断路器三相不一致保护可靠性分析及改进措施

断路器三相不一致保护可靠性分析及改进措施断路器三相不一致保护可靠性分析及改进措施

李清泉，胡云龙，常高颂，冯知海

(国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250018)

摘 要：为了提高断路器三相不一致保护的动作可靠性，从断路器本体三相不一致保护和微机三相不一致保护的原理构成、存在的问题等入手，分析了导致三相不一致保护不正确动作的因素，并结合以上两种三相不一致保护的优点，提出一种新型三相不一致保护控制回路,该保护控制回路增加了继电器和触点的数目并改变了原有的拓扑结构。对比传统三相不一致控制回路中存在的器件易老化、时间继电器可靠性差等不足,该回路具有对器件依赖性低、防老化性能更好、可靠性更高的特点。

关键词：断路器；三相不一致；本体保护；微机保护

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2019)09-0036-03

Reliability Analysis and Improvement Measures of Three-Phase

Inconsistent Protection for Circuit Breakers

LI Qing-quan, HU Yun-long, CHANG Gao-song, FENG Zhi-hai

（State Grid Shandong Power Supply Maintenance Company, Jinan 2󰀵00󰀱󰀸, China）

Abstract: In order to improve the operational reliability of three-phase inconsistent protection of circuit breaker, starting with the principle and problems of three-phase inconsistent protection of circuit breaker, this paper analyzed the factors leading to incorrect operation of three-phase inconsistent protection. Combining with the above two kinds of three-phase inconsistent protection advantages, this paper proposed a kind of new type three-phase inconsistent protection control loop, which increased the number of relays and contactors and changed the orig-inal topological structure. Compared with the insufficiencies of easily aged devices, low reliable relays in the traditional three-phase inconsis-tent control loop, this control loop has the characteristics of low dependency of devices, better anti-aged performance and high reliability. Key words: circuit breaker; three-phase inconsistency; ontological protection; microcomputer protection

0 引言

为了保证电网的安全稳定运行，在220kV及以上电压等级的电网中多采用分相断路器。但是当输电线路一相或两相断线、合闸时断路器三相触头不能同时接通以及单相故障后故障相跳闸等都会导致断路器三相不一致运行。因此分相断路器需要能够准确反映断路器运行状态并作用于三相跳闸的三相不一致保护。目前断路器的三相不一致保护既可以由微机保护装置实现，也可以由断路器本体实现。而参考文献[1]指出，220～500kV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。但是在实际运行中发现，断路器本体三相不一致保护由于二次回路

设计不合理、元器件运行工况较差等，导致断路器误动的概率较大。而微机保护的三相不一致保护由于外加电流判据的作用，致使拒动的可能性较大。为此，本文针对以上两种断路器三相不一致保护，分析了其各自误动和拒动的可能性，并提出了相应的解决方案。

1 断路器三相不一致保护配置现状

以山东地区超高压电网为例，对于敞开式电气设备而言，均采用微机保护的三相不一致保护；对于封闭式绝缘金属开关设备(GIS)而言，则统一采用了断路器本体三相不一致保护。两种保护方式的实现方式虽然不同，但是均能准确切除系统的非全相运行状态。

作者简介：李清泉(1991- )，男，硕士，从事电力系统继电保护运行维护工作。

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断路器三相不一致保护可靠性分析及改进措施对于三相不一致保护动作时间的要求，目前各个地区并未形成有效统一，但均能够躲开单相重合闸的时间[2]。对于采用单相重合闸的线路断路器而言，其重合闸时间整定为1s，特别的对于2/3接线的500kV电气设备而言，由于采用边断路器先重，中断路器后重的策略，所以中断路器重合闸时间需要整定为1.2s。因此三相不一致保护延时时间的整定原则为：与线路相关的断路器微机三相不一致保护，500kV的时间整定为2.0s，220kV整定为2.5s，其他整定为0.5s；与线路相关的断路器本体三相不一致保护整定为3.0s，其他整定为1s。具体如表1所示。

表1 断路器三相不一致整定时间

s

项目500kV线路断路器

220kV线路断路器其他断路器

微机保护2.02.50.5本体保护

3.0

3.01.0

2 本体三相不一致保护

通过调查发现，本体三相不一致保护的构成方式因设备厂家不同而不同，而且同一厂家不同批次的产品也不尽相同。对于早期的电气设备而言，其典型的三相不一致控制回路如图1所示，大体存在以下问题：(1)仅具备一组三相不一致保护。(2)两组三相不一致保护共用一组时间继电器KT和出口继电器KX。(3)不具备功能压板LP1和出口压板LP2。(4)正常运行时，时间继电器KT和出口继电器KX的常开接点保持正电位+KM，不具备防误动措施。

