断路器本体三相不一致保护回路优化的研究

田传锋，宋仁栋，苏晟崴

（国网福建检修公司，福建 福州 350000）

220 kV及以上电压等级电网处于三相不一致运行状态时，系统中出现的负序、零序分量会对一次设备特别是非电阻性的电气设备非常大的影响，二次设备可能发生越级误动作，对系统安全及稳定性影响严重。同时，当相邻线处于热备用，运行线路发生非全相运行时，如果参数匹配，通过回间电容耦合，在热备用线路上可能会产生较高的谐振过电压[1]。因此，实际运行中合理设计并配置断路器三相不一致保护显得至关重要。目前，本体三相不一致保护仅用断路器的辅助触点作为启动判据，没有采用其他闭锁条件[2-4]。本文分析了本体三相不一致保护实现方式在实际运行中存在的问题及不足，并在此基础上提出了二次回路优化方案，对今后输变电企业进行三相不一致保护回路优化方面的工作有一定的借鉴作用。

1 计算分析

对于三相电力系统，正常运行时，已知系统中某线路A相负荷电流为Ila，当A相断开后，在断相处出现一组不对称的电压，即ΔUa≠0，ΔUb=ΔUc=0。线路断相后的状态可作为正常负荷状态与ΔUa作用下故障量的增加，应用对称分量法可以计算出断路器的各相电流[5-6]：

当Z2∑=Z1∑时，得断相后系统的零序电流为:式中，3I0为零序电流；Ia、Ib、Ic为断相后三相电流；Ila为断相前A相负荷电流；Z1∑、Z2∑、Z0∑分别为系统综合正序、负序及零序阻抗；Ia1、Ia2、Ia0分别为系统正序、负序及零序电流；α为单位向量算子，α=ej1200。

可以看出，线路在非全相运行时，系统中将产生零序电流，零序电流的大小随负荷的增大而增大。与此同时，该零序电流也被分流到其他全相运行的线路中（假设该线路2侧都有接地中性点）以及中性点的变压器支路中，如果这些零序、负序电流持续很长时间，就会导致重负荷线路的零序保护四段越级误动作。因此，需要增加三相不一致保护，避免线路在非全相运行状态造成线路保护误动或拒动。

2 现场三相不一致保护的工作原理及防范措施

断路器三相不一致保护的实现方式有：

1）断路器本体的三相不一致保护。

2）保护装置的三相不一致保护。

目前，福建220 kV及以上电压等级的电网普遍采用断路器本体三相不一致保护的实现方式，本文仅讨论断路器本体的三相不一致保护工作原理。

实际运行中，本体三相不一致采用双重化保护配置，220 kV及以上电压等级断路器本体的三相不一致保护原理如图1、图2（其中图2是远方手分、就地手分与不一致保护共用出口继电器的情况）所示。三相不一致保护动作原理为[7]：当出现三相不一致状态时，断开相断路器分闸位置辅助常闭触点QF1A与合闸位置辅助常闭触点SF1B或SF1C同时接通，时间继电器K7励磁，延时2.5 s（线路定值）启动三相不一致保护继电器Q7（该继电器的动作电压应大于55%额定电压，小于70%额定电压），经三相不一致保护继电器Q7接点接通三相跳闸线圈，以断开仍在运行的其他相断路器。在断路器本体三相不一致保护中，需要考虑到线路出现单相故障后，断路器单相跳开后等待单相重合闸的时间。所以，时间继电器K7延时2.5 s就是为了避开线路重合闸时限。

断路器本体三相不一致保护方案，启动回路取自断路器跳合位辅助接点，回路简单，可靠性高。但从运行环境来看，本体三相不一致保护长期运行在室外恶劣条件下以及断路器本体非全相保护仅用断路器的辅助触点作为启动判据，没有采用其他条件来闭锁保护，继电器接点氧化、线路老化、绝缘降低都可能造成本体三相不一致误动[8-9]。目前现场的主要防范措施有：

图2 三相不一致保护与手分回路共用出口继电器保护原理（优化前）Fig.2 Principle of the output relay protection shared by the three-phase inconsistent protection and manual locking loop（before optimization）

