寻找变电站开关无故障跳闸导致停电原因的检测方法

摘要

本发明提供了一种寻找变电站开关无故障跳闸导致停电原因的检测方法，当变电站开关跳闸后，在确认保护装置无动作信号、监控装置无跳闸信号、设备绝缘良好的条件下，如果检测的跳闸出口继电器输出接点闭合的时间是在3～7ms、跳闸出口继电器起动回路的杂散电容数值在电容动作区的数值范围、跳闸出口继电器的动作功率低于3W，并且这三种因素同时存在，就能够确定导致变电站开关误动跳闸的原因是杂散电容为干扰信号提供了通道，使干扰信号跨过了接点直接起动了跳闸出口继电器。本发明能够有效的判定是由干扰信号造成开关误跳导致设备停电，以便能够采取行之有效的相应措施，防止故障的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及一种寻找变电站开关无故障跳闸导致大面积停电原因的检测方法，属于电力系统变电站控制技术领域。

背景技术

近几年来随着控制设备、继电保护集成化程度的提高，电力系统变电站开关无故障跳闸、机组无故障停机、设备无故障停电的故障有加剧的趋势。有不少发电厂、变电站已经出现过若干次在设备一次系统无故障、保护未动作、监控没有操作的情况下开关跳闸的问题。

例如，发电机开关的跳闸，影响了机组的正常发电。山东省潍坊发电厂#1机组，在2004年之前的两年内曾经跳闸5次；山东省聊城热电厂#4机组，在2004年内曾经跳闸5次；2005年上半年山东省淄博热电公司220kV南付线211开关及桥联200开关跳闸，引起#3、4机组停机等。

再如，500kV聊城站的3次多台开关误跳导致全站停电事故，对电网构成严重威胁。2004年6月26日，聊城站#1主变500kV侧5011、5012开关；220kV堂聊II线214开关；220kV分段21F开关跳闸，故障后变电站负荷降为零。2004年6月28日，聊城站再次发生同样的事故。这两次事故发生时#2主变尚未投入运行。2004年10月30日发生了比前两次跳闸面积更大的故障，跳闸开关如下：#1主变500kV侧5011开关(5012开关在分)；#2主变500kV侧5032、5033开关；220kV母线分段21F、22F开关，故障录波器没能录下任何有价值的跳闸信息。聊城站三次开关大面积跳闸时，系统均正常运行，而且变电站内无任何操作，保护装置无动作信号，监控装置无跳闸信号。

开关误动跳闸的问题由来已久，之前的资料中虽有相关报道，但其故障的类型、解决与分析的问题思路相差甚远。上述实例所讲的运行变电站内出现的系统在设备无故障、保护未动作、监控没有操作的情况下开关跳闸的问题长期以来一直没有找到故障的原因。

发明内容

本发明针对运行变电站内出现的系统无任何操作、保护装置无动作信号、监控装置无跳闸信号而发生的开关误动跳闸导致变电站大面积停电的问题，提供一种能够检测和确认这种跳闸原因的寻找变电站开关无故障跳闸导致停电原因的检测方法。

本发明的寻找变电站开关无故障跳闸导致停电原因的检测方法：变电站开关跳闸后，在确认保护装置无动作信号、监控装置无跳闸信号、设备绝缘良好的条件下：

(1)检测变电站跳闸出口继电器输出接点闭合的时间是否在3～7ms以内；

(2)检测变电站跳闸出口继电器起动回路的杂散电容数值是否处于电容动作区的数值范围内，电容动作区是在220V交流电压作用下，使跳闸出口继电器动作的杂散电容数值范围；

(3)检测跳闸出口继电器的动作功率是否低于3W；

如果检测的跳闸出口继电器输出接点闭合的时间是在3～7ms、跳闸出口继电器起动回路的杂散电容数值在电容动作区的数值范围内、跳闸出口继电器的动作功率低于3W，并且这三种因素同时存在，就能够确定导致变电站开关误动跳闸的原因是杂散电容为干扰信号提供了通道，使干扰信号跨过了接点直接起动了跳闸出口继电器。

本发明通过检测变电站跳闸出口继电器输出接点闭合的时间、跳闸继电器起动回路的杂散电容以及跳闸继电器动作功率的指标来确定导致变电站开关误动跳闸的原因，是杂散电容为干扰信号提供了通道，使干扰信号跨过了接点直接起动了跳闸出口继电器。如此，能够有效的判定是由干扰信号造成开关误跳导致设备停电，以便能够采取行之有效的相应措施，防止故障的发生。

