劉 濤，郭 果，李茹勤，岳雷剛，喬振朋，郭 凱

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，鄭州 450051）

0 引言

1 000 kV 特高壓線路單端或兩端裝設(shè)有高壓并聯(lián)電抗器[1]（以下簡(jiǎn)稱“高抗”），1 000 kV 高抗的絕緣油冷卻方式均為自然油循環(huán)強(qiáng)迫風(fēng)冷，線路帶電壓立即將冷卻器投入運(yùn)行；1 000 kV 高抗為大型充油設(shè)備，為了在其存在火災(zāi)隱患或發(fā)生火災(zāi)時(shí)能及時(shí)將火勢(shì)控制住，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，1 000 kV 高抗均配置了自動(dòng)噴水系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須在1 000 kV 線路失去電壓時(shí)才能啟動(dòng)；考慮到某些1 000 kV 線路還裝設(shè)有特高壓串補(bǔ)裝置，1 000 kV 線路出線間隔存在3 組接地刀閘（以下簡(jiǎn)稱“地刀”），分別為線路地刀、高抗地刀和串補(bǔ)地刀，3 組地刀均在線路無電壓時(shí)才能操作。為此，借鑒500 kV 變電站成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[2-3]，1 000 kV 線路CVT（電容式電壓互感器）的二次側(cè)均裝設(shè)了電磁型電壓繼電器，用以檢測(cè)線路是否有電壓。1 000 kV 特高壓變電站的1 000 kV 出線間隔需要檢測(cè)的電壓邏輯較多，現(xiàn)場(chǎng)安裝3 組電磁型電壓繼電器，其輸出3～6 副接點(diǎn)供高抗冷卻器控制回路、高抗自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和地刀控制回路使用。

運(yùn)行實(shí)踐證明，CVT 端子箱所處的1 000 kV變電站的電磁環(huán)境明顯比500 kV 變電站更為惡劣[4]，導(dǎo)致目前1 000 kV 線路CVT 端子箱內(nèi)的電壓繼電器及其二次回路存在諸多問題，嚴(yán)重影響了1 000 kV 線路間隔設(shè)備的可靠性，不利于特高壓電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文以1 000 kV 特高壓南陽(yáng)站長(zhǎng)南Ⅰ線和南荊Ⅰ線間隔線路電壓檢測(cè)電壓繼電器及其二次回路為例，分析現(xiàn)場(chǎng)配置方案及其存在的問題，并據(jù)此給出改進(jìn)的1 000 kV線路間隔電壓檢測(cè)新方案。

1 電壓繼電器配置方案及問題

1 000 kV 線路電壓檢測(cè)通過線路CVT 二次繞組并聯(lián)電壓型繼電器實(shí)現(xiàn)，其原理如圖1 所示。1YJ-9YJ 為線路CVT 二次繞組并聯(lián)的電壓型繼電器，其中1YJ-3YJ 并聯(lián)于線路CVT 端子箱內(nèi)的保護(hù)1 電壓二次繞組，用于啟動(dòng)高抗冷卻器控制回路和高抗自動(dòng)噴水控制回路[5]；4YJ-6YJ 并聯(lián)于線路CVT 端子箱內(nèi)的保護(hù)2 電壓二次繞組，用于閉鎖高抗接地刀閘控制回路；保護(hù)1 電壓二次導(dǎo)線同時(shí)引至1 000 kV HGIS（復(fù)合式氣體絕緣開關(guān)設(shè)備）匯控柜，7YJ-9YJ 并聯(lián)于1 000 kV HGIS匯控柜內(nèi)的保護(hù)1 電壓二次繞組，用于閉鎖HGIS 線路接地刀閘控制回路。1YJ-9YJ 均安裝于現(xiàn)場(chǎng)CVT 端子箱或匯控柜內(nèi)。

圖1 1 000 kV 線路電壓檢測(cè)原理

1.1 繼電器故障情況

電磁式繼電器的工頻勵(lì)磁電壓是導(dǎo)致其鐵芯、繞組振動(dòng)及噪音的主要因素，在特高壓變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境下，電磁式繼電器的鐵芯、繞組振動(dòng)及噪音更為顯著[6-7]。1 000 kV 線路CVT端子箱內(nèi)的電磁式電壓繼電器長(zhǎng)期工作于100 V 的工頻勵(lì)磁電壓下，繼電器本體尤其是簧片及其動(dòng)觸頭長(zhǎng)期抖動(dòng)，致使其頻繁損壞。1 000 kV 特高壓南陽(yáng)站2 條1 000 kV 線路共安裝電磁式繼電器18 只，自2008 年投運(yùn)至今，故障并更換42次（只），詳細(xì)情況統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 1 000 kV 特高壓南陽(yáng)站1 000 kV CVT 二次電磁式電壓繼電器故障情況統(tǒng)計(jì)

