直流输电继电保护故障分析及改进

两起直流保护系统继电器异常原因分析及改

进措施

辛镇瀚，李豹，毛海鹏

（中国南方电网超高压输电公司广州局，广州510405） 【摘要】本文针对两起直流保护系统继电器出现的异常现象，从设备构造、安装特点、运行工况、检修试验情况进行分析，指出外部环境对于7PA27这一应用广泛的中间继电器的重要影响，并针对性地提出了改进措施。经过实际运行情况表明，该改进措施取得了良好的效果。

【关键词】 直流输电 控制保护 中间继电器 换流站

1 中间继电器介绍

继电器作为一种电控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系，在电力系统中常应用于保护系统、控制系统。它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。按照其分类方法，可以划分为不同的继电器。按继电器的防护特征分类, 可以分为密封继电器、封闭式继电器、敞开式继电器；按照继电器在保护回路中所起的作用可分类，可分为启动继电器、量度继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器或出口继电器等。

中间继电器是用来增加控制电路中的信号数量或将信号放大的继电器。中间继电器的触点对数多, 容量较大(5A～10A), 通常在电路中起到扩大触点数量和容量的中间放大和转换的作用。【1】其广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制及电力电子设备中, 是最重要的元件之一。

中间继电器的工作原理是将一个输入信号变成一个或多个输出信号的电子元件。它的输入信号为线圈的通电或断电。它的输出是触头的动作(所带常开触点闭合, 常闭触点打开), 它的触点接在其他控制回路中, 通过触点的变化导致控制回路发生变化(例如导通或截止), 从而实现既定的控制或保护的目的。在此过程中, 继电器主要起了传递信号的作用。【2】在工程实际中, 中间继电器可作为控制元件、记忆元件、保护元件和时间元件来使用。而其发挥的最重要两个作用：一是隔离作用；二是增加辅助触点。

2 西门子保护系统在直流输电系统的应用

高压直流输电系统具有高度可控性、异步隔绝交流电网、直流线路无暂态稳定限制等优点, 通常被应用于远距离输电、跨海送电和区域电网之间的联网。高压直流输电技术近年在国际上得到了大力的推广, 国内也出现了高压直流输电工程建设的热潮。到目前为止, 南方电网已投运的有天广直流、贵广一回直流工程、贵广二回直流及云广特高压直流工程。上述直流系统普遍采用西门子的控制保护系统。【3】

在西门子的控制保护系统中，采用了各种类型的继电器，其中就包括7PA27这一类型的中间继电器。7PA27继电器是一款单稳态的、快速的继电器，其本身带有4个切换触点（如图1），常用于换流站内重要的控制和保护回路。【4】鉴于其高强度的开断能力、过载能力和续流能力，7PA27继电器在贵广一回、贵广二回等直流输电工程中，主要应用在交流滤波器小组保护、保护接口屏等直流系统相关的保护装置及屏柜。

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图1 7PA27继电器触点图

3 两起西门子保护系统中间继电器异常分析

（1）宝安换流站交流滤波器小组保护屏继电器（7PA27）触点电阻过低

2010年07月26日，宝安换流站运行人员在操作时，检查发现交流滤波器小组保护屏内S11、S21、S31、S41压板（保护保护动作启动跳闸压板）的上压板对地电位有10V 左右的漂移，进一步检查时发现部分中间继电器（型号7PA27）触点电阻过低。后检修人员对更换下来的中间继电器（型号7PA27）外观进行检查，发现部分继电器内部有明显的损伤痕迹（图2），部分触点插头处有明显锈蚀痕迹（图3），几乎所有继电器内部都有明显的受潮痕迹。

断电后用万用表测量交流滤波器小组保护屏内K13、K23、K33、K43继电器（型号7PA27）常开辅助触点（7、3）间的电阻，大部分在10～20兆欧，部分低于10兆欧（见表1）。换上备品后，将换下来的8个继电器用绝缘摇表测量耐压电阻，检查发现继电器大部分触点电阻小于1兆欧，部分触点在500V 电压时击穿（见表2）。初步推断，继电器由于长期未励磁、内部受潮后触点间绝缘下降。

表1 万用表测量部分交流滤波器小组保护屏柜内数据

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表2 绝缘摇表测量触点间的电阻

为了说明触点电阻偏小对于交流滤波器小组保护的影响，下面选取其中一个回路进行分析：一旦7PA27中间继电器3-7触点电阻过低，会导致交流滤波器小组保护屏内-S21压板（SIMADYN D 或CPR04保护动作启动跳闸压板）的上压板对地电位产生漂移，当触点间绝缘下降至被击穿时，-S21上压板变为正电位，K1主跳闸继电器励磁导致保护误动作（见图4）。

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7PA27继电器

3-7、11触点

-S21压板

K1主跳闸继电器

图4 交流滤波器跳闸回路图【5】

(2)肇庆换流站保护接口屏内继电器受潮导致直流接地告警

2011年06月22日，肇庆换流站监控系统显示110V 直流系统发生故障，现场检查发现绝缘监察装置显示绝缘电阻值偏低，为60千欧，装置1、2 段告警灯均亮。经检修人员检查发现：极1保护接口屏内K421继电器（型号7PA27）的3端子与8端子之间带电导通（正常情况下不会接通），造成一段直流110V 正极与二段直流110V 负极搭接故障。

