广东电网佛山供电局张均蔚：一种10kV补偿电容器组断路器非全相分闸监测系统

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广东电网有限责任公司佛山供电局的张均蔚，在2022年第12期《电气技术》上撰文指出，电力系统中的10kV补偿电容器组断路器分合次数过多，故障层出不穷。由于10kV补偿电容器组断路器非全相分闸故障十分复杂，目前还无法对其进行有效判断。

鉴于此，作者研制一种10kV补偿电容器组断路器非全相分闸监测系统，通过对该类型断路器三相均分闸、一相未分闸、两相未分闸、三相均合闸时的电容器组母线电压、三相中任一相电流及中性点电流的逻辑值进行分析，根据接入逻辑电路的带电显示器提示灯显示情况来判断断路器非全相分闸的类型。

在110kV延年站51C电容器组断路器试运行时验证了该监测系统有效可行，可帮助工作人员根据带电显示器显示情况更快速地确定断路器分闸类型并采取相应措施排除故障，避免因在设备缺陷时采取不正确操作方法造成事故，保证电力系统安全运行。

早期电力系统中断路器成本较低，相对于其他大型设备，断路器故障引起的非计划停电故障损失较少，因而不被重视。进入经济高速发展的21世纪后，各个领域的用电负荷激增，断路器故障率也越来越高，造成电力系统损失增大，因此断路器的故障研究日趋重要。

真空断路器因其体积小、重量轻、灭弧性能好等特点被广泛应用于10kV系统中，在变电站内主要作为主变压器变低、站用变压器、10kV出线、10kV补偿电容器组等用来切断或闭合高压电路的断路器。真空断路器使用覆盖率高，在运行中会出现很多问题，特别是10kV补偿电容器组断路器，每天动作次数高达十次以上，发生机械故障的概率比其他断路器高得多，其常见故障主要有断路器无法合闸、断路器分闸失灵、储能机构故障、真空断路器非全相分闸。

目前，前三种故障可通过断路器分合过程的声音、信号指示、储能机构中电机的转动、弹簧的位置等信息来判断，但真空断路器非全相分闸故障因三相回路的电压和电流大小不同而十分复杂，至今还没有完整、可靠的判断方法。

通过查阅知网等平台发现，有关电容器组断路器非全相分闸故障监测系统的文献和专利较少，其中常州供电公司马琳研发了一种判断工具，可以通过自动电压控制（automatic voltage control, AVC）系统对采样板故障、通道异常、电容器非全相运行等故障发出异常封锁状态告警，监控员查看告警窗口可发现电容器开关故障运行；潮州供电局林汉填、黄德斌等认为虽然结线图有标注线路的三相电流可供调度员监视断路器非全相分闸现象，但在操作繁忙时可能会忽略，另外AVC系统自动控制电容时，靠结线图有标注线路的三相电流也无法及时发现电容器组断路器非全相分闸问题。

针对上述问题，本文研究断路器正常分闸、非全相分闸的区别，提出一种断路器非全相分闸判断方法并研制相应装置，可自动判定断路器非全相分闸情况并给出告警信息。

1  问题现状

真空断路器利用真空作为绝缘和灭弧介质，可有效阻断电流的传播。由于真空断路器的触头长度极短，因此可以减少电弧的传播时间，能够迅速扑灭电弧，在户内高压开关柜或户外10kV配电网中得到应用，应用场景较为广泛。

非全相分闸故障是指断路器经过分闸操作后，由于机构故障，导致三相动静触头中有一相及以上相无法分开的故障。

10kV补偿电容器是用来补偿系统的感性负载，以达到提高功率因数、减少电能损失的目的。10kV补偿电容器断路器设置为自动投切状态，即实时跟踪负荷功率因数的变化，根据是否满足要求来投入或退出。为适应电网无功功率不断变化的需求，电容器需要频繁投切，使电容器组断路器不断合闸和分闸，故10kV补偿电容器断路器产生机械故障的概率相比其他断路器高很多。

特别是真空泡拉杆固定螺钉容易松脱造成三相中一相或两相不能分闸，若不及时排除故障，会使正常开断的相断口之间所承受电压由原来的相电压上升为线电压。如果长期如此运行，容易造成断路器断口之间绝缘击穿，也容易使运行人员带负荷移动断路器小车，诱发电力系统事故。