+KMKTKX-KMDLCDLcDLBDLbDLADLaLP2KTLP1KXTQ图1 典型的三相不一致控制回路

从图1可以看出，断路器的辅助触点是本体三相不一致保护的唯一启动判据。当断路器出现三相不一致运行状态时，时间继电器KT动作，经延时时间后出口继电器KX动作，并使得断路器三相跳闸

[3-5]

。因此本体三相不一致保护对断路器辅助触

点、时间继电器和出口继电器的动作特性要求比较苛刻，其中出口继电器应在55%～70%的额定电压

电工电气 (20󰀱9 No.9)

范围内可靠动作，同时动作功率不低于5W；而时间继电器的整定值误差不应大于1%或者40ms。

但是根据保护调试及运行经验发现，目前采用的本体三相不一致保护(图1)频发保护不正确动作的现象。通过事故分析发现：

(1)断路器某相常闭接点损坏，始终保持在常开位置时，将导致断路器拒动。

(2)断路器在合位时，其常闭辅助接点由于凝露等因素导致短接时，将会导致断路器误动。

(3)由于时间继电器KT和出口继电器KX的常开接点保持正电位+KM，当常开接点损坏或者由于凝露等导致接点短接时，将会导致断路器误动。

(4)由于室外环境相对恶劣，在雨雪、凝露等天气的影响下，使得时间继电器的精度下降甚至出现故障。当时间继电器动作时间偏移时，可能使得断路器三相不一致保护早于线路保护单相重合闸动作或者长时间不能动作。

针对上述问题，采取以下措施对本体三相不一致进行改造：

(1)设立2组相互的三相不一致保护，并分别作用于断路器的两组分闸线圈。这样即使第一组的断路器常闭辅助触点损坏，也会由第二组三相不一致保护将断路器跳开。

(2)在开关汇控柜内安装加热除湿装置，并做好密闭措施，防止雨水、湿气进入汇控柜产生凝露现象。此外还可以给开关辅助触点加装单独的防潮防雨罩，避免断路器在合位时其常闭接点误导通。

(3)以“正电源经三相不一致启动判据”为基本原则，对图1中时间继电器KT和出口继电器KX的启动回路进行改造，即继电器KT和KX的常开接点经断路器三相不一致保护启动判据后再接至正电源+KM，其所接位置如图2所示。该方法可以有效避免因时间继电器和出口继电器损坏导致的不正确行为。

+KM-KMKTKXDLCDLcDLBDLbDLADLaLP2KTDLCDLcDLBDLbTQDLADLaLP1KX图2 改进的三相不一致控制回路

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电工电气 (20󰀱9 No.9)

(4)参考文献[6]针对时间继电器动作时间偏移的问题，采用不同厂家、不同批次的3个时间继电器对单个时间继电器的动作时间进行了校正。但是当出现多个时间继电器故障时，动作时间偏移的问题依旧无法解决。而且由于部分厂家生产的断路器汇控柜安装空间有限，在采用该方法对已投运的老旧断路器三相不一致保护进行改造时，也具备一定的局限性。对于动作时间偏移的问题，应该选用计时精度较高的数字式时间继电器，并在安装验收以及日后的停电检修过程中，加强对时间继电器动作时间的测试。

此外，对于本体三相不一致保护，还应加强平时的运维检修工作：

(1)在雨雪、凝露、结冰等恶劣天气时期，运行人员要注意巡视开关机构箱及汇控柜内的运行环境，做好封堵防漏措施并开启加热除湿装置，时刻保持机构箱和汇控柜内干燥清洁、绝缘良好。

(2)在停电检修期间，检修人员要对开关的辅助触点、时间继电器、出口继电器的动作特性进行验证，及时更换存在问题的器件，保证三相不一致保护能够可靠动作。

3 微机保护的三相不一致

微机保护的三相不一致是由断路器三相跳位、各相有无电流并辅以零负序电流组成的启动判据。当任一相TWJ动作且无流时，保护装置确认该相开关在跳闸位置。当任一相TWJ动作且有流时，保护装置确认该相开关TWJ异常或闭锁三相不一致保护。在成熟且可靠的微机保护中，可以更加方便地实现TWJ异常告警、TWJ异常闭锁、三相不一致保护动作[7]。

