控制回路设计缺陷造成断路器拒动分析及改进方案研究.pdf

第26卷 第5期2023年10月Vol.26 No.5Oct.2023山东电力高等专科学校学报Journal of Shandong Electric Power College控制回路设计缺陷造成断路器拒动分析及改进方案研究俞伊丽，张展耀，接晓霞，戴涛，周晨（国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，浙江舟山316000）摘要：分析了一起110 kV断路器拒动导致其他保护越级动作的事故，根据事故原因，对保护操作箱跳合闸回路与断路器机构箱远方/就地切换把手的配合关系进行研究并改进。在改进方案中将保护跳合闸回路与测控跳合闸回路分开并单独引至断路器机构箱，同时新增远方/就地切换把手HK2和控制屏操作把手，以防止运维人员手合于故障时，保护装置动作但断路器拒动。关键词：控制回路；保护操作箱；断路器机构箱；断路器拒动中图分类号：TM772文献标志码：B文章编号：2096-9104（2023）05-0011-07Analysis of Opening Refusal of Circuit Breaker Caused by ControlCircuit Design Defects and Study on Improvement SchemeYU Yili，ZHANG Zhanyao，JIE Xiaoxia，DAI Tao，ZHOU Chen（Zhoushan Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.，Zhoushan 316000，China）Abstract：An incident of the overstepping action of other relay protection devices caused by the opening refusal of a 110 kV circuit breaker is analyzed.Based on the cause of the incident，the coordination relationship between the tripping and closing circuitin the protection operation box and the remote/local switching handle in the circuit breaker mechanism box is studied and improved.In the improvement scheme，it is proposed to separate the protective tripping and closing circuit from the measurementand control tripping and closing circuit，and connect them separately to the circuit breaker mechanism box.Additionally，an operation handle on the control panel and a remote/local switching handle HK2 are added，so as to prevent the occurrence of the incident that the relay protection acts but the circuit breaker refuses to act when the operation and maintenance personnel manuallyclose the circuit breaker and connect to the fault.Keywords：control circuit；protection operation box；circuit breaker mechanism box；opening refusal of circuit breaker0引言二次回路是指将继电保护装置、测控装置、安全自动装置、故障录波等二次设备按照一定功能连接在一起所构成的电气回路，以实现对一次设备运行工况的监视、测量、控制、保护及调节等功能1。作为二次回路的重要组成部分，控制回路可分为跳合位监视回路、防跳回路、跳合闸回路及闭锁回路等2-3。