根据佛山供电局某所2021年的数据统计，10kV电容器断路器总数仅占该所10kV断路器总数的11.82%，但缺陷数却占80%以上。10kV电容器组断路器平均每天动作次数为2.5次左右，而其余10kV断路器正常情况下的动作次数一般每月不超过2次。

两者相比较可知，在相同的时间内，10kV电容器组断路器动作次数为其余10kV断路器的37.5倍。现行检修模式未考虑电容器组断路器运行的特殊性，将所有10kV断路器同等对待，统一按6年的周期予以检修，部分电容器组断路器动作频繁，元器件磨损老化，造成电容器组断路器缺陷发生率较高的现状。

佛山供电局某所2021年共发现10kⅤ电容器组断路器故障24项，其中：辅助元器件故障缺陷占比约38%，主要表现为辅助开关损坏，接地开关、底盘位置、储能接点等不到位；线圈烧毁缺陷占比约29%；机构故障缺陷占比约21%，主要表现为真空泡绝缘拉杆固定螺钉松脱、缓冲器故障、机构主轴销脱落等；二次回路故障缺陷占比约8%，主要表现为控制电源接线松动；本体故障缺陷占比约4%，主要表现为断路器断口间交流耐压试验不通过。10kV电容器组断路器缺陷分类如图1所示。

图1  10kV电容器组断路器缺陷分类

因此，研制一种10kV补偿电容器组断路器非全相分闸监测系统很有必要。

2  方案设计

2.1  10kV补偿电容器组断路器非全相分闸电压、电流分析

10kV补偿电容器组间隔电气主接线如图2所示，电容器正常运行时，A、B、C三相电容器和三相放电线圈均为星形联结，中性点不接地，每相电容器均承受相与中性点之间的电压，即相电压，图3为电容器正常运行时三相电压的相量图。

图2  10kV补偿电容器组间隔电气主接线

图3  电容器正常运行时三相电压的相量图

从图2和图3可以看出：

1）当断路器三相均分闸时，A、B、C三相电压均为0，三相电流和中性点电流均为0，电容器母线没有电压，带电显示器指示灯没有显示。

2）当断路器有一相未分闸时，该相电压通过放电线圈和电容器经中性点施加至其他两相。假设断路器A、B相分闸，C相未分闸，C相电压通过C相电容器组母线经电容器及放电线圈至中性点，再由中性点经A、B相的电容器及放电线圈施加至A、B相母线，使三相母线与中性点间均有C相电压，即每相与中性点之间的电压为0，流过电容器的三相电流和中性点电流均为0，使电容器组三相母线均带有C相电压。由于带电显示器接于相与地之间，所以三相带电显示器显示有电。

3）当断路器有两相未分闸时，假设只有A、B两相合闸，而C相分闸，此时A、B两相电压施加于A、B两相的电容器及所串联的电抗器之间。

根据以上分析，若三相断路器各种分闸情况下的电压、电流用逻辑数值来表示，结果见表1。表中，1表示有电压或电流，0表示没有电压或电流。（注：U为电容器组母线电压，IA、IB、IC、IN分别为A相、B相、C相、中性点电流。）

表1  断路器各种分闸情况电压、电流逻辑值

简化后的电压、电流逻辑值见表2。

表2  简化后的电压、电流逻辑值

从表2可看出，当中性点电流存在时，表明存在两相未分闸情况；当存在母线电压且相电流全为0时，表明存在一相未分闸情况；当存在母线电压且相电流全不为0时，表明存在三相均合闸情况。

2.2  电路元件的组成

1）利用开关柜电流互感器（CT）二次继电保护回路中A、N相所接入的电流继电器LA和LN的剩余触点。CT二次绕组串接电流继电器如图4所示，当电流继电器没有电流通过时，其常闭触点导通，即1与2导通，当电流继电器有电流通过时，其常开触点导通，即1与3导通。