附图说明

图1是500kV山东聊城变电站的运行系统图。

图2是变电站的开关控制回路图。

图3是山东聊城变电站的跳闸回路联接图。

图4是交流作用下的动作时间T。

图5是动作电容值分析示意图。

图6是分压系数曲线与电容动作区示意图。

具体实施方式

实施例(以500kV山东聊城变电站为例)

500kV聊城站的运行系统结构如图1所示，2004年6月26日5011、5012、214、21F开关跳闸，变电站全站停电，故障前5032、5033、5042、5051、5052在分位，22F尚未安装；同年6月28日发生了同样的事故，当时没有找到故障原因，为了捕捉跳闸信息，断开并隔离了5012开关，将起动其出口继电器的所有保护、监控等接点接入专用故障录波器。同年10月30日，5012、5051、5052在分位，5011、5032、5033、21F、22F开关跳闸，全站再次停电，依然没有起动开关跳闸的信号发出，201、202开关，在三次大面积跳闸时均只发信号而未跳闸。

1、监控聊城站的运行系统事故记录

三次的跳闸的SOE(变电站监控系统)的事故记录基本一致，6月26日的记录如下

12:50:55：061      I母线500kV  接地刀51-17 合闸

12:50:55：061      II母线500kV 接地刀52-17 合闸

12:50:55：074      5011第二组出口跳闸

12:50:55：075      5012第二组出口跳闸

12:50:55：076      5012第一组出口跳闸

12:50:55：076      5011第一组出口跳闸

12:50:55：079      214堂聊II线出口跳闸

12:50:55：093      21F分段开关出口跳闸

12:51:04：000      直流系统瞬间接地信号发出

12:51:10：000      直流绝缘异常信号发出

12:53:21：208      35kV #2母线PT隔离开关分闸

12:53:48：600      35KV#2所用电本体轻瓦斯发生

三次跳闸事故的特点：跳闸的开关与变压器相连接；开关的跳闸时间间隔都在毫秒级以内；三次跳闸均伴有直流绝缘异常、直流系统瞬间接地信号发出；跳闸前后都有所变轻瓦斯动作信号、PT隔离开关分闸信号等异常的信号发出；未见保护、监控起动跳闸信号发出。

2、开关操作箱RCS-921的记录结果

RCS-921记录的开入量见图2，所记录的最有代表性的是10月30日的开关跳闸，结果如下：

保护三相跳闸开入量第1次动作0---1    54ms

                  第1次返回1---0    59ms

保护三相跳闸开入量第2次动作0---1    74ms

                  第2次返回1---0    75ms

保护三相跳闸开入量第3次动作0---1    94ms

                  第3次返回1---0    95ms

保护三相跳闸开入量第4次动作0---1    114ms

                  第4次返回1---0    115ms

保护三相跳闸开入量第5次动作0---1    134ms

                  第5次返回1---0    135ms

可以看出，保护三相跳闸开入量每次动作的时间间隔为20ms。

3、故障的查找过程

每次事故前系统均正常，站内无操作。事故后分别对跳闸开关的保护、监控等能够起动跳闸的设备及回路进行了全面检查，其静态特性均正常，绝缘情况良好，没有找到故障的原因，又进行了如下试验。

(1)操作箱跳闸出口继电器动作参数的测试

根据图2给出的开关控制回路，操作箱跳闸出口继电器动作参数的动作电压、电流、功率、时间见表1。

表1，出口继电器的动作参数

  开关名称  电压  电流  功率  时间  5011、5012、5032、5033  120V  6.0mA  0.72W  4ms  201、202  144V  13.0mA  1.87W  6ms  21F、22F  125V  3.1mA  0.39W  10ms  214  125V  5.1mA  0.64W  5ms

(2)5011开关直流控制系统注入交流试验

5011开关控制回路的结构见图2。在开关操作箱控制回路对地加交流电压使继电器动作、跳闸线圈灯亮，数据如下：第I路101，156V；第I路102，140V；第II路201，140V；第II路202，137V。

(3)控制回路杂散电容参数的测试

杂散电容的关键指标是图2中的C1、C2。

5011、5012、5032、5033开关114nF。

500kV其他开关：30nF。

21F、22F开关：90nF。

201、202开关：50nF。

214开关：长电缆拆除前80nF，拆除后5nF。

220kV其他开关：5nF。

测试的数据表明：主变三侧开关5011、5012、5032、5033、201、202，分段开关21F、22F的电容都在50nF以上，根据变电站的跳闸回路联接图(见图3)可知，这些开关操作箱的跳闸出口继电器分别联接了数量不同、长度不等的其它保护室来的长电缆；电容在30nF及其以下的继电器均为短电缆联接。

