断路器二次回路及其故障案例分析

   

一、断路器机构本身继电器现状分析

前言

目前超高压变电站正在运行的高压电气设备常规敞开瓷柱式电气设备（AIS）电器设备和HGIS、GIS的SF6气体绝缘的金属封闭开关设备等断路器带有的本体跳闸继电器、三相不一致保护跳闸继电器，没有设计出口信号显示，给运行维护人员判别断路器二次回路误动还是断路器机械偷跳带来极大的困难。

断路器的制造厂家只注重传统的二次典型设计，忽略继电保护有关规程的要求。特别近几年投产、扩建的高压断路器二次回路仍然延袭了传统的设计方案，以至在后来的运行维护中存在许多的隐患。

例如：

断路器本体三相不一致保护，断路器不一致的辅助接点将电源引入电磁继电器启动时间继电器，带动出口继电器。

以单个继电器为主要元件，数量多，特别是维护时危险性大；同时没有出口跳闸压板，没有信号及信号自保持等。

有的超高压变电站中由于保护方式没有采用保护屏操作箱，在断路器机构箱或端子箱增加了重动跳闸继电器。在组合电器的机构箱中使用传统单个继电器，使机构增加了复杂性，而且容易老化，减少了更换周期。

以上由继电保护专业厂家生产效率较高，质量也好。但是断路器的生产厂家往往把注意力放在产品研究开发上，对于二次系统仍然采用旧的电磁式单个继电器，以至使断路器运行一段时间后，二次回路的误跳闸、误发信号屡有发生，由于二次的错误而耽误断路器运行的事件必须纠正。

断路器机构二次系统介于变电一次设备与二次设备中间,继电保护二次设备厂家只注重保护屏的开发及新技术的应用,根本涉及不到断路器机构箱的二次部分,致使机构箱继电器落后而且复杂。

（1）可靠性、安全性受到严重的危害

《继电保护和电网安全自动装置现场工作保安规定》中的“在一次设备运行而停用部分保护进行工作时，应特别注意断开不经连接片的跳合闸线及运行设备安全有关的连线”。以上的跳闸继电器在维护时由于没有压板，在拆除接线时，容易误碰，造成断路器跳闸事故。

继电保护人员检修时误碰跳闸继电器的几率大，由于工作的需要，需要在断路器运行状态检查二次回路，因此带有手动试验的跳闸继电器非常容易由于人员的误动造成断路器误跳闸，带来不必要的损失。

如RELAY继电器上具有手动启动的把手，在带来试验方便的同时，也带来在运行中误动造成事故发生的危险性。 

⑵由于没有信号使断路器跳闸原因无法判别

超高压变电站的断路器本体跳闸继电器，可以分为两种型式的跳闸执行方式。

1)断路器的操作机构跳闸线圈通过继电保护屏的操作箱直接启动，包括手动跳闸，

2)由机构箱的跳闸脉冲通过操作机构的跳闸重动继电器传达到跳闸线圈进行跳闸，如三相不一致跳闸等。而机械部分故障主要是断路器操作机构失灵；传动部分故障和断路器本体的故障。

其中操作机构方面主要机构脱扣，铁芯卡死等。对于液压机构还可能是液压机构压力低于规定值，导致分合闸闭锁；机构分合闸阀系统有故障；分闸一级阀和逆止阀处有故障。

基于以上情况，可以在加强设备维护，注意操作方式等方面加以防止，以保证断路器正常健康的运行。但是在保护屏不动作并且无操作时，断路器跳闸本体没有信号设计，二次回路动作或者断路器机械方面的原因不能确定，如果在断路器有故障时或者由于继电器的原因误跳闸，有信号发出，十分容易确定是哪方面的原因。

⑶发生故障检查修复困难很大

由于超高压GIS、AIS的断路器设备投资大，使用年限长，但是二次设备由于复杂及运行环境恶劣的特点，一旦发生异常，往往抢修时间长，工作量大并且牵连其他相关的设备。

在扩建工程中，复杂的联锁回路中的端子排编号、拥挤的汇控柜电缆等给安装带来一定的困难。此外，二次设备的质量直接决定了组合电器的使用寿命，例如500kVJN站、ZB站的AIS敞开式SW6-500型的断路器在运行十年以上，均出现单个继电器老化、接点严重氧化、接点弹性下降无返回力矩，影响动作的现象，必须采用更换继电器和其它方法解决。