图4  CT二次绕组串接电流继电器

2）从开关柜的带电显示器处并接光耦隔离继电器U，当二极管带电发光时，光敏三极管受光照产生光电流而导通，通过驱动电路驱动电流继电器U动作。带电显示器并接PC817光耦隔离继电器如图5所示，当继电器U没有电流通过时，其常闭触点导通，即1与2导通，当继电器U有电流通过时，其常开触点导通，即1与3导通。

图5  带电显示器并接PC817光耦隔离继电器

3）利用数字电路的非门、与门组成逻辑数字电路，使逻辑数字电路的输入端连接电流继电器或电压继电器的常开和常闭触点，由常开和常闭触点分别接通高电平（+5V）和低电平（地），使逻辑数字电路的输出端连接至“三相均分闸”“一相未分闸”“两相未分闸”“三相均合闸”对应的带电显示器上。

图6 图7

图8  与门电路符号

图9  与门逻辑电路

电流继电器或电压继电器常开和常闭触点分别接通高电平（+5V）和低电平（地），如图10所示。

图10  继电器常开和常闭触点分别接通高电平和低电平

2.3  监测系统逻辑电路

根据上述对断路器的三相均分闸、一相未分闸、两相未分闸、三相均合闸的电容器组母线电压U和通过A相电流IA、中性点电流IN的分析，采用7400系列芯片设计如图11所示的监测系统电路，4只显示器L1、L2、L3、L4分别与监测电路的输出端F1、F2、F3、F4连接，通过监测电路来实现显示器L1、L2、L3、L4的显示，以此判断断路器非全相分闸的类型。监测系统内部如图12所示。

图11  由7400系列芯片组成监测系统电路

图12  监测系统内部

图11的逻辑表达式为

式（1）

1）在三相均分闸时，U=0，F1=1输出为高电平，与F1连接的对应显示器L1有显示，F2、F3、F4都为0，输出为低电平，与之连接的对应显示器L2、L3、L4没有显示。

2）在一相未分闸时，U=1，IA=0，IN=0，F2=1输出为高电平，与F2连接的对应显示器L2有显示，F1、F3、F4都为0，输出为低电平，与之连接的对应显示器L1、L3、L4没有显示。

3）在两相未分闸时，U=1，IN=1，F3=1输出为高电平，与F3连接的对应显示器L3有显示，F1、F2、F4都为0，输出为低电平，与之连接的对应显示器L1、L2、L4没有显示。

4）在三相均合闸时，U=1，IA=1，IN=0，F4=1输出为高电平，与F4连接的对应显示器L4有显示，F1、F2、F3都为0，输出为低电平，与之连接的对应显示器L1、L2、L3没有显示。

通过上述逻辑电路可实现断路器各种非全相分闸故障的显示，从而判断非全相分闸的类型，针对不同的类型采取不同的处理措施。

3  实际应用

本文研究的10kV补偿电容器组断路器非全相分闸监测系统自2021年以来在佛山供电局110kV延年变电站51C电容器组断路器中试运行，应用场景如图13所示。

期间，系统发现代表“一相未分闸”的L2有显示，经停电检查，A相断口间绝缘电阻为0，B、C两相断口间绝缘电阻为10000MΩ，用万用表测量A相断口的电阻为0.1Ω，即A相处于导通状态，B、C相断开正常，进一步对断路器的操动机构进行检查，发现A相真空泡拉杆固定螺钉脱落如图14所示，导致A相不能分闸，与系统显示一致。由此可证，10kV补偿电容器组断路器非全相分闸监测系统有效可行。

图13  110kV延年站应用场景

图14  A相真空泡拉杆固定螺钉脱落

4  结论

鉴于真空断路器非全相分闸故障的复杂性和隐蔽性，本文对10kV补偿电容器组断路器非全相分闸时的电压、电流进行分析，使用7400系列芯片设计出一种10kV补偿电容器组断路器非全相分闸监测系统，并详述了设计的技术原理和方案。系统在试运行过程中成功监测到110kV延年变电站51C电容器组断路器的非全相分闸故障，证明此系统能够适应实际运行需要，可以推广至其他10kV配电网线路真空断路器非全相分闸的故障监测中。

本文编自2022年第12期《电气技术》，论文标题为“一种10kV补偿电容器组断路器非全相分闸监测系统”，作者为张均蔚。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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