(4)电容比与交流混入直流后电路电压比的测算

电容大的回路，在交流注入时中间继电器的分压也大，二者比例基本一致。5011开关的试验数据：

101-R133 电容  C₁＝88nF，201-R233  电容 C₂＝117nF

电容比：$>n_c=\frac{C_1}{C_2}=\frac{88\mathrm{nF}}{117\mathrm{nF}}=0.75$>

R133-102  电压 U₁＝127V，R233-202  电压 U₂＝173V

电压比：$>n_v=\frac{U_1}{U_2}=\frac{127V}{173V}=0.73$>

电容数值大、交流注入时分电压高者抗干扰性能差。

4、开关跳闸的原因分析

根据故障的信息记录以及上述试验数据，对三次停电事故的原因作如下分析。

(1)造成开关误跳的原因是出口继电器误动作

根据10月30日的开关操作箱保护RCS-921的记录结果可知，保护三相跳闸开入量连续记录了RTJ若干次宽度为5ms左右的脉冲。再结合三次故障SOE的记录可以断定，开关的跳闸是出口继电器动作造成的。

(2)出口继电器误动作的起动量是工频交流电压

A.每次跳闸开入量动作的时间间隔为20ms

三次跳闸时，RCS-921保护装置起动报告中的“保护三跳开入”记录表明：保护三次跳闸开入量每次动作的时间间隔为20ms，而且继电器每个周期内动作、返回一次。由于继电器并联了二极管，见图2，因此具备了20ms动作一次并返回的条件，即正半周动作，负半周不动作。20ms动作一次，是工频交流的周期行为。

B.每次跳闸时均有“直流系统瞬间接地”信号发出

交流系统属于接地系统，交流系统混入直流系统时，直流系统监视装置经过交流接地系统构成回路发出接地信号。即交流系统混入直流系统时必然发出“直流系统接地”信号。

C.杂散电容为继电器起动提供了通道

所有跳闸的开关其继电器起动回路的分布电容值都比较大，而分布电容只有对交流或暂态过程才产生作用。当交流量窜入直流回路时，若无杂散电容的影响，只会引起直流瞬间接地而无其它后果，但当分布电容较大时，将会在出口继电器上分压，电压达到继电器的动作条件而造成开关跳闸。三次事故中，凡是跳闸的开关都有较大的电容值。

只有交流混入了直流才能全面解释以上现象。交流混入直流只是干扰信号的一种形式。

(3)出口继电器动作的客观原因是电容大、动作功率低

开关5011、5012、5032、5033、21F、22F均具备这两个条件，三次大面积跳闸时全部动作；开关214、201、202例外，原因如下。

214开关：6月28日前存在一根长电缆约160米，在6月28日跳闸之后才拆除，拆除前电容80nF，前两次故障时214开关均动作了，拆除电容后只有5nF，第三次10月30日的故障没有跳闸。

201、202开关：出口继电器的动作功率高于其他，其信号继电器的动作功率小于0.5W，因此尽管是长电缆跨保护室之间联接，但在三次大面积跳闸时均只发信号而未跳闸。

(4)开关跳闸时其他信号出现的原因分析

变电站三次大面积掉闸时总伴随着诸如：35kV 2#母线PT隔离开关分闸、35KV#t2所用电本体轻瓦斯动作等信号，这些信号的起动原理如同跳闸开关出口跳闸继电器的起动原理一样，无需另作分析。

5、动作时间与动作电容的计算与划分

保护记录带有延时：在正常情况下，额定电压时出口继电器延时动作4ms，记录延时5ms，继电器延时返回2ms。结合上述分析，通过计算可以确定多高的交流电压、多大电容才达到既能起动开关跳闸，又能起动RCS-921保护记录的条件。

(1)交流半波动作时间的计算

动作电压为120V的继电器，在交流220V作用下，接点闭合时间以及三跳开入接点记录时间的计算。根据图4，设θ₂为继电器返回计时角，因为施加到继电器的电压$>u_j=\sqrt{2}{u}_N\sin \theta ,$>所以

继电器返回起动范围角Δθ＝180°-θ₂＝7.40°，对应的时间Δt＝0.47ms，根据交流作用下与直流作用下动作所需能量相等的原则进行动作时间的计算。直流作用下U＝220V，动作时间T₁＝4ms，能量$>Q_1=\frac{U^2}{R}{T}_1;$>交流作用下U_N＝220V，角频率ω＝314，能量

$>Q_2=\frac{1}{R}\underset{0}{\overset{T}{\int }}{\left(\sqrt{2}{U}_N\right)}^2{\sin }^2\mathrm{\omega tdt}=\frac{{{2U}_N}^2}{R}\underset{0}{\overset{T}{\int }}{\sin }^2\mathrm{\omega tdt}$>