   

二、断路器本体跳闸继电器的重要性

前言

在保护屏失去断路器保护的情况下，或者断路器三相不一致保护由于零序、负序电流闭锁值故障时达不到定值拒动的情况下，它可以发挥跳开三相断路器的重要作用，防止系统长时间在两相情况下运行，造成变压器后备保护跳闸的更大危害。

例如2007年3月某两条500kV同杆并架线路相继发生单相接地故障，故障发生后，保护动作，重合闸动作正确，但断路器并未重合，因此两台断路器出现不一致运行情况，2.5S后与华中联网的中断路器三相不一致保护动作，跳开其余两相，而边断路器由于故障后系统潮流的变化，电流量未达到保护动作的定值，断路器三相不一致保护未出口跳闸。

⑴ 国网关于断路器本体保护的具体要求

国网公司十八项电网重大反措（2005年发布）继电保护专业重点实施要求：220kV及以上电压等级的断路器均应配置断路器本体三相位置不一致保护。既在断路器单相跳开后，如果重合闸动作，断路器由于压力、机械、二次回路等原因，没有重合成功，必须在2~2.5S内跳开三相,并且不再重合，以保证系统的安全。

⑵三相不一致保护的时间继电器的整定原则

安装在断路器机构箱中的三相不一致保护的时间继电器的整定原则：大于调度中心的继电保护屏中的断路器保护装置的三相不一致保护定值Δt，t=0.5S。

   

三、提高本体跳闸继电器可靠性解决方案

前言

使用断路器本体跳闸及时传递信号的方法和优化继电器原理将彻底解决以上的问题。电力监控系统（包括变电站自动化系统、发电厂计算机监控系统、微机保护和安全自动装置等）作为电力系统的重要基础设施，是电力控制系统安全的重要组成部分。 

监控信号由中央信号装置由事故信号与预告信号两部分组成,当断路器发生事故跳闸时,启动事故信号,当电气设备发生不正常运行时,例如:控制回路断线、绝缘不良、设备过负荷等，启动预告信号。无论是事故信号或者是故障信号都包含灯光信号和音响信号两部分。音响信号可唤起值班人员的注意，灯光信号则便于判断发生故障的设备及故障的性质。 

⑴断路器本体跳闸及传递信号

构造良好的例如ABB公司出产的HPL型高压断路器二次增加了三相不一致跳闸信号部分，及时反映断路器的动作情况见图1。

当TWJ、HWJ（断路器本身的辅助接点）组成的回路，因为断路器三相不一致而闭合时，通过压板启动时间继电器，在时间继电器到达终点时，中间继电器ZJ得电，这个继电器一方面使各分闸电磁铁线圈（Y1A、Y1B、Y1C、Y2A、Y2B、Y2C）得电跳开断路器。

断路器分闸后，其辅助接点切除三相不一致回路的电源。另一方面启动重动中间继电器1ZJ，1ZJ的作用是在本体断路器上发出三相不一致跳闸红色信号灯，并且自身保持，另一方面向监控系统发出断路器三相不一致跳闸信号，通知值班人员及时处理情况和手动复归信号。

⑵保护跳闸信号与断路器本体跳闸区别十分明确

保护屏的在断路器三相不一致跳闸时除了跳开断路器，同时起着以下的作用：

1）发生事故应无时限地发出音响信号，同时有相应的灯光信号指出发生事故的对象；

2）事故时应立即启动远动装置，发出遥信；

3）能手动或自动地复归信号；

4）事故时应有光信号或其它形式的信号，指明继电保护和自动装置的动作情况；

5）能自动记录发生事故的时间；

6）能重复动作，当一台断路器跳闸后，在值班人员没有来得及确认事故之前又发生了新的事故跳闸时，事故信号还能发出音响和灯光信号；

7）当需要时，应能启动计算机监控系统。

从图2中可以看到：

所有由保护屏的跳断路器的脉冲在启动断路器的同时,1TXJa信号灯同时燃亮，所以对断路器的跳闸的原因一目了然。

⑶淘汰断路器本体的三相跳闸继电器

采用保护屏操作箱，在断路器机构箱或端子箱淘汰重动跳闸继电器，将会大大减少断路器本体误跳闸的几率。过去SF6断路器产品如LW6-500型，本体的跳闸继电器（D）目的是将手动或三相跳闸的脉冲保持，发送到各相分闸电磁铁线圈（EVPA、EVPB、EVPC）进行跳闸。