由表1 可知，該18 只繼電器自投運(yùn)以來，每年均有故障，至今平均每只故障并被更換2.33次，且10 年來已被全部更換。經(jīng)檢查，故障繼電器有以下幾種情況：

（1）動(dòng)作或返回電壓不合格。在1.1 倍動(dòng)作電壓下不能可靠動(dòng)作或在0.9 倍返回電壓下不能可靠返回。

（2）簧片及動(dòng)觸頭長(zhǎng)期抖動(dòng)損壞，常開或常閉接點(diǎn)不能可靠斷開或閉合。

1 000 kV 線路CVT 二次電磁式電壓繼電器較高的故障頻次給運(yùn)行設(shè)備帶來了較嚴(yán)重的安全隱患。

1.2 對(duì)運(yùn)行設(shè)備的影響

（1）1 000 kV 高抗的絕緣油冷卻方式為自然油循環(huán)強(qiáng)迫風(fēng)冷，線路帶電壓立即將冷卻器投入運(yùn)行。1 000 kV 高抗冷卻器檢測(cè)線路有壓?jiǎn)?dòng)原理如圖2 所示。

圖2 1 000 kV 高抗冷卻器檢線路有壓?jiǎn)?dòng)原理

圖2 中1YJ，2YJ 及3YJ 為圖1 所示中間繼電器的輔助觸點(diǎn)， 三者并聯(lián)后啟動(dòng)中間繼電器ZJ，ZJ 繼電器的常閉輔助觸點(diǎn)閉合后啟動(dòng)中間繼電器KA，KA 繼電器的常閉輔助觸點(diǎn)閉合后啟動(dòng)高抗冷卻器運(yùn)轉(zhuǎn)?？梢姡? 000 kV 線路停電檢修期間， 若1YJ-3YJ 任一繼電器不可靠返回（1.1 中所列故障），均會(huì)將高抗冷卻器錯(cuò)誤地投入運(yùn)轉(zhuǎn)，該情況在1 000 kV 特高壓南陽(yáng)站已發(fā)生過多次。其關(guān)鍵在于1 000 kV 線路失電后1YJ-3YJ 繼電器不能可靠返回。為避免該安全隱患，1 000 kV 特高壓南陽(yáng)站采用的辦法是：1 000 kV 線路停電轉(zhuǎn)檢修后，立即將高抗冷卻器電源斷開，以防止1YJ-3YJ 繼電器不能可靠返回而誤啟動(dòng)高抗冷卻器，同時(shí)帶來的問題是進(jìn)行高抗冷卻器試驗(yàn)和檢修工作時(shí)需申請(qǐng)投入冷卻器電源，增加了運(yùn)維檢修人員工作量，降低了工作效率。

同樣，高抗正常帶電運(yùn)行中，若1YJ-3YJ 3個(gè)輔助觸點(diǎn)同時(shí)誤閉合，將會(huì)造成三相高抗冷卻器全停事故。根據(jù)表1 所示，2012 年南荊I 線間隔、2013 年南荊I 線間隔、2014 年長(zhǎng)南I 線間隔已分別發(fā)生1YJ-3YJ 3 個(gè)輔助觸點(diǎn)中2 個(gè)誤閉合案例，若第3 個(gè)觸點(diǎn)再發(fā)生閉合，后果十分嚴(yán)重。

（2）1 000 kV 高抗為大型充油設(shè)備，為了在其存在火災(zāi)隱患或發(fā)生火災(zāi)時(shí)，及時(shí)將火勢(shì)控制住，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，其均配置了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須在1 000 kV 線路失去電壓時(shí)才能啟動(dòng)。為防止電壓檢測(cè)接點(diǎn)誤啟動(dòng)自動(dòng)噴水系統(tǒng)，3 個(gè)電壓檢測(cè)接點(diǎn)串聯(lián)后接入自動(dòng)噴水控制回路，其原理圖如3 所示。