令Q₁＝Q₂，得$>\underset{0}{\overset{T}{\int }}{\sin }^{2}314\mathrm{tdt}=2,$>动作时间T₂＝4ms。

接点闭合时间Δt′＝10-T₂-Δt+2＝7.53ms，开入接点记录时间Δt″＝Δt′-5＝2.53ms。

上述结果符合正半周动作，20ms动作一次，并返回的条件；满足交流220V电压作用下继电器延时动作4ms，延时5ms开始记录，记录2ms左右的条件。

(2)动作电容值的计算与划分

动作电容即220V交流电压作用下能够使继电器动作的电容值。动作电容值与电源电压u_s、回路电容C_i、继电器动作电压u_dz有关。根据控制回路图2所得的动作电容值计算电路见图5，图中，u_s为作用于负极的交流电源电压，分析如下。

A.分压系数β＝f(C)的计算

不同的开关有不同的电容、不同的继电器阻抗，两者影响分压系数；由图5可得继电器的阻抗z＝R+jx_L≈jx_L

其中继电器的直流电阻R＝9k//25k＝6.62k，继电器的电抗x_L＝10×R＝66.2k，起动继电器接点处的杂散电容C₁＝80μ与正极杂散电容C₁₊＝0.85n串联，而且C₁远大于C₁₊，所以综合电容$>C_z=\frac{C_1\times C_{1+}}{C_1+C_{1+}}\approx C_1,$>由于电容电抗$>x_C=\frac{1}{2\mathrm{\pi fC}},$>

所以，用感抗表达的分压系数$>\beta =\frac{x_L}{x_C+x_L},$>

将C₁＝10nF-100nF代入得到图6所示的β＝f(C)曲线。在继电器阻抗一定时根据不同的分压系数可以确定相应的电容动作值。

B.电源电压u_s一定时继电器不同的u_dz对应的动作电容的计算设电源电压$>u_s=\sqrt{2}\times 220\sin \mathrm{\omega t},$>u_dz＝120V算出分压电压值到达临界动作值时对应的电容。根据ωt＝α，可得当该式成立时对应的C值可根据用阻抗表达的分压系数等于用电压表达的分压系数的关系计算：

$>\beta =\frac{x_L}{x_C+x_L}=\frac{u_j}{u_s}$>u_j＝βu_s，

α₁＝54°时上述关系仍然成立，此时

$>u_s=\sqrt{2}\times 220\sin {\alpha }_1=251.71V$>

当u_j＝u_dz时，u_dz＝βu_s仍成立，

$>\beta =\frac{u_{\mathrm{dz}}}{u_s}=0.48.$>由$>\beta =\frac{x_L}{x_c+x_L}$>

可得$>C=\frac{\beta }{2\mathrm{\pi f}{x}_L(1-\beta )}=43.80\mathrm{nF},$>

同理当u_dz＝154V时，β＝0.61，可得C＝76.00nF。

C.电容动作区的定义与划分

在220V交流电压下，能够使继电器动作的范围命名为电容动作区。结合上述计算，对整个聊城变电站而言电容不动区：＜43nF；电容临界区：43.80nF-76.00nF；电容动作区：＞76.00nF。计算的结果与实测的结果基本一致。

确定了导致变电站开关误动跳闸的原因是杂散电容为干扰信号提供了通道，使干扰信号跨过了接点直接起动了跳闸出口继电器，可采取以下防范措施：

(1)降低控制回路的杂散电容

减少电缆芯数、缩短电缆的长度是降低杂散电容的有效方法，将双重化配置的A B保护柜的跳闸回路分开，即A柜跳I线圈，B柜跳II线圈。执行反事故措施后，最大电容的数值已经控制到了电源电压u_s为220V时的不动区、小于43.8nF的范围之内，如图6所示。

(2)提高继电器的动作功率

根据上表，继电器动作功率1.87W的开关没有发生误跳。因此将误跳开关出口继电器的动作指标在规程规定的范围内进行了调整，使动作功率提到3W。

(3)除去临时监视措施

为了捕捉起动跳闸继电器的动作信号，曾经设置了一些监视点，主要监视出口跳闸继电器的前一级接点信号。但分析表明，起动出口跳闸继电器的信号是干扰电压，而不是接点信号，二者原理不同，再保留监视点的意义不大，必须除去。

反事故措施的实施极大地提高了控制回路的抗干扰能力。在聊城站执行后，进行250V交流注入直流试验时开关不再跳闸，另外聊城变电站的类似的开关误跳问题未再出现。

因此，通过检测跳闸出口继电器输出接点闭合的时间、检测跳闸继电器起动回路的杂散电容、跳闸继电器动作功率的指标来确定开关的抗干扰能力的方法的有效性得到证实。