一起中间继电器动作跳闸事件分析

一起中间继电器动作跳闸事件分析

林日宏

（长园深瑞继保自动化有限公司，广东深圳， 518057 ）

摘要：针对某电厂一起220kV操作箱无故障跳闸事故的排查过程，介绍了事故概况，经事故分析与现场检查，发现该跳闸事故的原因为跳闸中间继电器动作电压门槛过低导致跳闸。最后，提出提高电压门槛减少直流屏接地电容影响的措施。

关键词：中间继电器 接地电容 跳闸事故 动作门槛

0引言

近年来,随着微机保护及集成型断路器操作箱的广泛应用,变电站保护和控制设备的小型化、智能化及自动化水平大大提高,由于某些二次设备制造厂家早期产品在设计设备的小型化同时,对跳闸中间继电器安全动作电压门槛重视不够，而继电器的动作电压门槛一般比较离散。当这些中间继电器受分布电容或直流系统接地电容影响时,容易引起中间继电器误动作跳闸,造成电网事故。本文作者从协助电厂朋友分析的一起事故过程，分析直流系统接地电容对跳闸中间继电器的影响。

1事故简述

2021年某天，某电厂#2主变变高2202开关B相跳开，2202开关操作箱发保护跳闸动作信号。约2S后机构三相不一致保护动作跳开A、C两相开关。

事故跳闸期间，#2主变保护、#2主变非电量保护、#2主变失灵保护、220kV母线保护均未动作。

2事故原因分析

本次事故跳闸过程，B相开关跳开后，由操作机构三相不一致保护跳开A、C相开关，操作机构动作行为明确无疑问。本次跳闸事故主要的疑问是B相开关为何会跳开。

排查该电厂与#2主变变高2202开关有跳闸关联的保护记录，包括#2主变保护、#2主变非电量保护、#2主变失灵保护、220kV母线保护等装置的记录。所有保护装置均未发生保护动作出口事件。而B相开关跳闸且2202开关操作箱的第二组出口跳闸信号接点发信，因此，分析B相跳闸控制信号由操作箱输出。

2.1 B相跳闸信号分析

图1为该站操作箱的跳闸回路原理示意图。B相跳闸信号除了可由B相跳闸输入端（n21端子）直接驱动外，还可由TJR三跳中间重动继电器驱动。

图1 跳闸回路原理图

对于主变间隔，B相跳闸输入端（n21）为悬空状态，该端子屏内未接线。使用绝缘测试仪对该端子进行绝缘测试，端子的绝缘性能良好，因此排除该端子误开入或绝缘降低导致B相跳闸。于是，排查思路集中于TJR重动继电器开入端。

2.2TJR跳闸相关回路排查

图2 TJR跳闸回路接线图

依据蓝图，梳理与TJR开入端子存在电气连接的屏柜主要包括以下几面保护屏，如图2。

1）#2主变保护屏A。屏内包括3台装置：#2主变A套保护，非全相保护以及本次跳闸的2202操作箱。

2）#2主变保护屏B。屏内包括2台装置：#2主变B套保护，非电量保护。

3）220kV母线保护屏A。

4）220kV母线保护屏B。

5）220kV失灵保护II。

理论上，当上述与TJR跳闸开入端（图中4D1-69）有直接电气连接的端子出现异常电平（与直流系统形成回路）时，均可能对TJR回路产生影响。

梳理#2主变保护屏A的压板分布情况发现，该屏柜与操作箱第二组TJR跳闸开入端有关联的压板包括“跳2202出口2”压板及“非全相跳高压侧2”压板。其中“非全相跳高压侧2”压板与其正下方的“旁路CT切换”压板紧挨排布。与现场运行人员了解到，B相跳闸时，运行人员正在操作“旁路CT切换”压板，操作过程疑似误触“非全相跳高压侧2”压板。因此，初步分析本次跳闸与此有关，即TJR跳闸开入端误触接地。

3跳闸中间继电器接地分析

3.1等效电路分析

主变保护A套装置与操作箱同屏安装，主变保护跳闸出口经上述的“非全相跳高压侧2”出口压板至TJR开入端部分的接线均在屏内，电缆线短，其产生的分布电容也就很小，几乎可忽略。