后进一步检查发现：极1保护接口屏内三个7PA27 型号继电器（K11、K411、K422）均有不同程度的受潮现象。鉴于当时现场没有足够的备品，所以部分继电器用烘干处理后的7PA27继电器进行更换。烘干处理后，触点的绝缘电阻略有升高。这也印证了继电器受潮的判断。具体如下表：

表3 部分触点间的绝缘电阻

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4 原因分析及应对措施

(1)原因分析

为了确定7PA27中间继电器频繁受潮、导致异常现象发生的情况，将从设备构造、安装特点、工作环境、运行工况等方面进行了分析，具体原因如下：

1）该中间继电器（型号7PA27）按照作用及结构特征分类属于直流电磁继电器，按照防护特征分类属于封闭式继电器。继电器安装在继保室的屏柜内部，离地面较高，继电器内部出现的小水珠不可能是继电器进水所致，是在其内部产生的凝雾所致。凝雾的产生和温差的存在有关，在有温度差的界面上（靠温度高侧）会有凝雾出现。运行在继保室的继电器与周围环境出现温度差是完全可能的，如空调停运，导致环境温度的上升，继电器内部温度变化较慢，加之继电器内被全部为铜金属，将会在其内部形成凝雾的可能。再如空调启动后室温迅速下降，继电器内部温度下降较慢，在继电器内部也有形成凝雾的可能。因此保持设备间温度的长期稳定，将能有效防止凝雾的产生。

2）继电器密封性存在缺陷。该类型继电器在屏柜中采用插拔式的安装方式固定在屏柜内的底座上，安装图如图5所示；结合继电器的结构可以看出继电器的外壳并不能将内部元器件完全密封，加之继电器内部大量金属铜等热量良导体存在，在环境温度变化时，空气中的水汽将在继电器内部形成凝雾。该继电器的受潮数量较多，但其它类继电器受潮较少，通过对比也可以看出该种类型的继电器在结构上是存在一定缺陷的。

图5 7PA27继电器安装图

3）与继电器长期处于未励磁状态有关。以上受潮继电器正常运行时均不励磁，因此其励磁线圈也

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不会产生热量维持内部温度的稳定，不利于内部潮气的驱除，受外部室温的变化影响加大，容易产生凝雾而受潮。

(2)应对措施

1）应加强各继保室的空调、抽湿机等设备的运行维护。加强空调、抽湿机的日常运行巡视，防止异常停运；在倒站用电等操作后及时检查各设备间空调、除湿机的运行情况；在连续下雨及回潮天气加强对设备间的温湿度情况特巡；空调运行方式及温度设置应保持设备间温度稳定在25℃左右为宜，设置过低，容易造成白天和晚上室内温差过大；进出设备间，随时关闭门窗，防止室内温湿度不稳定。

2）运行人员在日常巡视及雨天特巡中加强对继保室屋顶漏水、地面积水等情况的关注，加强对屏柜内继电器及独立装置的受潮情况检查，发现异常及时联系检修人员处理。

3）在后续的检修过程中加大对继电器绝缘部分以及机械部分的检查力度，必要时可对继电器进行拔出检查，及时发现继电器的受潮情况并进行处理。

5 小结

高压直流保护系统继电器外部的工作温度与湿度，对于其正常的稳定运行，起着至关重要的影响。一旦环境湿度和温度设定不当，将会造成继电器受潮（如本文的7PA27中间继电器），有可能造成保护误动或者直流接地等严重后果。经过对上述两起异常的分析总结，运行维护单位在继保室对空调系统设备进行设置，保持25℃的常温，并增设了除湿机，保证了继保室的湿度在继电器要求的范围内；同时在屏柜内部放置了适当的干燥剂；结合运行工况的变化加强特巡。经过实际运行情况表明，上述改进措施取得了良好效果，7PA27类型的继电器未再发生由于受潮而导致的异常现象。运行维护单位也通过这上述两起异常的妥善处理，在设备维护上积累了宝贵的经验。

参考文献

[1] 陈敏栋，浅谈中间继电器的应用；机床电器，2006年第1期

[2] 贺敬杰，浅谈中间继电器的隔离作用；装备制造技术, 2008年09期

[3] 贺智，高压直流输电工程西门子直流保护硬件分析；科技经济市场，2006年第10期

[4] SIEMENS. CSG/GG2/EB4.300.09-16.XS-0

[5] SIEMENS. CSG/GG2/EC2.352.5

作者简介

辛镇瀚（1984.10），学士，毕业于华南理工大学，南方电网超高压输电公司广州局，工程师，从事高压直流输电运行工作。 （E-MAIL:[email protected]; 通信地址：广州市白云区金钟横路98号，邮编：510405）

李豹（1983.12），硕士，毕业于武汉大学，南方电网超高压输电公司广州局，工程师，从事高压直流输电运行工作。

毛海鹏（1978.10），学士，毕业于上海交通大学，南方电网超高压输电公司广州局，工程师，从事高压直流输电运行管理工作。

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