馬 凱, 杜 鵬, 黃道均, 黃偉民, 蘇 文, 高 燃, 束 暢

國家電網(wǎng)安徽省電力公司 檢修公司 合肥 230009

1 繼電器概述

繼電器是一種電控制器件,可以給予規(guī)定輸入量并保持足夠長的時間,在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化。當輸入量降至一定程度并保持足夠長的時間后,再恢復到初始狀態(tài)[1-3]。常見繼電器由控制電流通過線圈所產(chǎn)生的電磁吸力驅(qū)動磁路中的可動部分實現(xiàn)觸點開、閉或轉(zhuǎn)換功能,主要由磁路系統(tǒng)、返回系統(tǒng)及接觸系統(tǒng)三大部分組成。此外,有根據(jù)氣體壓力變化控制觸點通斷的繼電器,如六氟化硫繼電器[4-5];還有根據(jù)氣體流速變化控制觸點通斷的繼電器,如氣體繼電器[6-7]。文獻[8]介紹了繼電器的選型要求和使用注意事項。文獻[9]介紹了繼電器的主要參數(shù)及其擾動因素。文獻[10]結(jié)合實際工作中的繼電器失效案例,從可靠性評價條件、失效機理、可靠性改善三個方面進行研究,為可靠性理論和實際工程提供參考。文獻[11]討論了繼電器在使用過程中觸頭部分的故障,并給出了相應(yīng)的處理方法。

繼電器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,目前,包括組合電器、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等在內(nèi)的變電設(shè)備二次回路中大量使用繼電器,以實現(xiàn)保護與控制的功能。繼電器在使用過程中經(jīng)常發(fā)生故障,如果處理不當,會給整個電力系統(tǒng)造成潛在的危機,甚至造成系統(tǒng)癱瘓[12-15]。因此,有必要對變電站中繼電器的常見故障進行分析總結(jié)。

2 繼電器常見故障統(tǒng)計

目前,國家電網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司下轄28座500 kV超高壓變電站和2座1 000 kV特高壓變電站。上述變電站構(gòu)成安徽電網(wǎng)的骨干網(wǎng)絡(luò),自2014年以來,共發(fā)生117起繼電器故障,造成變電設(shè)備一般缺陷86起、嚴重缺陷18起、危急缺陷13起,500 kV斷路器跳閘有4次,220 kV斷路器跳閘有3次,其中,涉及氣體繼電器24起、相序繼電器20起、時間繼電器11起、分合閘接觸器10起、熱耦繼電器8起、儲能信號繼電器6起、電壓繼電器6起、密度繼電器4起、防跳繼電器3起、電流繼電器2起,其它缺陷23起。

上述繼電器故障有的是在設(shè)備投運時就存在隱患,如部分氣體繼電器在投運時就存在輕微滲油的情況,隨著設(shè)備運行時間的延長,滲油情況加劇。有的繼電器選型不當導致存在家族性缺陷,在一定情況下會引發(fā)設(shè)備故障。有的繼電器運行維護管理不當,如繼電器接線松動或受潮導致設(shè)備故障。更多的則是隨著運行時間的延長,繼電器內(nèi)部元器件老化導致故障。

3 氣體繼電器故障導致主變跳閘

2018年2月6日21:53,某220 kV變電站220 kV 1號主變有載開關(guān)氣體繼電器重瓦斯保護動作,斷開該主變?nèi)齻?cè)斷路器。導致保護誤動的氣體繼電器型號為URF25/10 12-25-48,生產(chǎn)廠家為德國EMB。運行維護檢修人員到達故障現(xiàn)場,對1號主變及三側(cè)斷路器進行檢查,主變油位、油溫、斷路器壓力未發(fā)現(xiàn)明顯異常。1號主變保護裝置顯示有載開關(guān)氣體繼電器重瓦斯保護動作。對1號主變本體端子箱、有載調(diào)壓機構(gòu)進行檢查,無明顯異常。調(diào)取非電量及輔助保護裝置自檢報告,發(fā)現(xiàn)2018年2月6日21:53發(fā)生有載開關(guān)重瓦斯動作后信號迅速恢復,反復發(fā)生四次。非電量及輔助保護裝置自檢報告截圖如圖1所示。

圖1 非電量及輔助保護裝置自檢報告截圖

該有載開關(guān)氣體繼電器的接線方式如圖2所示,測量觸點11電壓僅為直流120 V,而正常應(yīng)為220 V,初步確定有載氣體繼電器存在故障。

圖2 氣體繼電器接線

檢修人員立即聯(lián)系設(shè)備廠家準備備用有載開關(guān)氣體繼電器,同時安排對原氣體繼電器進行送檢分析。2月7日14:30,更換完畢新氣體繼電器,再次檢查二次絕緣芯對芯電阻值為5.35 GΩ,芯對地電阻值為1.56 GΩ和3.78 GΩ。16:00,電科院檢測發(fā)現(xiàn)原有載開關(guān)氣體繼電器觸點內(nèi)絕緣不合格,觸點23、24間絕緣電阻值為0.4 MΩ,觸點11、14間絕緣電阻值為0.05 MΩ。進一步解體檢查,發(fā)現(xiàn)觸點11、14間的干簧管尾部絕緣薄弱,存在放電現(xiàn)象,進一步確認主變跳閘為氣體繼電器故障引起,如圖3所示。2月7日16:00,向省調(diào)申請恢復送電,并于16:30送電成功,現(xiàn)場主變恢復正常運行。

