Siemens 500 kV断路器非全相保护安全隐患分析及改进

王 娜, 王进虎

(1.天津市电子信息技师学院，天津 300350；2.天津送变电工程有限公司，天津 300000)

近年来特高压建设不断发展，输电线路电压等级越来越高，输送的电量越来越大，在电量传输加大的同时也带来了相应问题，如当线路出现故障短路时，对整个区域电网的影响较大，所带来的危害无法估量，轻则导致区域供电故障，影响工矿企业生产、居民生活用电，重则导致主干电网解列或崩溃。因此为保证系统的安全稳定运行，一般采用可分相操作的断路器(一般在220 kV及以上电压等级采用)，与此相对应的分相断路器同时需要配置断路器非全相保护装置[1-2]。在GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》中，明确规定“220 kV及以上电压分相操作的断路器应附有三相不一致( 非全相) 保护回路。三相不一致保护动作时间应为 0.5～4.0 s 可调，以躲开单相重合闸动作周期”、“对220～500 kV 断路器三相不一致，应尽量采用断路器本体的三相不一致保护，而不再另外设置三相不一致保护；如断路器本身无三相不一致保护，则应为该断路器配置三相不一致保护”[3]。

在天津某500 kV变电站现场调试过程中发现，Siemens公司生产的500 kV断路器的非全相保护存在一定的安全隐患，本文以此为基础，对非全相保护的配置要求及其相关原理进行介绍，对Siemens公司生产的500 kV断路器非全相保护的基本回路和原理进行深入分析，剖析相关安全隐患问题，并根据分析结果，提出相关改善方案以消除安全隐患。同时提出几点注意事项，为变电站的运行人员提供一定参考，也为类似问题的解决提供一定的帮助和借鉴。

1 三相不一致保护概述

非全相运行是指在可分相操作的断路器中，任意一相跳开而其他两相断路器依然在合闸位置的运行情况，这是一种非正常运行方式[4]。当电力系统发生非全相运行时，系统中会产生负序分量和零序分量，会对系统中运行的设备产生危害，如发电机、电动机等，也会对系统通信造成一定干扰，同时对系统中的继电保护装置能否正确动作也会产生影响，所以在电力系统中不允许长时间处于非全相运行情况。同时当系统采用单相重合闸装置时，也应考虑下列问题，并采取相应措施：重合闸过程中出现的非全相运行状态，如引起本线路或其他线路的保护装置误动作时，应采取措施予以防止；电力系统不允许长期非全相运行，为防止断路器一相断开后，由于单相重合闸装置拒绝合闸而造成非全相运行，应具有断开三相的措施，并应保证选择性[4]。为此在分相操作的断路器会配置非全相保护，当系统出现非全相运行情况时，保护装置经过一定时间跳开剩余两相，以此切除非全相运行的设备，这是非常重要的。

断路器非全相运行时，断路器三相位置不一致，又产生负序电流和零序电流，非全相保护就是根据这些非全相运行的特点构成的。非全相保护也称三相不一致保护，实现三相不一致保护一般有2种方式：一种是断路器自身实现；一种是安装单独的三相不一致装置实现。根据GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》中规定，一般采用断路器自身的保护功能，因此本文为断路器自身的三相不一致保护。基本原理是由断路器的三相辅助常闭触点并联后，再与三相辅助常开触点串联后形成二次回路来实现分相断路器的三相不一致判别[5-6]。如图1所示，当三相断路器均在分位或合位时总有1组触点处于分开状态，K16继电器不会接通。当断路器三相位置不对应时，有一相或两相处于分位，2组辅助触点中总有1组会处于接通状态，此时K16继电器动作，经过整定的延时后，其触点接通启动K6继电器使其动作。K61继电器一方面在断路器跳闸回路中跳开断路器，另一方面有一对触点进行自保持，必须通过按钮S4才能复归。自保持是因为出现非全相情况，一般为断路器操作机构或其二次控制回路出现故障，需要查明情况后才能再次操作。需要指出的是，在实际应用中为了防止三相不一致保护误动作，当断路器辅助触点判断出现三相不一致后，需要经过一定延时后才能进行出口跳闸。对于不采用单相重合闸的线路来说，相应的时间一般整定为0.5 s,对于有单相重合闸的线路来说，三相不一致保护的动作时间要躲开保护单相跳闸及重合闸的时间，防止这种情况下三相不一致保护误动作。