圖3 1 000 kV 高抗自動(dòng)噴水控制回路原理

圖3 中ZJa，ZJb 及ZJc 為中間繼電器，檢1 000 kV 線路三相均無電壓后動(dòng)作，其輔助常開觸點(diǎn)分別經(jīng)各自相高抗感溫電纜動(dòng)作，信號(hào)串聯(lián)后啟動(dòng)該相自動(dòng)噴水系統(tǒng)電磁閥DFA，DFB 及DFC，電磁閥動(dòng)作后該相高抗消防管網(wǎng)立即注入高壓水并噴淋。由圖3 原理可知，電磁閥動(dòng)作需2 個(gè)條件：一是該相高抗感溫電纜動(dòng)作；二是本文所述線路3 只電壓檢測(cè)繼電器返回。然而，南陽(yáng)站現(xiàn)場(chǎng)10 余年的運(yùn)維檢修經(jīng)驗(yàn)表明，受現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境影響，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)24 V 控制回路可靠性偏低，當(dāng)前大型充油設(shè)備（高抗、變壓器等）感溫電纜動(dòng)作可靠性不足，誤動(dòng)作概率較高。這就要求電磁閥動(dòng)作的另一條件，即1 000 kV線路3 只電壓檢測(cè)繼電器及其回路的動(dòng)作必須可靠，才能閉鎖該回路誤導(dǎo)通，否則DFA，DFB 及DFC 3 個(gè)電磁閥誤動(dòng)作的可能性大大提高。1 000 kV 線路正常運(yùn)行期間，若高抗自動(dòng)噴水系統(tǒng)誤動(dòng)，后果非常嚴(yán)重，可能造成高抗1 000 kV 引線對(duì)地閃絡(luò)，不僅損害特高壓一次設(shè)備，還嚴(yán)重威脅特高壓電網(wǎng)安全[8]。因此，對(duì)圖3 中1YJ-3YJ繼電器及其輔助觸點(diǎn)的可靠性有極高的要求。

然而，南陽(yáng)站現(xiàn)場(chǎng)10 余年的運(yùn)維檢修經(jīng)驗(yàn)表明（1.1 中所列故障），1YJ-3YJ 繼電器及其輔助觸點(diǎn)的可靠性明顯不足。 南陽(yáng)站現(xiàn)場(chǎng)為防止1 000 kV 線路正常運(yùn)行期間，1YJ-3YJ 繼電器誤返回導(dǎo)致1 000 kV 高抗自動(dòng)噴水系統(tǒng)誤動(dòng)作而造成嚴(yán)重后果，將現(xiàn)場(chǎng)高抗消防主管網(wǎng)閥門關(guān)閉，即使DFA，DFB 和DFC 電磁閥誤動(dòng)作，高抗消防主管網(wǎng)也不會(huì)充水。但這樣帶來的風(fēng)險(xiǎn)是，若1 000 kV 高抗確實(shí)發(fā)生火災(zāi)，高抗感溫電纜動(dòng)作的同時(shí)，1 000 kV 線路失壓，高抗自動(dòng)噴水系統(tǒng)也不能及時(shí)啟動(dòng)，需要運(yùn)維人員手動(dòng)打開消防主管網(wǎng)閥門，勢(shì)必會(huì)造成噴水系統(tǒng)投入延遲，而造成更嚴(yán)重的后果。

尤其自2018 年國(guó)家電網(wǎng)有限公司為提高現(xiàn)場(chǎng)超（特）高壓充油設(shè)備自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的快速及有效性，要求現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)必須置“自動(dòng)”方式，類似南陽(yáng)站正常運(yùn)行時(shí)關(guān)閉大型充油設(shè)備消防主管網(wǎng)閥門，發(fā)生火災(zāi)時(shí)手動(dòng)打開消防主管網(wǎng)閥門的做法已不能滿足該項(xiàng)要求。大型充油設(shè)備自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的可靠性亟需提高，因此提高1 000 kV 線路無電壓?jiǎn)?dòng)高抗自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的功能可靠性是解決該問題的關(guān)鍵所在，提高1 000 kV 線路CVT 二次電壓中間繼電器的可靠性工作更是至關(guān)重要。