圖3 觸點11、14間干簧管情況

該變電站1號主變于2005年12月投運,運行超過12 a,有載開關(guān)氣體繼電器內(nèi)部干簧管尾部絕緣性能下降,最終導致繼電器觸點導通,主變有載重瓦斯保護誤動。

4 非全相時間繼電器故障導致斷路器跳閘

2017年12月6日9:24,某1 000 kV特高壓變電站A后臺發(fā)直流接地信號。9:28,500 kV平淮5011斷路器非全相繼電器動作,5011斷路器跳閘,無負荷損失。運行維護人員立即前往檢查,發(fā)現(xiàn)為第一套非全相保護回路時間繼電器誤動。該繼電器生產(chǎn)廠家為西安凱盛,型號為LTD 3000。2018年2月1日,使用同樣型號時間繼電器的另一個1 000 kV特高壓變電站B發(fā)生同樣的跳閘事故。

兩次跳閘事故現(xiàn)象高度相似,主要體現(xiàn)在三個方面。

(1) 跳閘前站內(nèi)后臺均發(fā)出直流接地信號,運行維護人員隨即響應(yīng)開展排查。跳閘時間與直流接地信號發(fā)出時間間隔較短,在排查過程中已發(fā)生了跳閘,特別是變電站A,直流接地僅4 min之后便發(fā)生跳閘。

(2) 調(diào)閱故障前后的報文及光字信息,確認跳閘前除直流接地外無其它異常信號。跳閘時,后臺發(fā)非全相保護動作,保護裝置無動作及異常報警信號。

(3) 通過二次回路檢查,確認接地點位于第一套非全相保護回路時間繼電器。拆除繼電器后恢復操作電源,直流接地信號消失。通過絕緣電阻值測試,繼電器觸點間,以及觸點對地絕緣不良。拆解時間繼電器,發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在凝露、銹跡,如圖4所示。

圖4 時間繼電器內(nèi)部凝露與銹蝕

經(jīng)了解,該繼電器生產(chǎn)廠家同類設(shè)備之前在其它地區(qū)發(fā)生過類似故障,廠家于是對該型號時間繼電器進行了改進。如圖5所示,右側(cè)為改進前外形,左側(cè)為改進后外形。安徽省電力公司要求廠家對改進前后繼電器開展環(huán)境模擬試驗。廠家于2018年1月2日出具了試驗報告,試驗表明,當環(huán)境相對濕度達到80%以上,且環(huán)境溫度發(fā)生快速升高時,改進前繼電器內(nèi)部出現(xiàn)凝露,改進后繼電器內(nèi)部無凝露。除繼電器密封不良易導致凝露外,安徽省電力公司通過對改進前后繼電器進行拆解對比,認為導致繼電器內(nèi)部凝露的內(nèi)在原因可能為結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷,使繼電器內(nèi)電子元件較多,布局緊湊,特別是金屬外殼的濾波器上容易產(chǎn)生凝露,廠家改進后的繼電器則取消了該濾波器。如圖6所示,右側(cè)為改進前繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu),左側(cè)為改進后繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

綜上分析認為,造成斷路器跳閘的直接原因為時間繼電器內(nèi)部凝露使絕緣降低,導致繼電器誤動作出口跳閘。繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,是產(chǎn)生凝露的本質(zhì)原因。改進前的該型號繼電器,從結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性、故障后果等幾方面分析,已經(jīng)具備家族缺陷的特征。目前在安徽省電力公司的要求下,廠家已完成對所有相同型號繼電器的更換。

圖5 改進前后時間繼電器外形

圖6 改進前后時間繼電器內(nèi)部

5 繼電器參數(shù)匹配不當導致異響

2018 年1 月26 日,某220 kV變電站220 kV繁盛2D22斷路器防跳回路改造完成后合閘,斷路器三相機構(gòu)持續(xù)存在繼電器開斷、閉合的聲響,同時保護室內(nèi)2D22間隔第一套保護裝置的斷路器三相跳位指示燈也持續(xù)存在亮、熄的閃滅現(xiàn)象?，F(xiàn)場測量K3防跳繼電器兩端電壓為170 V。該斷路器為ABB公司產(chǎn)品,型號為LTB245E1,操動機構(gòu)型號為BLK222。