断路器作为继电保护及自动装置二次回路逻辑的最终执行单元，其控制回路的完善性以及保护操作箱控制回路与断路器机构箱控制回路的配合度直接影响继电保护装置的正确动作率。相关研究表明，断路器控制回路缺陷问题已成为断路器不正确动作的重要原因之一4-5。因此，对断路器控制回路进行完善和改进是防止断路器拒动、误动的重要手段。文献 6 和文献 7 设计了一套断路器控制回路智能监测系统，该系统着重对控制回路中的跳合闸回路、压板和保护出口接点的状态进行实时监测，并对其薄弱环节故障进行预警以防止断路器误动或拒动。文献 8-10 则对断路器控收稿日期：2023-07-04作者简介：俞伊丽（1993），女，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统继电保护。编辑部收稿邮箱：11山东电力高等专科学校学报第26卷 第5期Vol.26 No.5制回路中的跳合闸回路接线方式、双跳闸线圈闭锁回路的独立性、保护防跳与机构防跳的配合、断路器操作箱和就地操作机构内合闸回路的配合等问题进行了深入探讨与分析。本文对一起110 kV断路器拒动导致其他保护越级动作的事故进行了分析，提出了两种保护操作箱跳合闸回路与断路器机构箱远方/就地切换把手的配合改进方案，并对所提方案进行了验证。1断路器控制回路断路器控制回路主要由微机保护装置的操作箱插件、测控装置的遥分、遥合接点、远方/就地切换把手、手分/手合操作把手及断路器跳合闸线圈等构成。本文以CSC-163A型数字式线路微机保护装置为例，简要介绍保护操作箱控制回路。以 ZF10-126G型110 kV气体绝缘全封闭组合电器的断路器为例，简要介绍断路器机构箱控制回路。1.1保护操作箱控制回路保护操作箱是保护装置与断路器机构箱之间的衔接装置，保护操作箱控制回路如图1所示。1.1.1跳合位监视回路断路器跳闸监视回路串接于断路器合闸回路中，用于监视合闸回路的完好性，断路器合闸监视回路串接于断路器跳闸回路中，用于监视跳闸回路的完好性，并通过保护面板指示灯显示断路器的实际分合状态。1.1.2跳合闸回路由图1可见，保护操作箱与断路器机构箱之间连接了5根电缆，即控制回路正电（101）、控制回路图1保护操作箱控制回路12负电（102）、跳位监视回路（109）、合闸出口回路（107）、合位监视及跳闸出口回路（137）。保护跳闸、合闸出口与测控遥分、遥合出口至断路器机构箱的回路并未独立分开，因此当断路器机构箱远方/就地把手切至“就地”时，便断开保护装置远方跳闸回路，存在就地手合于永久性故障时保护装置动作但断路器拒动的风险。1.2断路器机构箱控制回路断路器机构箱是保护操作箱回路跳合闸出口命令的最终执行单元。断路器机构箱控制回路如图2所示。1.2.1跳合闸回路完整的远方跳闸回路为来自图1的保护操作箱跳闸出口命令137（合并保护跳闸和测控遥跳）接到断路器机构箱的遥分入口 X1-103，串入远方/就地切换把手辅助接点、断路器常开辅助接点、跳闸线圈。完整的远方合闸回路为来自图1的保护操作箱合闸出口命令107（合并保护重合闸和测控遥合）接到断路器机构箱的遥合入口 X1-101，串入远方/就地切换把手辅助接点、防跳继电器CJX常闭辅助接点、储能接点 CK1、断路器常开辅助接点、合闸线圈。1.2.2远方/就地切换把手及操作开关当远方/就地切换把手HK1切至“远方”时，断路器跳合闸回路由来自保护操作箱的远方（保护装置、测控装置）跳合命令启动。当远方/就地切换把手HK1切至“就地”时，断路器跳合闸回路经图2中的五防锁后由操作把手SA1的辅助接点启动，同时切断远方跳合回路，使得保护装置跳闸命令无法作用于断路器。2控制回路缺陷造成断路器拒动分析2.1系统基本情况某110 kV系统接线图如图3所示。故障前各相关变电站运行情况如下：220 kV变电站A的1号、2号、3号主变压器220 kV、110 kV侧并列运行，1号主变压器中性点接地运行，线路2断路器热备用；110kV变电站B的1号、2号主变压器三侧并列运行，且110 kV 侧中性点均不接地，线路 2 断路器热备用；200 kV柔性直流站C联网运行，且110 kV侧中性点均不接地，联接变压器110 kV网侧中性点接地。故障后各相关变电站运行情况如下：220 kV变电站A线路2断路器分闸；110 kV变电站B线路2断路器拒动，110 kV、段母分断路器分闸，35 kV母分断路器、10 kV母分断路器分闸；200 kV柔性直流站C线路3断路器、联接变压器网侧、阀侧及低压侧断路器分闸。