但是由于其采用的并非实际的开关辅助触点，而是操作箱中的TWJ继电器。当控制电源消失或者控制回路断线时，将不能正确反映开关位置。而且零负序电流判据的设置还需要可靠躲开正常运行时的最大不平衡电流。在实际的保护装置中，不一致保护的零负序电流值虽然具备一定的灵敏度，但是当实际负荷电流过小时，将导致三相不一致保护拒动。

考虑到线路保护及断路器保护均需要采取开关的实际位置，因此在新上及改扩建工程中可以考虑3󰀸

断路器三相不一致保护可靠性分析及改进措施对开关位置进行改造，采用开关的三相常开辅助接点而非操作箱中的TWJ继电器。对于零负序电流闭锁值选取的问题，可以考虑设定浮动门槛值。具体策略如下。

线路正常运行时，微机保护可以实时测量三相电流Ia、Ib、Ic，因此最大不平衡电流值可以实际测出：

3I01=Ia+Ib+Ic (1)

而当A相断线时，可以计算出的零序电流值[8]：

3I3Ia

02=2+Z(2)

2/Z0其中Z2和Z0为系统的负序阻抗和零序阻抗。因此在实际运行时，可以设置零负序电流的浮动门槛值为：

3I01＜3I0＜3I02 (3)

4 优化方案的对比分析

综合以上两种三相不一致的优缺点可以发现：(1)微机保护的计时更加精准，不会造成时间偏移的问题。

(2)微机保护可以实时监视开关位置，当辅助接点损坏时可以报警或闭锁三相不一致保护。

(3)微机保护依靠程序实现，不需要增加二次元器件及更改二次控制回路。

方案一：在本体三相不一致保护中增加零序电流继电器进行闭锁，该方法可以有效抑制三相不一致误动的可能性。但是同样面临负荷电流过小时，保护拒动的问题[9]。

方案二：将断路器辅助接点形成的“田”字形启动判据，以开入量的形式输入给保护装置，并执行三相不一致逻辑。考虑到正常运行和电缆断线时，保护装置均收不到三相不一致运行的开入量，亦将造成保护拒动[10]。

方案三：将断路器的三相常开辅助接点引入到保护装置中并加以有流判据，实现对开关位置的监视。零负序电流闭锁采用浮动门槛值，根据负荷电流的大小实时变动，而不再单纯躲过最大负荷时的不平衡电流值。但是该方案需要相关厂家对微机程序进行更改，实际效果还需要依靠动模试验和实际运行经验进行验证。

(下转第49页)

252kV GIS用支柱绝缘子绝缘能力提升研究 电工电气 (20󰀱9 No.9)

通过绝缘试验和裕度试验结果可以看出，优化后的支柱绝缘子结构绝缘能力提升较大，在1.2倍的工频耐受电压和雷电冲击电压下进行绝缘试验，试验均顺利通过，并且局放值为0.5pC，性能优异。

除了表面积灰隐患，对控制绝缘子闪络及局放大有益处。

(4)改进的支柱绝缘子通过了绝缘试验和1.2倍绝缘裕度试验，绝缘能力明显提升。

5 结语

本文对252kV GIS共箱母线用支柱绝缘子进行了电场计算分析，并分析了爬裙对绝缘子沿面电场的影响，提出优化设计方案，并进行了绝缘试验和裕度试验验证，得出以下结论：

(1)支柱绝缘子爬裙处存在电荷集聚，提高了绝缘子沿面的最大电场强度，特别是第一个爬裙起始位置，越靠近高压侧，对电场强度提高的幅度越明显。

(2)对支柱绝缘子进行优化设计，取消外凸式爬裙结构设计，改为靠近低电位处表面阶梯式回缩结构，改善了绝缘子内部及沿面电场强度。

(3)改进的支柱绝缘子较原结构轻擦方便，消

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收稿日期：2019-04-27

(上接第38页)

5 结语

针对断路器三相不一致保护频发的拒动和误动问题，详细分析了断路器本体三相不一致保护和微机三相不一致保护的优缺点，并提出了相应的改进措施。目前对于本体三相不一致保护的改进措施，已在500kV厂站中得到了广泛应用且收效甚好。而对于微机保护的改进方案，尤其是零负序浮动门槛值的设定，还需要相关厂家的配合，进行试验验证。

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收稿日期：2019-06-03

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