該型號斷路器的分合閘控制回路如圖7所示。圖7中Y3為合閘線圈,K9為六氟化硫閉鎖繼電器觸點,K13為儲能繼電器觸點。當斷路器處于分閘狀態(tài)時,操作箱繼電器TWJ與斷路器機構(gòu)箱的合閘回路接通,監(jiān)視合閘回路的完好性。正常情況下,當斷路器合閘完成后,斷路器三相機構(gòu)防跳繼電器K3應(yīng)該在失電狀態(tài),不應(yīng)吸合。但是檢查實際發(fā)現(xiàn),當斷路器在合閘位置時,TWJ和K3不斷吸合并返回,發(fā)出異響。經(jīng)查明,K3與該間隔第一套保護裝置繼電器TWJ參數(shù)不匹配,導致TWJ和K3異常啟動。當斷路器在合閘位置時,斷路器輔助開關(guān)常開+BG 23-24觸點閉合,正電經(jīng)TWJ、K3到負電形成通路。此時,TWJ及其電阻VR1與K3的參數(shù)匹配不當,導致TWJ與K3在斷路器合位時動作。K3動作后,K3的11-12觸點斷開,TWJ和K3形成的回路斷開,然后TWJ和K3返回,K3的11-12觸點又閉合,TWJ與K3 再次形成通路,TWJ和K3再次動作,重復上述現(xiàn)象。

圖7 斷路器分合閘控制回路

根據(jù)現(xiàn)場實際情況,采用一種簡單的方法,在TWJ與機構(gòu)控制回路之間串接斷路器的常閉輔助觸點,如圖8所示,使TWJ與K3不存在匹配不當問題。

采用以上方法后,繼電器異響故障消除,斷路器分合閘功能恢復正常。

圖8 解決方案

6 預(yù)防措施

變電站中繼電器對于變電設(shè)備的安全、可靠運行具有重要意義。就繼電器而言,提高其使用壽命或節(jié)省一個繼電器,價值少則十幾元,多則也僅幾千元。但對繼電器所處的系統(tǒng)而言,將產(chǎn)生很大影響。繼電器正確運行可使系統(tǒng)處在良好的狀態(tài)下,所創(chuàng)造的價值將遠遠大于繼電器本身的價值。從上述繼電器常見故障統(tǒng)計和案例可以看出,繼電器故障的原因多種多樣,故障發(fā)生的時間也貫穿設(shè)備從建設(shè)到退役的各個階段。為了防止因繼電器故障導致變電設(shè)備故障,提出以下預(yù)防措施。

(1) 加強新入網(wǎng)變電設(shè)備所用繼電器的選型。一般新建擴建變電設(shè)備都會召開設(shè)計聯(lián)絡(luò)會,可結(jié)合繼電器常見故障和各品牌繼電器的實際使用效果,在這一階段對繼電器的選型進行把關(guān)。如目前安徽省電力公司要求新入網(wǎng)的非全相時間繼電器應(yīng)優(yōu)先選用電磁式繼電器,且無試驗按鈕。

(2) 加強新入網(wǎng)變電設(shè)備所用繼電器的驗收。新安裝的繼電器定值按照相關(guān)規(guī)定整定需正確,動作電壓、功率校驗需合格,絕緣電阻值測試需合格,上述工作驗收人員需旁站見證。各繼電器的功能模擬試驗需正常,后臺信號需正確。針對氣體繼電器滲漏油的情況,應(yīng)嚴把驗收關(guān),確保氣體繼電器原始安裝正確到位,密封良好,杜絕帶病上崗。

(3) 加強繼電器的運行維護。加強運行環(huán)境的檢查、維護,重點檢查非全相繼電器所處箱柜的防雨、防潮、防塵、防小動物措施是否完善,內(nèi)部加熱、除濕裝置運行是否正常,內(nèi)部是否存在凝露,發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時處置。繼電器外殼、底座存在松動或破裂時,應(yīng)及時停電更換,嚴禁采用扎帶緊固。有條件時可結(jié)合主設(shè)備帶電檢測計劃開展繼電器本體、接線端子的紅外測溫。

(4) 加強繼電器檢修管理。嚴格按照《國家電網(wǎng)公司變電設(shè)備檢修通用細則》實施檢修項目,校驗不合格的繼電器應(yīng)更換為品質(zhì)更優(yōu)的產(chǎn)品。加強檢修記錄管理,做好備件儲備及使用。繼電器的更換周期與變電設(shè)備大修周期應(yīng)保持一致。

7 結(jié)束語

繼電器是實現(xiàn)對變電設(shè)備保護和控制的基礎(chǔ),對于變電設(shè)備安全可靠運行具有重要意義。筆者總結(jié)了變電站中繼電器的常見故障,分析具體故障案例,并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的預(yù)防措施,為繼電器故障的處理和預(yù)防提供參考。