2 回路分析及存在隐患

2.1 断路器非全相保护二次回路分析

在Siemens公司500 kV断路器本体机构中有自己的非全相保护配置，该非全相保护的时间可以整定，其非全相保护配置可以实现相应的功能也符合继电保护相关要求，在该保护中其二次回路的原理如图1、图2所示。其基本实现原理是通过由断路器A、B、C三相并联常闭辅助触点SLA、SLB、SLC串联断路器三相、并联常开辅助触点。当三相位置不一致时，例如一相或两相分位时，三组辅助触点中会有1组接通去启动K16继电器，再由 K16继电器的一对常开延时闭合触点启动非全相出口中间继电器 K61，并且经过自身触点自保持，再由K61的常开触点闭合且经过断路器辅助触点SLA、SLB、SLC，从而使出口继电器K1、K2、K3 线圈得电，启动出口跳闸。断路器三相跳闸后，断路器本体三相辅助触点动作，非全相继电器K16失电，K16的常开触点断开，此时需要通过S4进行手动复归，中间继电器K61失电，使非全相保护复归。图1中，SLA、SLB、SLC分别为断路器的三相辅助触点；K16为非全相继电器；K61为中间继电器；S4非全相复位按钮。图2中，KOA为手跳按钮触点；K1、K2、K3分别为分闸线圈；LP1为非全相压板；A相监视、B相监视、C相监视为跳位监视。

2.2 二次回路存在的安全隐患

a.当出口压板LP1因为人为因素或者线缆问题导致该回路未可靠连接时，若正常运行中的三相断路器A相因机械故障(或者其他原因跳开单相且重合不成功时)跳开[7]，重合闸因为断路器本身的机械故障并未重合成功，此时非全相继电器K16继电器动作，使中间K61继电器启动，但由于压板LP1未可靠连接，出口继电器K1、K2、K3仍无法动作，将导致非全相保护无法正确出口。在这种情况下，由于非全相保护需要手动复归，K61继电器依然启动，导致跳闸回路中K61常开辅助触点一直处于闭合状态，而三相断路器A相处于跳位，其辅助触点SLA将打开，B、C相处于合位，其辅助触点SLB、SLC仍然闭合，此时直流负电位将通过SLB、SLC的接通使B相监视、C相监视处出现负电位，操作箱以此判定B、C相断路器在合位；而A相监视回路中，因为K61的辅助触点仍处于闭合状态，B、C相的负电位会混入A相的监视回路，从而使操作箱的A相也会显示在合位，这与A相的实际位置不符，会出现错误指示。操作箱的断路器位置显示不同步，不能真实反映断路器的实际合分情况，此时运行人员无法通过操作箱监控后台发现此事故，会对事故的及时处理产生较大影响，并可能造成事故进一步扩大。

b.该非全相保护回路中压板，只有LP1，根据二次回路的设计，该压板只是非全相保护的出口控制压板，并不是非全相保护功能的投退压板，若运行中不投入非全相保护，需要将非全相继电器K16的模式选择旋钮打到OFF位置，才能真正将非全相保护退出，若只打开LP1，当断路器出现非全相运行时，操作箱就会出现上述情况，导致操作箱显示与实际位置不符。使用该旋钮投退非全相保护缺点是：第一，该旋钮较小，且属于继电器组件，没有在汇控柜控制面板的明显位置，运行人员投退时很容易疏忽该旋钮而只打开LP1压板；第二、非全相继电器的运行模式选择方式较多，在选择非全相功能投退时，很容易出现档位选择错误，导致非全相拒动或误动；第三，通过直接操作非全相继电器来投退保护功能，其所处位置及操作方法十分不便，不利于运行人员运行维护。

3 改善方法及运行建议

首先针对第2个问题进行改善，在非全相启动回路中，非全相继电器K16之前，串接1个硬压板作为非全相功能压板LP2来控制非全相保护功能的投退，修改后的非全相启动回路如图3所示。

修改后不再频繁操作非全相继电器进行功能投退，增加LP2压板后，只要非全相继电器K16处于正确档位，不需再做调整；若要投入非全相保护，只需投入LP1、LP2 2个压板；退出保护时只需打开LP1、LP2 2个压板，减小了操作难度。对于运行人员来说操作更加方便，非全相保护功能的投退情况也更加直观明了；同时减少了对继电器本身的操作，延长其使用年限，更利于安全稳定运行，能够较好地解决相应隐患。

经过改进后，基本能避免因人为因素只打开出口压板而非全相继电器仍然动作的情况，从而使前文所述的第1种隐患出现的概率大大降低。但并没有从根本上解决因其他因素造成非全相继电器依然动作、而非全相保护出口不成功时带来的操作箱不能反映断路器实际位置的问题，为此需要进一步改进跳闸出口回路。经过前文对该问题出现原因的分析，可以在中间继电器K61的3个辅助触点之前分别再串接三相断路器的常开辅助触点，来消除该隐患，改进后的跳闸出口回路如图4所示。

经改进后，即使中间继电器K61动作，其辅助触点闭合，但由于A相断路器的辅助触点会打开，使A相监视处不再有负电位，而B、C两相仍然是负电位，操作箱的位置显示就能够正确反映断路器的实际分合情况。经过上述改进后可以成功消除上文提到的2个安全隐患，保证了系统更加安全可靠运行。

4 结束语

随着特高压电网的大力发展，系统中运行的分相断路器机构会越来越多，非全相保护会有更广泛的应用[8]，本文根据实际情况，对非全相回路进行深入分析，通过对二次回路的修改，消除了断路器非全相保护所存在的安全隐患，并提出了相应的运行注意事项，提高了运行维护人员的工作效率和可靠性，并为类似问题的解决提供一定思路和方法。