2.2故障线路保护动作分析某日 14 39 01，220 kV变电站 A线路 2执行合闸操作，断路器合闸成功。15 03 20.359，220 kV 变电站A线路2发生C相永久性接地故障，故障电流为37 A（零序电流段保护电流定值为35 A，动作时限图2断路器机构箱控制回路俞伊丽，等：控制回路设计缺陷造成断路器拒动分析及改进方案研究13山东电力高等专科学校学报第26卷 第5期Vol.26 No.5为0 s），保护测量阻抗为0.74 （接地距离段保护阻抗定值为0.88，动作时限为0 s），测距为19 km，线路2保护动作正确。纵联保护因前期光缆中断已退出，因该线路为电缆线路，重合闸也已退出，断路器分闸。15 05 49.290，对侧 110 kV 变电站 B 运行人员未及时发现线路2已发生故障，将该侧线路2断路器就地手动合闸于故障，故障电流为29 A，测量阻抗为0.44 （接地距离段保护阻抗定值为2，零序加速电流保护定值为4.5 A），但保护动作后断路器实际未分闸，原因待查。2.3非故障间隔保护越级动作分析15 05 49.596，因110 kV变电站B线路2断路器拒动，该站110 kV、段母分断路器持续流过故障电流，故障电流为23 A（过流保护电流定值为8 A，动作时限为0.3 s，零序过流保护电流定值为1.8 A，动作时限为0.3 s）；经0.3 s后零序过流保护和过流保护动作，跳开110 kV、段母分断路器。110 kV变电站B的110 kV、段母分断路器跳闸后，200 kV柔性直流站C经线路3、110 kV变电站B的1号、2号主变压器中低压侧并联运行，使得110 kV变电站B的110 kV 段和段母线带C相接地故障继续运行。110 kV变电站B的110 kV、段母分断路器跳闸后，110 kV故障系统中仅剩200 kV柔性直流站C联接变压器网侧中性点接地，200 kV柔性直流站C线路3的零序电流分流增大，达到8.4 A（母分断路器分闸前约为7.1 A），大于零序段保护定值（零序段保护电流定值为 8 A，动作时限为 0.9 s），15 05 50.552，保护动作，线路 3 断路器跳闸，保护动作正确。200 kV 柔性直流站 C 线路 3 断路器跳闸后，110 kV系统失去中性点，系统A相和B相电压升高至线电压，系统3U0达到193 V，因200 kV柔性直流站C联接变压器为线变组接线，主变压器保护用电压取自线路3的线路电压互感器，大于联接变压器零序过电压保护定值（零序过电压保护电压定值为180 V，动作时限为0.5 s），15 05 51.112，保护动作跳开联接变压器网侧（已由线路3保护跳开）、阀侧及低压侧断路器，保护动作正确。图3某110 kV系统接线图14200 kV柔性直流站C退出运行后，因110 kV变电站B的1号、2号主变压器中低压侧并联运行，该站 110 kV段和段母线带 C 相接地故障继续运行。此时，110 kV系统通过220 kV变电站A线路1110 kV变电站B的1号主变压器110 kV变电站B的35 kV、10 kV母分断路器110 kV变电站B的2号主变压器向线路2的故障点继续提供短路电流。110 kV变电站B中，2号主变压器中压侧故障电流值为9.3 A，低压侧故障电流值为1.4 A（中压侧分流较大），由于该站2号主变压器中压侧电流速断保护电流定值为6.3 A，动作时限为1.5 s，中压侧电流速断保护第时限动作跳开35 kV母分断路器。此后，2号主变压器低压侧故障电流分流增大至7.8 A，由于其低压侧电流速断保护电流定值为6.3 A，动作时限为0.9 s，低压侧电流速断保护第时限动作跳开10 kV母分断路器，保护动作正确，线路2的故障点最终被隔离。2.4问题分析由上述分析可知，110 kV变电站B的线路2断路器拒动导致保护越级跳闸，扩大停电范围。而断路器拒动是因为运维人员在监控后台合断路器执行线路2的复役操作时报“遥控失败”信号，只能到现场就地手合线路2的断路器。由图1、图2可知，保护和测控回路的遥分命令使用同一条电缆（137）引至断路器机构箱的跳闸入口（X1-103），当机构箱处的远方/就地切换把手切至“就地”时，就会断开保护跳闸回路。此时，运维人员恰好手合于故障，保护虽然动作出口，但是由于跳闸回路已断开，断路器拒动。可见，进行保护操作箱至断路器机构箱之间的图4保护操作箱控制回路改进俞伊丽，等：控制回路设计缺陷造成断路器拒动分析及改进方案研究15山东电力高等专科学校学报第26卷 第5期Vol.26 No.5跳闸回路设计时，仅考虑远方合闸于故障的情况，且为了回路设计简洁，未将来自保护操作箱的“测控跳闸”和“保护跳闸”分开。