90年代后，继电保护已经使用断路器操作箱，见图2，即所有的跳闸脉冲均通过操作箱的分相跳闸回路完成，因此，断路器的本体跳闸继电器（D）应该不用。现在新上的超高压断路器与操作箱相符，即没有本体三相跳闸继电器。

⑷优化继电器原理的硬件方案

建议断路器的二次系统装置采用整体面板、全封闭机箱，取消传统背板配线方式，同时在软件设计上也采取相应的抗干扰措施，装置的抗干扰能力大大提高，对外的电磁辐射也满足相关标准。

OUT输出2组跳闸出口接点均为瞬动接点；其它供作遥信。如果需跳两个开关，则用第二组跳闸接点去跳第二个开关，

见图3：

电源插件输入的开关量如三相不一致信号等电源，220V其正端（104端子）应接至插件开入公共端，其负端（105端子）应与本板的220V负（615端子）直接相连；另外220V正应与本板的220V正（614端子）相连，以便让保护监视开入电源是否正常。

以上优化原理同样适应于AIS、GIS、HGIS断路器的本体二次系统，特别是GIS、HGIS组合电器的各个SF6气室都有气体报警继电器，气体闭锁继电器、三相不一致跳闸回路等，诸多单个继电器长期运载不适应GIS可靠性的需要，缺乏状态、输入、输出接点、回路监视。

采用整体、全封闭的设计，从二次回路和继电保护的硬件体积的大量缩减，这种系统具有较高的抗电磁干扰的能力，能够实现高速数据传输，能满足实时性要求，组态灵活并易于扩展，大大简化了常规变电所大量复杂的电缆，方便了施工、维护,对它们的可信赖、安全将大大提高。

   

四、带有普遍性的问题

断路器对于超高压系统的发挥着十分重要的作用，提出了对本体跳闸继电器增加信号继电器和出口压板，并举例说明实施的方法。最后在比较新型断路器与常规断路器的本体跳闸逻辑不同，提出取消三相跳闸继电器，优化本体三相不一致跳闸继电器二次系统原理的可行性。

   

五、案例

前言

断路器是发电厂和变电所电气设备中重要的设备之一。正常情况下，断路器用来接通和断开负载电路；故障情况下，断路器通过继电保护来断开故障电路，以确保电力系统的安全运行，跳闸同时，由继电保护装置通过灯光、信号及时发出信息，使继电保护和运行人员知道跳闸的原因。 

事故发生的过程:

某500KV变电站于2006年2007年发生了4次2040分段、201主变压器220kV断路器跳闸，保护屏无任何信号发出，变电站监测系统除了断路器跳闸告警，其它没有信息记录，事故前系统无任何操作和变化。

在这种情况下,没有充足的理由证明是断路器发生意外跳闸的原因是断路器机械部分的故障，断路器的机构要求比较严格，由于操动机构的作用是当分合闸指令到来之时，通过电磁铁把分合闸电信号转为机械信号，并通过多级液压阀放大，迅速控制液压缸带动触头动作，完成高压断路器的分合闸任务，考虑机械偷跳的可能性不大。

解决方法:

由于二次操作回路跳闸继电器没有信号掉牌等明确指示,所以电气方面引起误跳闸的因素;

1)如操作回路的故障；

2)二次回路绝缘不良；

3)转换接点接触不良，

4)压力不够变位等使分合闸回路不通；

5)断路器密度继电器闭锁操作回路等都在考虑范围之内。

经过仔细试验，认为是虽然操作机构本身的出口继电器的动作电压满足50%~70%ue，但是继电器本身出口继电器的跳闸功率太低，在继电器的线圈两端并联2KΩ15W电阻一只，将原来的跳闸功率由4.5W提高到5.6W，符合国网公司的反措要求。 

虽然断路器重新投入运行，但是并没有从根本上消除断路器误跳闸的原因。

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