（3）為避免帶電合接地刀閘，如圖1 所示4YJ-6YJ 和7YJ-9YJ 中間繼電器常閉輔助觸點(diǎn)分別用于閉鎖1 000 kV 線路高抗接地刀閘和1 000 kV線路HGIS 接地刀閘，某些特高壓變電站1 000 kV 線路安裝有串聯(lián)補(bǔ)償電容器（串補(bǔ)）裝置，1 000 kV 線路CVT 二次中間電壓繼電器還用于閉鎖串補(bǔ)裝置接地刀閘。當(dāng)1 000 kV 線路有電壓時(shí)，閉鎖該接地刀閘的操作。 為提高閉鎖功能的可靠性，3 個(gè)常閉輔助觸點(diǎn)串聯(lián)，但帶來的問題是：任一繼電器或其觸點(diǎn)故障不能可靠返回，均會(huì)造成1 000 kV 接地刀閘控制回路聯(lián)鎖回路斷開，接地刀閘無法操作，嚴(yán)重影響1 000 kV 變電站停送電操作效率。目前的解決方法是，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)某1 000 kV 接地刀閘無法操作，若確認(rèn)為1 000 kV 線路CVT 二次中間繼電器或其觸點(diǎn)未可靠閉合所致，則及時(shí)短接該故障的觸點(diǎn)，盡快將該刀閘操作完成。因此，1 000 kV 線路CVT 二次中間繼電器或其觸點(diǎn)故障是制約1 000 kV 變電站停送電操作效率的關(guān)鍵因素之一[9-10]。

1.3 其他問題

如圖1 所示，目前1 000 kV 線路電壓檢測(cè)原理及其方案不僅在啟動(dòng)高抗冷卻器功能、高抗自動(dòng)噴水滅火功能和閉鎖1 000 kV 接地刀閘操作功能上存在明顯的問題，還存在以下現(xiàn)場(chǎng)問題：

（1）CVT 二次負(fù)載過大。一般CVT 二次僅配置2 個(gè)保護(hù)用繞組，如圖1 所示1 000 kV 線路配置線路電壓檢測(cè)中間繼電器3 組（1YJ-3YJ，4YJ-6YJ，7YJ-9YJ），這樣需要其中一個(gè)保護(hù)用繞組（例如保護(hù)1 電壓）接入2 組電壓檢測(cè)中間繼電器，增大了保護(hù)1 電壓繞組的二次負(fù)載。典型設(shè)計(jì)下1 000 kV 線路CVT 二次保護(hù)繞組所帶負(fù)載還有線路保護(hù)裝置、過壓遠(yuǎn)傳裝置、高抗保護(hù)、斷路器保護(hù)、失步解列裝置（1～2 套）、穩(wěn)控裝置（2～4套）、錄波器等，總計(jì)8～12 套，所帶負(fù)載已經(jīng)較多，再考慮到1 000 kV CVT 端子箱內(nèi)的2 組電磁型電壓中間繼電器，如此多的負(fù)載對(duì)于CVT 二次繞組的運(yùn)行是極為不利的，可能會(huì)造成電壓互感器二次誤差增大[11-12]、電磁單元過熱等問題[2-3]。

（2）斷路器匯控柜安全隱患。3/2 主接線方式下，HGIS 匯控柜按照斷路器配置，每面屏柜主要包含本間隔二次線及其元件，典型設(shè)計(jì)下一般不含有出線電壓二次線。如圖1 所示原理，由于所配置中間繼電器數(shù)量較多（達(dá)9 個(gè)）且1 000 kV線路CVT 端子箱內(nèi)空間一般偏小，只能將7YJ-9YJ 繼電器布置于該線路邊斷路器匯控柜內(nèi)，需要將二次保護(hù)1 電壓線引至邊斷路器匯控柜內(nèi)，該匯控柜內(nèi)存在非典型二次回路，帶來新的危險(xiǎn)點(diǎn)，易發(fā)生因運(yùn)維檢修工作的疏忽而造成該回路的接地、短路等故障，造成保護(hù)裝置用電壓丟失。

2 改進(jìn)方案

2.1 固態(tài)繼電器

工頻勵(lì)磁電壓下帶來電磁型繼電器鐵芯、繞組振動(dòng)，是導(dǎo)致簧片、觸點(diǎn)損壞的主要原因。固態(tài)繼電器利用晶閘管的導(dǎo)通、截止原理實(shí)現(xiàn)繼電器的動(dòng)作和返回，不存在工頻勵(lì)磁電壓下的振動(dòng)現(xiàn)象，而且固態(tài)繼電器的動(dòng)作性能、各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于電磁式繼電器。因此，建議將當(dāng)前方案中采用的電磁式繼電器全部更換為固態(tài)繼電器，將顯著提高繼電器的可靠性。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是便于現(xiàn)場(chǎng)改造，不改變電壓繼電器的安裝位置，所接二次回路及其線纜基本維持原有不變；缺點(diǎn)是相對(duì)于電磁型繼電器，固態(tài)繼電器需要獨(dú)立電源供電，需要CVT 端子箱內(nèi)為其配置較為可靠的交流或直流電源及其二次線纜，方案稍顯復(fù)雜。