1）做好汇控箱的密封措施，在断路器机构箱、汇控箱中装设由温度与湿度传感器自动启动加热电阻。结合日常巡视，检查设备机构箱、汇控箱内湿度控制器是否符合厂家设置要求，箱内是否有受潮，祛湿器、加热器是否正常工作，潮湿天气增加防潮特巡。

2）结合停电工作，对三相不一致保护继电器动作电压、动作功率（大于5 W）进行检查，如发现达不到要求或回路绝缘稍有降低时，发现异常立即更换。

3）做好断路器本体三相不一致保护时间继电器的校验工作。由于断路器本体三相不一致保护只要有断路器三相位置不一致开入，就启动时间继电器出口跳闸，没有任何闭锁条件。所以时间继电器的性能状态是断路器本体三相不一致保护正确动作的关键因素。在保护定检工作中，应注重时间继电器特性校验，对可靠性差的时间继电器及时更换。

4）保护定检中及时检查断路器的辅助开关。断路器本体三相不一致保护，断路器三相不一致判别最终都来自辅助开关接点，所以断路器的辅助开关运行可靠性十分重要。除了采用质量好的辅助开关外，还要做好定检工作的清扫、检查工作，及时发现辅助开关出现的问题，对不满足运行要求的辅助开关及时进行更换。

运行结果表明，这种由于外界环境影响本体不一致保护动作的正确性，可以通过1）—4）的防范措施加以避免，但不能防止因出口继电器损坏、干扰、强磁场及人为等因素导致断路器三相不一致保护误动作。

3 三相不一致回路优化

为了防止因出口继电器损坏、干扰、强磁场及人为等因素导致断路器三相不一致保护误动作，本文对断路器本体三相不一致保护回路做出优化方案：在三相不一致保护跳闸出口接点与正电源回路之间串接断路器常闭辅助接点如图3、图4所示，保证断路器至少一相断开时三相不一致保护才能出口。

图3 三相不一致保护原理（优化后）Fig. 3 Principle of three-phase inconsistent protection（after optimization）

图3（优化前的回路如图1所示）的工作原理：当开关三相不一致运行时，断路器跳合位辅助接点启动时间继电器K7，通过一定延时，启动三相不一致保护继电器Q7和信号继电器X7。由于开关常闭节点有一相是接通的，所以控制电源正端通过三相不一致继电器辅助接点，保证了可靠跳闸。

图4 三相不一致保护与手分回路共用出口继电器保护原理（优化后）Fig.4 Fig.2 Principle of the output relay protection shared by the three-phase inconsistent protection and manual locking loop（after optimization）

图4（优化前的回路如图2所示）的工作原理：与图3所不同的是，远方手分、就地手分与不一致保护共用出口继电器，所以设计时将三相不一致保护与远方手分、就地手分回路分离清楚，故选择了中间继电器M，从而保证了回路的独立性，提高了保护的安全性。现场工作中应确认断路器三相不一致出口回路与就地/远方手动分闸等其他回路分离，保证回路优化后不影响断路器就地/远方手动分闸等操作。其启动原理及工作原理与图3相同。

这种优化方案在现场得到广泛应用，实施时应采用电位测试法验证2组三相不一致保护不存在寄生回路；验证每组三相不一致保护分相动作及相关信号正确；验证在断路器合闸情况下，模拟单一时间继电器或出口继电器误出口时断路器不误跳。

与传统的本体三相不一致保护比较，图3、图4所示的优化原理即在保护跳闸出口接点与正电源回路之间串接断路器常闭辅助接点的方案提高了安全性，有效防止了因出口继电器损坏、干扰、强磁场及人为等因素导致断路器三相不一致保护误动作。例如，当开关合位运行时，由于电磁干扰或者人为原因使得三相不一致继电器励磁，此时由于开关辅助常闭接点断开，闭锁控制回路，三相不一致保护接点不能作用于跳闸回路，从而防止了误动。但优化方案增加了三相不一致保护对断路器辅助开关的可依赖性。如果由于设备原因或者机构原因，造成辅助接点损坏，三相不一致保护将失去作用，影响电网的安全稳定运行。针对该缺陷将断路器的辅助开关状况检查纳入保护定检工作，可有效避免此类故障的发生。

