超（特）高压交流断路器三相不一致保护分析及改进研究

逯 遥，李 伟，赵桂鑫

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

扎鲁特—青州±800 kV特高压直流工程（以下简称鲁固直流）中，广固换流站是国内首批实现交流侧电压分层接入500 kV、1 000 kV电网的特高压换流站之一。该站500 kV GIS场和小组滤波器场以及1 000 kV GIS场和小组滤波器场均采用分相操作。一旦发生断路器三相不一致故障，将严重影响鲁固直流工程的安全稳定运行。为避免出现断路器三相不一致运行事故，广固换流站交流断路器本体全部配置了三相不一致保护［1-2］。

断路器本体三相不一致保护由断路器三相常开和常闭触点以及时间继电器、出口继电器等二次回路组成，保护的可靠性完全由二次回路特性决定［3-4］。但由于制造厂家尚存在对断路器本体三相不一致保护原理与危险点认识不清的问题，造成三相不一致二次回路设计存在缺陷［5-8］，可能导致断路器三相不一致误动或拒动事故，严重威胁电网系统的安全稳定运行。

对广固换流站（超）特高压交流断路器本体三相不一致保护回路进行全面排查，深入分析三相不一致保护回路存在的共性问题，结合国家电网有限公司反措要求，提出本体三相不一致回路优化改造方案，并在实际应用中得到验证。

1 三相不一致保护基本原理

断路器三相不一致保护分为本体三相不一致保护和微机三相不一致保护，两者实现原理存在较大差异，前者通过继电器二次回路实现，后者通过微机逻辑判别实现。

1.1 本体三相不一致保护

断路器本体三相不一致保护原理如图1所示。断路器本体三相不一致保护分为功能回路和出口回路2部分［9］：首先经功能回路启动三相不一致保护，后经出口回路跳闸出口。功能回路的原理为：由三相分闸位置接点（常闭）并联、三相合闸位置接点（常开）并联，两部分串联后经三相不一致功能压板启动三相不一致时间继电器。出口回路的原理为：时间继电器经固定延时后启动三相不一致保护出口继电器；出口回路按照“正电源经判据”原则，正电源经“断路器常闭接点、出口压板及三相不一致出口继电器动作接点”实现本体三相不一致动作跳闸。出口继电器动作后，出口继电器接点闭合，从而接通断路器三相跳闸回路。

断路器正常运行时，三相不一致功能、出口压板均投入，常闭接点（R26、R28）处于断开状态，常开接点（R25、R27）处于闭合状态，功能回路和出口回路均处于断开状态，三相不一致保护不启动。以断路器A相跳闸，其他两相因机构故障无法跳闸为例，此时一组常闭接点（如A相）变为闭合状态，将与未跳闸两相（B、C相）的常开接点（仍处于闭合状态）构成通路，从而启动时间继电器47T1，经过整定延时（Δt）启动出口继电器47TX1，出口继电器三组接点（3-4，6-7，10-11）闭合，断路器三相不一致出口跳闸回路接通：正电源—A相常闭接点—出口压板—出口继电器3组接点 （3-4，6-7，10-11）—断路器三相跳闸回路—负电源，从而将三相断路器跳开，避免断路器长时间运行于非全相状态。

1.2 微机三相不一致保护

微机三相不一致保护配置原理如图2所示。与断路器本体三相不一致保护相比，其判别断路器跳闸位置时增加了电流判据［10］，即任一相TWJ（跳位继电器）动作，且该相无电流时，则判断该相断路器在跳闸位置。

图1 断路器本体三相不一致保护原理

当不一致保护功能投入时，若任一相（或两相）在跳闸位置且三相不全在跳闸位置时，则判别断路器处于三相不一致状态。例如A相跳闸（TWJ=1）且无电流，B、C相处于合闸位置，此时“与门逻辑器件”输出“1”，判别结果可选择经零序电流或负序电流开放（由控制字设定投退），经可整定的动作时间后满足不一致动作条件时，三相不一致出口跳开断路器三相。

为减少电缆迂回带来的直流接地、对微机保护引入干扰和二次回路断线等不可靠因素，根据现行规定［2］，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；如断路器本身无三相不一致保护，则应为该断路器配置三相不一致保护。

图2 微机三相不一致保护原理

2 主要问题分析

对广固换流站所用不同超（特）高压交流断路器本体三相不一致回路进行了排查，发现存在出口回路设计不合理、继电器参数不符合要求2类问题。

图3 1 000 kV GIS断路器三相不一致保护回路

2.1 出口继电器两侧带电存在误动风险

1）1 000 kV GIS 断路器。

3）做好低硫燃油供应资金的使用安排。相对高硫油，低硫油价格更加昂贵，会带来整个航运业经营成本大幅上升。IHS Markit咨询公司认为，低硫油和高硫油如果按照以往200美元/吨的价差测算，全球航运业燃油成本将增加500亿～600亿美元。低硫油的使用将给船东带来额外资金负担，航运公司必须提前安排，做好资金保障，避免出现资金紧张问题。

1 000 kV GIS断路器三相不一致保护回路如图3所示。三相不一致出口回路为：正电源经断路器常开接点、出口压板及出口继电器动作接点—断路器三相跳闸回路—负电源。正常运行时，断路器常开接点（27，28）闭合，正电源经出口压板至出口继电器接点（3，6，10），此时出口继电器接点（4，7，11）带负电，极易因继电器误动作导致跳闸出口。