2.2 繼電器安裝于保護(hù)室屏柜內(nèi)

1 000 kV 特高壓變電站場(chǎng)區(qū)復(fù)雜的電磁環(huán)境是造成1 000 kV 線路CVT 端子箱內(nèi)電壓繼電器損壞的重要因素。1 000 kV 繼電保護(hù)小室內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)接屏為全站1 000 kV 電壓二次回路的匯集點(diǎn)，空間也寬敞，完全滿足線路電壓檢測(cè)用電壓中間繼電器的安裝要求，而且繼電保護(hù)小室內(nèi)電磁環(huán)境遠(yuǎn)優(yōu)于室外1 000 kV 場(chǎng)區(qū)，因此可以將1 000 kV 線路CVT 二次電壓中間繼電器的安裝地點(diǎn)由室外CVT 端子箱、斷路器匯控柜改為1 000 kV 繼電保護(hù)小室內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)接屏，這樣也將顯著提高電壓中間繼電器的可靠性。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是合理利用了目前變電站空間較為寬裕的電壓轉(zhuǎn)接屏，有效避開了復(fù)雜的室外電磁環(huán)境；缺點(diǎn)是改變了繼電器安裝位置，相關(guān)二次線纜改動(dòng)工作量較大。

2.3 測(cè)控裝置輸出電壓檢測(cè)接點(diǎn)

1 000 kV 線路CVT 二次測(cè)量繞組電壓由間隔測(cè)控裝置采集后送至變電站綜合自動(dòng)化后臺(tái)，測(cè)控裝置也具備檢測(cè)該CVT 二次“有壓”和“無壓”的邏輯與功能，僅需驅(qū)動(dòng)出口繼電器輸出無源觸點(diǎn)即可。線路CVT 二次三相中任一相有電壓即認(rèn)為該線路“有壓”，驅(qū)動(dòng)出口繼電器動(dòng)作；否則，判斷該線路“無壓”，出口繼電器返回。出口繼電器輸出常開觸點(diǎn)即為“有壓”觸點(diǎn)；輸出常閉觸點(diǎn)即為“無壓”觸點(diǎn)。邏輯原理如圖4 所示。

圖4 測(cè)控裝置電壓檢測(cè)邏輯

圖4 中，“有壓”門檻定值可設(shè)定為額定電壓Un的30%，Un=57.7 V。理論上，驅(qū)動(dòng)的出口繼電器數(shù)量可以無限擴(kuò)展，考慮到變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，該出口繼電器設(shè)置3～4 個(gè)即可。類似于圖1所示原理，“有壓”觸點(diǎn)用于高抗冷卻器自動(dòng)投入回路，“無壓”觸點(diǎn)用于啟動(dòng)高抗自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和閉鎖與線路連接的各接地刀閘操作。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)元器件和二次線，充分利用了測(cè)控裝置的原有功能，實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單可靠[13-14]。缺點(diǎn)是方案原理變動(dòng)較大，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維檢修人員改造實(shí)施難度大。建議新建特高壓變電站1 000 kV 線路電壓檢測(cè)采用此方案。原有特高壓變電站1 000 kV 線路電壓檢測(cè)可采用2.1或2.2 中所述方案進(jìn)行改造，也可以綜合采用2.1和2.2 中所述方案，即1 000 kV 線路CVT二次采用固態(tài)電壓繼電器同時(shí)將其安裝于室內(nèi)電壓轉(zhuǎn)接屏實(shí)現(xiàn)線路電壓檢測(cè)的方案。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)前特高壓變電站1 000 kV 線路電壓檢測(cè)方案在啟動(dòng)1 000 kV 高抗冷卻器、1 000 kV高抗自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和閉鎖1 000 kV 接地刀閘操作功能上存在顯著問題。

（2）現(xiàn)場(chǎng)采用電磁型中間電壓繼電器，特高壓變電站現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境較為復(fù)雜、特高壓線路間隔電壓檢測(cè)系統(tǒng)較復(fù)雜是造成當(dāng)前1 000 kV 線路電壓檢測(cè)方案存在問題的主要因素。

（3）將線路電壓檢測(cè)用的電磁型中間電壓繼電器更換為固態(tài)繼電器，同時(shí)將其安裝位置改至繼電保護(hù)室內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)接屏，是解決已投運(yùn)特高壓變電站該問題的可行方案。建議今后新建特高壓線路電壓檢測(cè)采用測(cè)控裝置功能實(shí)現(xiàn)的方案。