500 kV断路器操动机构二次回路典型缺陷及优化建议

肖博峰

(国网四川省电力公司检修公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

在电力系统中，由500 kV线路及变电站构成的超高压输电网络起着重要的支撑作用，500 kV超高压断路器正确动作对电力系统稳定运行意义重大。500kV超高压断路器的氮气(N2)压力控制回路、三相不一致回路、跳位监视回路、压力低跳闸闭锁回路的性能都直接影响着断路器的动作行为。

在断路器三相不一致保护出口回路中，常因出口继电器正端与电源正极击穿或三相不一致继电器受潮导致其误出口[1]。经研究，采用三相不一致出口跳闸接点经断路器位置常闭接点取得正电源的方式，可有效避免三相不一致回路误出口造成断路器机构误跳闸的事故[2]。由跳位监视回路和机构箱防跳回路构成的寄生回路，可能导致断路器只能分合一次、跳位合位监视灯同时点亮等现象[3]。因500 kV保护装置按双重化配置，文献[4]提出双重化保护装置的直流电源回路、配合回路、压力闭锁回路均应相互独立，为500 kV断路器机构箱跳合闸回路的配置提出了新要求。

下面分别分析了西门子、ABB、三菱公司3个主流厂家的500 kV超高压断路器典型回路存在的缺陷，并提出了应用效果良好的回路优化建议。

1 500 kV西门子公司断路器典型缺陷及回路优化

1.1 氮气(N2)压力控制开关

1.1.1 缺陷情况

对某500 kV杭州西门子公司3AT2-EI型断路器进行机构强迫三相动作试验，当第一组强迫三相动作试验工作完成后，断开第一组操作电源进行第二组强迫三相动作试验时，发现断路器无法出口跳闸。

用万用表测试发现第二组跳闸出口回路237A、237B、237C电位变为+110 V，随即对回路进行依次查找并进行分析，断路器机构第二组跳闸回路如图1所示。

经测试，图1中-X745端子电位为-110 V，-X0LA 235端子电位为+110 V，因此判断缺陷为K26(跳闸总闭锁继电器)失磁导致的13、14这对常开接点断开所致。

图1 西门子公司断路器机构第二组跳闸回路

根据第二组跳闸回路的闭锁回路图进行分析，影响K26(跳闸总闭锁继电器)的继电器有3个，分别为K105(第二组SF6总闭锁继电器)、K103(第二组油压总闭锁继电器)、K82(第二组N2总闭锁继电器)，如图2所示。其中，K105通过第二组SF6密度继电器B4LA/B/C辅助接点实现对SF6气体压力的监视，当气压低于一定值时接点导通，K105继电器励磁，断开第二组跳闸回路；K103通过N2压力控制开关B1LA(/B/C)监测N2压力实现对开关油压的间接监测，当油压降低对应N2压力降低，使接点导通，K103继电器励磁，断开第二组跳闸回路；K82在第一组跳合闸闭锁回路中反应N2泄漏的继电器K81励磁后励磁，并经延时断开第二组跳闸回路。

测试图2中的K103、K105、K82线圈两端电压分别为+220 V、+110 V、+110 V，由此判断是-B1LA/B/C断路器的某一相密度继电器动作所导致K103继电器动作。

图2 第二组跳闸回路的闭锁回路

随即对断路器A、B、C三相分箱机构进行检查。检查过程中发现B相机构N2压力控制开关运行灯绿灯熄灭，故障灯红灯亮起，A相、C相N2压力控制开关运行灯绿灯正常亮起。由此基本确定为B相N2压力控制开关出现故障。

为进一步验证，随即将B相N2压力控制开关引出的B1LB继电器的接点3和接点6(控制第二组跳闸回路的接点)这一对接点中的接点3脚断开，发现K26继电器励磁。同时，再次测试第二组跳闸出口回路237A、237B、237C三相电位均为-110 V，电位恢复正常，此时第一组跳闸回路功能恢复正常。再将第一组操作电源合上后发现B相N2控制开关运行灯绿灯正常点亮，测试第一组跳闸回路137 A、137 B、137 C三相电位均为：-75 V，电位恢复正常，第一组跳闸回路功能也恢复正常。然后继续进行强迫三相动作试验，断路器强迫三相动作及各项功能正常。

对同串另一断路器进行实验时发现了同样的现象，经判断为相同原因导致。

N2控制器采用两组直流电源(互为备用)供电，要求在任何一组电源正常的情况下都应可靠工作。而断路器机构B相N2控制器在失去第一组操作电源后，B1LB密度继电器的接点失磁返回断开第一组和第二组跳闸回路，将导致断路器无法跳闸，此时只能通过断路器失灵保护动作切除对应500 kV母线、边/中断路器及对侧线路断路器。