2）1 000 kV交流滤波器场小组断路器。

1 000 kV交流滤波器场小组断路器由两台双断口断路器串联组成，当任一台断路器三相不一致动作时，同时跳开两台断路器。断路器三相不一致保护回路如图4所示。

该断路器三相不一致保护功能回路和出口回路均存在严重缺陷。功能回路为：正电源经时间继电器+K15动作接点（3—4）—出口继电器+Q13—LP32功能压板—负电源。时间继电器+K15接点4带正电，而接点3带负电，两侧同时带电易发生误动，导致出口继电器+Q13励磁误动作。

出口回路为：正电源—出口继电器+Q13动作接点 （1—2，3—4，5—6）—+K10.1 闭 锁 接 点 （12—11，22—21，32—31）—断路器 1跳闸线圈—断路器2跳闸线圈—负电源。其中出口继电器+Q13动作接点（1，3，5）带正电，出口继电器+Q13 动作接点（2，4，6）带负电，易发生误动出口事故。

图4 1 000 kV交流滤波器场小组断路器三相不一致回路

3）500 kV交流滤波器场小组断路器。

该断路器的三相不一致出口回路为：正电源—XB7出口压板—三相不一致出口继电器KL2接点（4，7，10）—出口继电器 KL2 接点（5，8，11）经断路器跳闸回路至负电源。因此，出口继电器KL2接点两侧同时带电，存在继电器误动（或绝缘降低、接点锈蚀、粘连等）而直接引起断路器跳闸的风险。

4）500 kV GIS 断路器。

经检查500 kV GIS断路器三相不一致回路不存在缺陷，符合要求。

2.2 继电器参数不符合要求

对上述断路器三相不一致回路涉及的继电器参数进行校核分析，结果如表1所示。《国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施》规定：所有涉及直接跳闸的重要回路应采用动作电压在额定直流电源电压的55%～70%范围以内的中间继电器，并要求其动作功率不低于5 W。该规定主要为防止电磁干扰或二次回路接地等造成动作继电器误动出口引起造成断路器跳闸。分析结果表明，1 000 kV交流滤波器场小组断路器的三相不一致保护动作继电器动作功率小于5 W，不满足要求；时间继电器动作电压过低，为了提高其抗干扰性，应同时更换动作电压在额定直流电源电压的55%～70%范围以内的时间继电器。

表1 出口继电器和时间继电器参数分析

图5 500 kV交流滤波器场小组断路器三相不一致回路

3 优化改进方案

3.1 二次回路优化

1 000 kV GIS断路器。将三相不一致回路中的断路器常开、常闭节点位置对调，三相不一致出口回路改为：正电源经断路器常闭接点—出口压板—出口继电器动作接点—断路器三相跳闸回路—负电源。正常运行时，断路器常闭接点断开，出口继电器接点（3，6，10）不带电。

1 000 kV交流滤波器场小组断路器。改进方案包括功能回路和出口回路两部分，如图4所示。功能回路：时间继电器动作接点（4）由直接连接正电源，改接至两个机构箱共6个并联的断路器常开辅助接点之后，确保正常运行条件下时间继电器动作接点（4）不带电；出口回路：出口继电器+Q13 接点（1，3，5）由直接连接正电源，改为经出口压板LP34接至机构箱共6个并联的断路器常闭辅助接点之后，确保正常运行时出口继电器+Q13接点（1，3，5）不带电。

500 kV交流滤波器场小组断路器。在正电源与三相不一致出口压板间中串入断路器常闭接点，即断开出口压板XB7上端接点（1）与正电源之间的连接，将出口压板XB7上端接点（1）与断路器常闭接点端子（169）跳接。确保断路器正常运行时出口继电器 KL2 接点（4，7，10）不带电，如图 5 所示。

3.2 更换出口继电器和时间继电器

针对1 000 kV交流滤波器场小组断路器，应将其三相不一致保护动作继电器更换为动作功率不低于5 W的中间继电器。目前关于时间继电器的动作电压尚无明确规定，但从提高抗干扰性角度，应更换为动作电压在额定直流电源电压的55%～70%范围以内的时间继电器。

4 结语

对±800 kV鲁固直流工程广固换流站的500 kV GIS场和小组滤波器场、1 000 kV GIS场和小组滤波器场共4种断路器三相不一致回路的排查结果进行了深入分析，总结了二次回路存在的典型问题，并提出针对性的改进方案，为今后产品设计和运行管理提供了宝贵经验。

断路器本体三相不一致必须由三相分闸位置接点（常闭）并联、三相合闸位置接点（常开）并联，两部分串联后启动三相不一致时间继电器。

出口压板和出口继电器接点必须接于断路器常闭接点之后，一是防止出口继电器接点两侧同时带电，避免单继电器误动造成断路器误跳；二是重合闸成功后，断路器常闭接点断开，出口回路失电，防止重合成功后断路器误跳。

出口继电器动作电压必须介于55%～70%之间，以防止单端接地误动和电压不足拒动；动作功率应不低于5 W，以防止误动；动作时间应不小于10 ms，以防止抖动和误动。