笔者通过对站内直流系统进一步了解发现，该站直流屏正母对地间存在一个容量为100uF的超大接地电容。图3为直流屏系统原理图。

图3 直流系统原理图

因此，结合直流系统接线图可得，TJR跳闸回路等效电路如图4。其中：TJ为同屏主变保护装置跳闸出口。S1为用于模拟TJR跳闸输入端接地的控制开关。

图4 操作箱跳闸中间继电器开入等效电路

此次事故期间，保护装置未发保护跳闸出口，则认为图4中的TJ接点未闭合，假设操作箱的TJR回路的等效电阻为R_x,则图4可进一步简化，如图5。

图5 操作箱跳闸中间继电器简化电路图

（一）TJR接地前状态

直流屏的接地电阻R₁=R₂，则电容两端的电压为：

（1）

（二）TJR接地后状态

TJR开入端接地瞬间，操作箱TJR回路R_x两端的电压为：

（2）

TJR开入端接地后，遂对接地电容C1进行充电。依据一阶线性电路暂态方程得R_x两端的电压为：

（3）

_{其中：,,。}

由式（2）、（3）可知。TJR开入接地瞬间，TJR跳闸继电器回路承受电压为

。接地后，继电器回路两端的电压V_x逐渐衰减，其衰减的速度与接地电容C1的容量有关。C1越大，V_x衰减得越慢；反之亦然。因此，TJR跳闸继电器动作与否与其动作电压门槛V_dz有关，当V_x连续大于V_dz的时长大于继电器的动作时间，跳闸中间继电器动作，当V_x小于或迅速衰减至继电器动作电压V_dz以下时，继电器不会动作。

3.2仿真分析

按现场操作箱的参数，对相关操作箱回路进行仿真测试。其中，操作箱TJR回路的等效电阻R_x约为4.2K,站内直流系统的电压为DC110V。

（一）采用现场直流系统参数仿真

1）依据现场直流系统进行仿真，如图6。

图6 现场直流系统仿真图

2）仿真结果输出如图7所示。

图7现场直流系统仿真结果

从仿真结果来看，TJR接地瞬间，TJR回路两端电压V_x约55V，为额定电压的50%。接地后，V_x衰减得很慢，接地10ms后，V_x仍高达53.6V。如TJR继电器的动作电压门槛小于53.6V时，继电器则会动作。

（二）取消直流系统100uF电容仿真

1）取消直流系统的100uF接地电容重新进行仿真测试，仿真回路如图8。

图8 取消直流系统100uF电容仿真图

2）仿真结果如图9所示。

图9 取消直流系统100uF电容仿真结果

TJR接地瞬间，TJR回路两端电压V_x由0突变至12V左右，电压仅为额定直流电压的10.9%。因V_x较小，不会导致继电器动作出口。

上述仿真结果与等效电路计算分析结论一致：现场的直流系统，如TJR开入端误接地，因直流屏正母与地间的100uF接地电容，会在TJR开入端与KM-间产生很大的电压，V_x初始电压幅值最大，约为额定电压的50%。接地电容容量越大，继电器两端的电压衰减得越慢。

相关设备停电后，对TJR重动继电器的动作门槛进一步测试发现，用于驱动A、B、C相跳闸的TJR继电器门槛分别为：63V、48V、63V。B相对应的中间继电器动作门槛较低，小于上述仿真结果的53.6V，故B相跳闸。与操作箱厂家了解到，该站操作箱为其公司早期供货产品，该产品未对跳闸中间继电器的动作电压进行限制，继电器动作电压门槛有一定概率低于额定电压的55%。综上，所有测试、分析、仿真结果均与本次事故的动作行为一致。

因此，本次跳闸事故定位为TJR跳闸开入端误接地导致B相开关跳闸。

4解决措施

从前面的分析可知，由于直流屏存在接地电容的原因，中间继电器开入端误接地时，因对电容的充放电最终造成误开入。因而，针对开入端误接地后继电器回路的电压特性提出相应的解决措施：

1）延时开入

由于误开入是由于电容充放电产生的，是一个暂态过程，电容充放电过程中，经过时间t后V_x下降到V_dz以下，误开入将收回，如果在操作箱中设置一定的延时，只有在开入信号的持续时间超过延时时间时才出口，当延迟时间大于误开入时间时，就可以避开干扰。然而，中间继电器增加动作延时，这对需快速跳闸的开关来说显然是不适用的。另一方面，市面直流屏厂家较多，其产品的接地电容容量大小也有较大的差异，延时开入没有统一的标准。因此，该方案不可行。

2）提高开入电压门槛

很明显，接地电容的大小仅影响到跳闸开入回路电压V_x的衰减速度，跳闸开入端接地瞬间初值为恒定不变，因此，提高跳闸开入门槛V_dz大于开入回路接地瞬间初值，即可靠避免本次跳闸事故的问题。该措施与2018年11月国调中心下发的《国家电网公司十八项电网重大反事故措施(修订版)的通知》15.6.7条中规定的“外部开入直接启动，不经闭锁便可直接跳闸（如变压器和电抗器的非电量保护、不经就地判别的远方跳闸等），或虽经有限闭锁条件限制，但一旦跳闸影响较大（如失灵启动等）的重要回路，应在启动开入端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”要求是一致的。此次跳闸事故，恰恰也说明“国网十八项反措”中关于“中间继电器的动作电压为额定电压的55%～70%”反措的必要性。

5结语

变电站直流系统品种较多，接地电容参数规格不一，而早期部分厂家对操作箱跳闸中间继电器的动作门槛重视度不够，继电器动作门槛较为分散，当继电器的动作门槛较低时，容易出现本次的事故。借助本次事故，分析直流系统接地电容对中间继电器的影响，希望能为行内继电保护运维检修工作提供经验。

参考文献

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