1.1.2 原因分析及整改建议

故障断路器分别为西门子公司2007年和2004年生产的产品，生产和运行时间均超过10年，导致其N2压力控制开关存在一定的老化；同时N2压力控制开关运行在场地机构箱内，运行环境较为恶劣，且设备运行期间因保护动作和设备试验过程中的震动，进一步恶化了其运行环境。但该设备尚未达到规定的一次设备运行年限就出现了故障，可见产品生产质量也存在一定的缺陷。

由于正常运行情况下，两组操作电源均正常供电时，运维人员很难通过N2控制开关运行指示灯判断其是否出现了故障，该故障具有一定的隐蔽性；同时，由于出现上述故障后将同时断开第一组和第二组操作回路，导致保护装置不能正确跳闸造成事故范围的扩大。根据上述分析可提出如下整改建议：

1)在对使用该型号机构箱的间隔进行年检或改造时，应分别拉开第一组、第二组操作电源。通过查看操作箱断路器位置指示灯或分别进行机构三相不一致试验等方式，验证N2压力控制开关能否在单电源供电情况下正常工作。

2)对于老旧的该型号断路器机构箱，在设备运行过程中应加强监视，通过机构箱N2压力控制开关指示灯和操作箱开关位置指示灯等确认其运行状态是否良好。

3)当设备在运行状态，需要断开其中一组操作电源或其中一组操作电源断电时，可通过监视操作箱HWJ指示灯情况，确保另一组跳闸回路的完整性。

1.2 三相不一致回路优化

1.2.1 设计缺陷

500 kV杭州西门子公司3AT2-EI型断路器机构箱因三相不一致出口回路直接由正极提供电源，存在因误碰三相不一致时间继电器K16或出口继电器K61导致断路器机构三相不一致回路误出口的问题，如图3所示。

图3 优化后断路器机构箱三相不一致回路

1.2.2 优化建议

根据参考文献[2]中提供的优化方案，对该型断路器机构箱优化后的接线如图4所示。

图4 优化后继路器机构箱三相不一致回路

此处仅以第一组三相不一致回路为例进行说明，第二组参照整改。优化后三相不一致出口回路经断路器三相常闭辅助接点并联取得正电，从而确保断路器至少一相在分位时，三相不一致出口回路才能获取正电，且串入断路器常闭辅助接点可保证该接点不参与回路灭弧。

2 500 kV ABB断路器典型回路优化

2.1 跳位监视回路

2.1.1 原跳位监视回路缺陷

ABB公司HPL550B2型500 kV断路器未提供专用的跳位监视回路接线端子，当采用断路器机构防跳时，只能按图5所示将跳位监视105回路和合闸107回路接于远方合闸端子。

图5 原跳位监视回路接线

该接线方式在断路器处于合位时会产生图5所示的由跳闸位置继电器(TWJ)、BG1断路器常开辅助接点、K3防跳继电器形成的寄生回路。若该回路中TWJ继电器和K3防跳继电器内阻参数配合不当，会导致TWJ跳位继电器启动或K3防跳继电器启动。其中K3防跳继电器启动后断开合闸回路，并通过防跳回路中常开接点实现自保持。该寄生回路常造成如下两种不良结果：

1)断路器只能合闸、分闸一次。当断路器第一次合闸完成后，上述寄生回路导通并实现自保持，断开合闸回路。当断路器分闸后要再次合闸时，因合闸回路被防跳继电器断开，无法再次合闸，只有断开第一组操作电源后，K3防跳继电器复归，断路器才能够再次合闸。

2)操作箱跳位灯和合位灯同时亮，且保护收到跳位开入重合闸放电。因TWJ跳位继电器在第一次合闸后仍一直启动，使操作箱跳位灯点亮，在断路器合闸完成后因跳闸回路导通，操作箱合位灯点亮，故出现了跳位灯和合位灯同时亮的异常现象，导致无法正常监视断路器位置。同样由于TWJ跳位继电器启动，可能导致重合闸直接放电，闭锁重合闸功能，或经延时发跳位异常告警。

在某500 kV变电站中就多次出现上述两种异常现象。在文献[3]中也介绍了110 kV变电站多次出现的断路器只能分合闸一次、跳位灯和合位灯同时亮的情况。

2.1.2 优化方案

参考西门子断路器机构箱跳位监视回路接线方法，考虑设置独立的105回路。该回路在断路器机构箱先过BG1断路器常闭辅助接点和K3防跳继电器常闭接点再接入远方合闸端子，如图6所示。

图6 优化后跳位监视回路接线

在图6中，因105跳位监视回路串入了BG1断路器常闭辅助接点，使断路器合闸完成后105跳位监视回路至远方合闸端子的接线断开。则K3防跳继电器无法通过105跳位监视回路获得正电而励磁，避免了K3防跳继电器因内阻参数不匹配导致的异常励磁，同理可防止TWJ跳位继电器的异常励磁。同时，在105回路串入K3防跳继电器常闭接点，可保证在BG1断路器常闭辅助接点异常或故障时，TWJ跳位继电器和K3防跳继电器无法构成回路，避免两继电器异常励磁。BG1断路器常闭辅助接点和K3防跳继电器常闭接点起互为备用的作用。

