帶跳閘回路監(jiān)視的斷路器操作回路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周華良，夏 雨，鄒志楊

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

電力系統(tǒng)的控制對(duì)象主要包括斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備，其中斷路器是用來連接、控制電網(wǎng)設(shè)備及線路的重要設(shè)備。而斷路器操作回路在繼電保護(hù)設(shè)備中起著重大的輔助和保護(hù)作用，它是保護(hù)裝置與斷路器之間的接口裝置[1]。合理、可靠、完善的斷路器操作回路設(shè)計(jì)能顯著地提高斷路器動(dòng)作的正確性和可靠性。隨著電子技術(shù)的不斷更新，國(guó)內(nèi)110kV及以下等級(jí)變電站繼電保護(hù)裝置多采用保護(hù)裝置和操作回路一體化的配置方案，它可以使保護(hù)裝置更加緊湊、調(diào)試維護(hù)更加方便。目前，在斷路器操作回路設(shè)計(jì)方面大多數(shù)保護(hù)設(shè)備廠家所采用的工作原理基本相同，但對(duì)具體斷路器控制電路上有所差別。跳閘回路的監(jiān)視，也是根據(jù)用戶的要求，在設(shè)計(jì)上有所變化。

1 常用操作回路原理

在變電站的斷路器控制回路中，多數(shù)繼電保護(hù)廠家采用的設(shè)計(jì)原理大致上是相同的。 由《火力發(fā)電廠、變電所二次接線設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》知道，操作回路應(yīng)具備以下幾個(gè)功能：（1）應(yīng)有對(duì)控制電源的監(jiān)視回路；（2）應(yīng)有對(duì)跳、合閘回路完好性的監(jiān)視功能；（3）應(yīng)有“防跳”回路；（4）跳、合閘命令應(yīng)保持足夠長(zhǎng)時(shí)間，并當(dāng)跳、合閘命令完成后，命令脈沖及時(shí)收回；（5）對(duì)于跳、合閘狀態(tài)，應(yīng)有明顯動(dòng)作信號(hào)；（6）應(yīng)具有斷路器壓力閉鎖功能；（7）外部接線力求接線簡(jiǎn)潔[2]。

按照上述的要求，110kV斷路器操作回路設(shè)計(jì)可為單插件形式，與保護(hù)裝置合為一體。保護(hù)插件與操作回路有一定的電氣連接，但是他們?cè)诠δ苌峡梢酝耆?dú)立。繼電保護(hù)設(shè)備廠家常用的操作回路原理如圖1所示。

1.1 “防跳”回路的設(shè)計(jì)

“防跳”回路作用是防止發(fā)生斷路器節(jié)點(diǎn) “跳躍”，造成斷路器連續(xù)“合、跳”現(xiàn)象，導(dǎo)致斷路器的損壞，甚至發(fā)生斷路器爆炸。常用的“防跳”回路有機(jī)械防跳和電氣防跳兩種。機(jī)械防跳是利用斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械閉鎖實(shí)現(xiàn)防跳功能。電氣防跳則是由斷路器操作回路的防跳回路來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》要求，防止二次寄生回路的形成，現(xiàn)場(chǎng)不可以同時(shí)使用兩種防跳回路，由于機(jī)械防跳回路可靠性不高，所以用戶大量使用操作回路的電氣防跳回路，而將機(jī)械防跳回路屏蔽。

所謂斷路器操作回路的“防跳”回路是利用跳閘回路中串聯(lián)的跳閘保持繼電器TBJ的動(dòng)作，啟動(dòng)合閘回路中的電壓繼電器TBJV，使其串聯(lián)在合閘回路中常閉節(jié)點(diǎn)動(dòng)作，切斷合閘回路[3]。如圖1所示，當(dāng)保護(hù)裝置跳閘節(jié)點(diǎn)TJ動(dòng)作，接通跳閘回路，TBJ動(dòng)作，TBJ一副常開節(jié)點(diǎn)作為自保持節(jié)點(diǎn)使斷路器可靠跳閘，另一副常開節(jié)點(diǎn)接通TBJV回路，使TBJV動(dòng)作，同時(shí)，TBJV常閉節(jié)點(diǎn)斷開合閘回路，如果TJ未返回時(shí)，合閘節(jié)點(diǎn)HJ動(dòng)作，由于TBJV的保持作用而斷開合閘回路，直到跳、合閘命令均返回，TBJV常閉節(jié)點(diǎn)返回接通合閘回路，準(zhǔn)備下一次HJ合閘。

1.2 跳、合閘保持繼電器（TBJ，HBJ）

設(shè)計(jì)操作回路另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)是跳、合閘線圈的保持回路。普遍使用的是在跳合閘回路中串聯(lián)電流繼電器，如圖1的TBJ，HBJ。它們的作用是當(dāng)跳合閘繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作接通跳合閘回路時(shí)，TBJ，HBJ動(dòng)作，保持跳閘回路或合閘回路的正常，直到斷路器動(dòng)作完畢，觸點(diǎn)返回。國(guó)產(chǎn)電流繼電器通常體積較大且質(zhì)量不穩(wěn)定，目前，大多數(shù)廠家使用的是松下電壓繼電器ST2-DC1.5V替代，保持繼電器的原理如圖2所示。

