過(guò)程需要花費(fèi)大量的時(shí)間與人力。
第二類：將實(shí)驗(yàn)臺(tái)搬至斷路器機(jī)構(gòu)箱處進(jìn)行校檢。此方法同樣需要斷電進(jìn)行，可以直接利用實(shí)驗(yàn)儀測(cè)試線對(duì)時(shí)間繼電器加動(dòng)作電壓進(jìn)行測(cè)量。該方法較第一類方法的優(yōu)點(diǎn)在于避免了拆線安裝的繁瑣與接線錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，很好減輕了人工的負(fù)擔(dān)。但是由于需要外加電壓，所以可能存在設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
目前斷路器三相不一致保護(hù)監(jiān)測(cè)存在的主要矛盾是校檢的步驟過(guò)于復(fù)雜或者校檢的附加儀器過(guò)于繁多，并且許多新型保護(hù)方案增加了需校驗(yàn)的儀器和校驗(yàn)的步驟。一種能夠在保護(hù)通電狀態(tài)下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校檢的配套系統(tǒng)或者裝置成為了探索的方向。這種裝置既可以避免拆線接線的復(fù)雜步驟，又可以有效避免接線發(fā)生錯(cuò)誤對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害。同時(shí)這套附加設(shè)備必須是精簡(jiǎn)且成本不高的。
為解決以上問(wèn)題，本文提出了一種新型實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校檢裝置的工作原理圖，如圖4所示。實(shí)時(shí)采集并記錄斷路器三相不一致時(shí)間繼電器起動(dòng)信號(hào)以及跳閘輔助繼電器動(dòng)作信號(hào)，通過(guò)對(duì)于時(shí)間繼電器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，極大減小了保護(hù)校檢的工作，令更復(fù)雜可靠的新型控制回路的使用成為了可能。
圖4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校檢裝置的工作原理圖
新型的斷路器三相不一致回路可以與其配套的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)校檢系統(tǒng)相互搭配使用。既能從原理上克服原有傳統(tǒng)典型控制回路存在的缺陷，又可以在運(yùn)行維護(hù)的過(guò)程中降低人力成本，提高時(shí)間繼電器的可靠性，滿足電網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的需求。
結(jié)論
針對(duì)斷路器三相不一致保護(hù)控制回路，本文在分析了傳統(tǒng)二次回路的缺陷之后，提出了新的三相不一致控制回路。新的回路較之原來(lái)改進(jìn)了控制回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改進(jìn)了自保持和防跳的功能，以保證保護(hù)可以有效地跳開(kāi)并切除故障，使系統(tǒng)恢復(fù)到三相對(duì)稱運(yùn)行狀態(tài)。并在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了硬件工作工況的問(wèn)題，從邏輯上降低了硬件故障的危害。
文章來(lái)源： 柏文健、岑榮佳 電氣技術(shù)
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