4 案例分析

根据图3、图4所示的优化方案，结合某500 kV线路停电工作，对开关本体断路器三相不一致保护的二次回路进行了改造，通过相关试验验证了相关回路的正确性与合理性，具体如表1所示。

表1 某500 kV开关三相不一致保护相关试验结果Tab. 1 The test result of the three-phase inconsistent protection of one 500 kV circuit breaker

通过表1的相关试验可以看出，此优化方案的合理性，从一定程度上防止了因出口继电器损坏、干扰、强磁场及人为等因素导致断路器三相不一致保护误动作。

5 结语

本文详细分析了断路器本体三相不一致保护的工作原理，并在此基础上给出了优化方案，通过现场试验验证了优化方案的合理性，提高了三相不一致保护动作的可靠性，有效保证电网的安全稳定运行。

[1] 吴世敏，靳希，吴文辉，等. 500 kV带高抗平行输电线路非全相谐振问题研究[J]. 电网与清洁能源，2011，27（7）: 26-30.WU Shimin，JIN Xi，WU Wenhui，et al. Non-full phase resonance overvoltage for 500 kV transmission line with shunt reactors[J]. Power System and Clean Energy，2011，27（7）: 26-30（in Chinese）.

[2] 黄远飞，彭泽华. 断路器本体三相不一致保护设计分析[J]. 南方电网技术，2012，6（4）: 72-75.HUANG Yuanfei，PENG Zehua. Analysis on the threephase inconsistent protection design for circuit breaker body[J]. Southern Power System Technolgy Study，2012，6（4）：72-75（in Chinese）.

[3] 金百荣，李电. 一起热电厂三相电流不平衡现象调查分析[J]. 电力电容器与无功补偿，2012，33（1）: 73-77.JIN Bairong，LI Dian. Investigation and analysis of a three phase current unbalance phenomenon in thermal power plant[J]. Power Capacitor & Reactive Power Compensation，2012，33（1）: 73-77（in Chinese）.

[4] 刘秋英，邱宏明，李强，等. 断路器三相不一致保护误动作原因分析及对策[J]. 电工电气，2012（7）：34-37.LIU Qiuying，QIU Hongming，LI Qiang，et al. Malfunction causes analysis of circuit-breaker three-phaseInconsistent protection and countermeasures[J]. Jiangsu Electrical Apparatus，2012（7）：34-37（in Chinese）.

[5] 李海燕，王旭红. 断路器三相不一致保护应用研究[J].电力学报，2013，28（4）：290-293.LI Haiyan，WANG Xuhong. Study on three-phase inconsistent protection of the circuit breaker[J]. Journal of Electic Power，2013，28（4）：290-293（in Chinese）.

[6] 国家电力调度通讯中心. 国家电网公司继电保护培训教材（上册）[M]. 北京：中国电力出版社，2009: 141-143.

[7] 蒋苏静，蒋国顺. 220 kV断路器操作回路的优化配合研究[J]. 高压电器，2013（11）: 88-93.JIANG Sujing，JIANG Guoshun. Optimized coordination of 220 kV circuit breaker’s operating circuit and its protective operation box[J]. Gao Ya Dian Qi，2013（11）：88-93（in Chinese）.

[8] 盛财旺，张小青，陈灏，等. 三种低压交流电源系统防雷保护电路的保护性分析[J]. 电瓷避雷器，2011（2）：48-52.SHENG Caiwang，ZHANG Xiaoqing，CHEN Hao，et al.Analysis of three types of lighting protection circuit for low voltage AC power system[J]. Insulators and Surge Arresters，2011（2）：48-52（in Chinese）.

[9] 曹斌，彭利强，李景禄. 特殊场所电源系统的防雷优化与事故分析[J]. 电瓷避雷器，2010（4）：41-45 CAO Bin，PENG Liqiang，LI Jinglu. Lightning protection optimization and accident analysis of power system at special sites[J]. Insulators and Surge Arresters，2010（4）：41-45（in Chinese）.