2.2 三相不一致回路

ABB公司HPL550B2型500kV断路器三相不一致回路同样存在与图4类似的缺陷，需要三相不一致出口接点更改为经断路器常闭接点后取得正电。但其三相不一致K6时间继电器和Q7出口继电器仅有一组且接入第一组操作回路，而Q7出口继电器出口接点分别接入第一组、第二组跳闸回路，可按如下方案进行优化。

1)优化方案1

在第二组跳闸回路解开Q7出口继电器的出口接点，如图7所示。

图7 ABB HPL550B2型优化方案1

该方案保证了第一组、第二组跳闸回路的相互独立，更符合220 kV及以上电压等级断路器机构箱两组相互独立跳闸回路的要求。

2)优化方案2

在第二组操作回路增设K8时间继电器和Q9出口继电器，并解开第二组跳闸回路中Q7出口继电器接点，接入Q9出口继电器跳闸接点，如图8所示。

图8 ABB HPL550B2型优化方案2

该方案为第二组跳闸回路也配备了独立的三相不一致功能，且保证了第一组、第二组跳闸回路三相不一致功能的相互独立。

3 500 kV三菱断路器典型回路优化

3.1 跳闸闭锁回路

3.1.1 原回路缺陷

三菱公司生产的MD1501型HGIS汇控柜中，其63QTX油压低跳闸闭锁继电器和63GLX气压低跳/合闸闭锁继电器均由第一组操作电源供电，但其常闭闭锁接点分别接于第一组、第二组跳闸回路，如图9所示。

图9 MD1501型HGIS汇控柜跳闸闭锁回路

图9所示接线方式会导致失去第一组操作电源后，63QTX油压低跳闸和63GLX气压低跳闸闭锁继电器均对第二组跳闸回路失去闭锁作用，此时通过第二组跳闸回路跳闸可能导致断路器因异常跳闸而损坏或烧毁。这与文献[4]中220 kV 及以上电压等级断路器的压力闭锁继电器应双重化配置的要求不符，且不满足两套保护装置与其他保护、设备配合的回路应遵循相互独立的原则。

3.1.2 回路优化

在第二组操作回路中增加63QT2X油压低跳闸闭锁继电器和63GL2X气压低跳闭锁继电器，并与63QTX油压低跳闸闭锁继电器和63GLX气压低跳闭锁继电器同样受63QT油压低接点和63GL气压低接点控制。同时在第二组跳闸回路中断开63QTX和63GLX接点，串入63QT2X和63GL2X常闭接点，对第二组跳闸回路起压力低闭锁的作用，回路接线如图10所示。

图10 MD1501型HGIS汇控柜优化后跳闸闭锁回路

3.2 三相不一致回路

该方案通过增设油压低和气压低跳闸闭锁继电器使两组跳闸回路相互独立互不干扰，当任一电源断电均不影响另一组跳闸回路的所有功能。但需结合现场情况考虑原压力接点63QT或63GL是否够用，或对应表计能否提供该类接点。

3.2.1 原回路缺陷

三菱公司生产的MD1501型HGIS汇控柜三相不一致回路采用图11所示接线方式。

图11 三菱MD1501型HGIS汇控柜三相不一致回路接线

与ABB公司HPL550B2型断路器类似，其三相不一致回路同样存在由第一组操作回路供电的跳闸出口继电器控制跳开第一组、第二组跳闸回路的问题。且其三相不一致启动回路存在先经过断路器常开辅助接点再经过断路器常闭辅助接点的问题。

3.2.2 优化方案

1)优化方案1

断开第二组跳闸回路中三相不一致出口回路，将第一组三相不一致启动回路改为先过断路器常闭接点再过断路器常开接点，并使三相不一致第一组出口跳闸回路经断路器常闭接点取得正电，如图12所示。

图12 三菱MD1501型HGIS汇控柜优化方案1

该方案使三相不一致第一组出口跳闸回路先过断路器常闭接点而不是常开接点，是为了保证三相不一致跳闸回路始终由断路器主触头断开跳闸回路，防止断路器辅助接点因切断电流而烧毁。

2)优化方案2

同样在第二组操作回路中增设48T三相不一致启动继电器和48X三相不一致出口继电器，第一组三相不一致回路更改方法与方案一相同，如图13所示。

图13 三菱MD1501型HGIS汇控柜优化方案2

该方案使断路器具备两组独立的三相不一致回路，但需考虑汇控柜是否便于安装对应继电器，断路器是否有足够的辅助接点。

4 结 论

所提出的西门子、ABB、三菱公司500 kV断路器机构箱典型回路优化方案均在工程现场中进行了充分应用，分别解决了相关技术问题，达到了预期效果。两年以来，优化后断路器机构回路未出现因N2压力闭锁开关、三相不一致回路、跳位监视回路、跳闸压力闭锁回路故障造成的断路器不正确动作。