对上述回路的设计缺陷应进行弥补，以避免类似事故再次发生。3断路器控制回路改进方案3.1改进方案一方案一将测控跳合闸和保护跳合闸回路分开，具体如图4中的灰色方框标记处所示。新增跳闸继电器 TBJ2 和合闸继电器 HBJ2，用于单独接入“测控/KK 跳闸”和“测控/KK 合闸”。如果采用保护操作箱防跳，由于“测控/KK合闸”和“保护合闸”回路独立，保护操作箱防跳回路需配置两套，这将使回路变得更加复杂，还可能形成寄生回路，取消保护操作箱防跳，统一采用断路器机构箱防跳。保护操作箱回路改进后，对应接至断路器机构箱的接线也应相应改动。其中，“保护跳闸137”直接接至图 2 的 X2-6，“保护合闸 107”直接接至图 2 的X2-4，即保护装置的跳合闸命令不再经断路器机构箱的远方/就地切换把手控制，从而避免就地手合于永久性故障时发生保护动作但断路器拒动的现象。“测控/KK 跳闸 137*”仍接至图 2的 X1-103，“测控/KK合闸107*”接至图2的X1-101，即测控/KK跳合闸命令（遥分/遥合）仍经断路器机构箱的远方/就地把手控制。3.2改进方案二考虑到方案一中保护跳合闸出口不经断路器机构箱远方/就地切换把手的控制，存在断路器检修时误伤现场作业人员的风险，需对断路器机构箱回路进一步改进，具体如图5中的灰色方框标记处所示。方案二的改进思路为新增一个远方/就地切换把手HK2和控制屏分合操作把手。保护跳合闸命令只经HK1控制，测控跳合闸及控制屏手分、手合同时经HK1和HK2控制。由两个远方/就地切换把手构成了远方、就地、检修三种状态11。1）远方状态，即HK1和HK2均切至“远方”。此时调度及厂站端监控后台均能遥控操作，保护能动作跳合闸，但控制屏、机构箱不能操作。2）就地状态，即HK1切至“远方”，HK2切至“就地”。此时调度及厂站端监控后台均不能遥控操作，保护能动作跳合闸，控制屏能操作，但机构箱不能操作。3）检修状态，即HK1和HK2均切至“就地”。此时调度及厂站端监控后台均不能遥控操作，保护不能动作跳合闸，控制屏不能操作，但机构箱能操作。图5断路器机构箱控制回路改进164结论断路器作为电力系统的重要元件，其控制回路的完好性是保证断路器可靠执行跳合闸操作命令的必要条件。本文对保护操作箱跳合闸回路与断路器机构箱远方/就地切换把手的配合关系进行研究并改进，提出应将保护跳合闸与测控跳合闸回路分开并单独引至断路器机构箱，同时新增控制屏操作把手另供运维人员在遥控回路故障时就地操作断路器，并新增远方/就地切换把手 HK2，可与原断路器机构的HK1构成远方、就地、检修三种状态，处于就地状态时，运维人员手合于故障时保护装置可正常跳开相应断路器。已在实训室平台搭建“保护操作箱-模拟断路器”回路对该方案进行验证，但改进后保护插件板的兼容性有待进一步试验，以便在各变电站推广应用。参考文献1国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材（下册）M.北京：中国电力出版社，2009.2郑新才，蒋剑.怎样看 110 kV 变电站典型二次回路图 M.北京：中国电力出版社，2009.3郭占伟，原爱芳，张长彦，等.断路器操作回路详述 J.继电器，2004，32（19）：67-70.4张惠山.断路器控制回路改进 J.电力安全技术，2021，23（6）：42-46.5段明明.一起220 kV断路器控制回路断线异常分析 J.电工电气，2022（8）：74-76.6李永丽，李瑞鹏，卢扬，等.断路器操作回路的智能化监测系统设计 J.电力自动化设备，2017，37（10）：211-217.7张雷.继电保护出口回路监测及状态检修的研究 D.北京：华北电力大学，2010.8兀鹏越，董志成，陈琨，等.高压断路器防跳回路的应用及问题探讨 J.电力自动化设备，2010，30（10）：106-109.9康丽萍.断路器操作回路的深入分析与探讨 J.水电站机电技术，2023，46（1）：82-85.10 朱韬析，史志鸿，郭卫明，等.断路器操作箱和就地操作机构内合闸回路的配合问题 J.电力系统保护与控制，2010，38（8）：115-119.11 彭业，马军，欧阳力.保护控制回路与三菱断路器操作机构的配合 J.电力系统保护与控制，2009，37（4）：95-100.俞伊丽，等：控制回路设计缺陷造成断路器拒动分析及改进方案研究生 态 电 网和 谐 共 生17