以跳閘回路為例，由于TBJ線圈內(nèi)阻很小（約9 Ω），在電路中阻抗可忽略，只考慮電流。實(shí)驗(yàn)證明，此回路TBJ固定動(dòng)作電流為120 mA左右，無論本回路跳閘電流為多大，TBJ均在此電流動(dòng)作，這就是廠家自適應(yīng)回路的原理。也就是不考慮跳閘線圈動(dòng)作電流，只要回路固定達(dá)到120 mA電流值，TBJ動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)TBJ自適應(yīng)動(dòng)作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，此回路因啟動(dòng)電流較小，存在一定的缺點(diǎn)：（1）不能完全反映回路動(dòng)作電流；（2）動(dòng)作電流過小易受干擾使TBJ動(dòng)作，而使斷路器無原因跳閘。

由于《火力發(fā)電廠、變電所二次接線設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定TBJ動(dòng)作電流應(yīng)設(shè)置在斷路器額定跳合閘電流的50%以下，所以，有的廠家將跳、合保持電流設(shè)計(jì)為使用跳線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置跳、合閘保持電流，如圖3所示。

以上電路設(shè)計(jì)的基本思路是利用并聯(lián)分流電阻（R1，R2，R3，R4）來設(shè)定 TBJ繼電器的動(dòng)作電流值，比如當(dāng)只投入R1時(shí)跳合閘電流為0.5 A；當(dāng)將R2投入時(shí)，跳合閘電流為1 A；當(dāng)將R3投入時(shí)，跳和閘電流為2 A；當(dāng)將R4投入時(shí)，跳合閘電流為2 A。這個(gè)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求靈活改動(dòng)，保證了適應(yīng)性，為用戶廣泛認(rèn)可。

1.3 壓力閉鎖回路

目前廣泛使用的SF6斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)有些采用液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)在動(dòng)作時(shí)至少可以完成一次“分-合-分”的操作過程[4]。操動(dòng)機(jī)構(gòu)由于某種原因，液壓或氣壓力降低，不能保證正確分、合閘時(shí)，其壓力閉鎖由高到低依次為閉鎖重合閘、閉鎖合閘、閉鎖跳閘、閉鎖操作。

斷路器壓力閉鎖輸出是由斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換送出的繼電器空觸點(diǎn)，它們作為開入量作用于保護(hù)及操作回路。大多數(shù)110kV斷路器壓力低閉鎖觸點(diǎn)為閉鎖合閘、閉鎖分閘、閉鎖操作。因此，如圖1所示，本操作回路的壓力閉鎖回路設(shè)計(jì)為合壓低、跳壓低、操作壓力低三個(gè)輸入回路，通常采用閉鎖繼電器的常開觸點(diǎn)作為閉鎖觸點(diǎn)。

2 跳閘回路全監(jiān)視回路設(shè)計(jì)

2.1 跳閘監(jiān)視回路設(shè)計(jì)原理

跳、合閘回路的在線監(jiān)視，對(duì)于保護(hù)的正確動(dòng)作非常重要[5]。國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家的常規(guī)保護(hù)設(shè)備中，采用如圖1所示的方法，跳閘位置繼電器（TWJ）負(fù)端與合閘保持繼電器（HBJ）負(fù)端連接并接入斷路器合閘回路，合閘位置繼電器（HWJ）負(fù)端與跳閘保持繼電器負(fù)端連接并接入斷路器跳閘回路。當(dāng)斷路器處于跳閘位置時(shí)，TWJ經(jīng)合閘線圈，斷路器常閉觸點(diǎn)形成回路，即可監(jiān)視合閘線圈，也可作為跳閘位置指示。而當(dāng)斷路器處于合閘位置，HWJ經(jīng)合閘線圈、斷路器常開觸點(diǎn)形成回路，即可監(jiān)視跳閘線圈，也可作為合閘位置指示。但是，上述電路也存在一定的缺點(diǎn)，即在斷路器合位狀態(tài)下，斷路器常閉輔助觸點(diǎn)處于分位的情況，TWJ回路處在斷開狀態(tài)，使得合閘線圈HC失去監(jiān)視；同樣的，在斷路器跳位狀態(tài)下，斷路器常開輔助觸點(diǎn)處于分開的情況，HWJ回路處在斷開狀態(tài)，使得跳閘線圈TQ的狀態(tài)失去監(jiān)視。事實(shí)上，TWJ回路、HWJ回路組成的監(jiān)視跳、合閘線圈回路不能完全監(jiān)視跳、合閘回路狀態(tài)，只能作為控制電源狀態(tài)的監(jiān)視用途。

目前，許多國(guó)外項(xiàng)目的招標(biāo)明確要求，無論斷路器處于跳閘位置還是合閘位置，斷路器跳閘回路均應(yīng)處于連續(xù)的監(jiān)視下，并且斷路器狀態(tài)的變化不應(yīng)影響監(jiān)視的連續(xù)性。顯然，通常利用HWJ做監(jiān)視的方式不能滿足這一要求。為了達(dá)到這一要求，本文在斷路器操作回路中增加一路跳閘監(jiān)視回路TCS回路，與HWJ回路共同構(gòu)成完整的跳閘回路監(jiān)視回路，如圖4所示。

當(dāng)斷路器處于合閘位置時(shí)，斷路器常開輔助觸點(diǎn)DL1閉合，斷路器常開輔助觸點(diǎn)DL2斷開,有KM+→HWJ→DL1→TQ →KM-形成跳閘回路的監(jiān)視回路；當(dāng)斷路器處于分閘位置時(shí)，斷路器常開輔助觸點(diǎn)DL1打開，斷路器常開輔助觸點(diǎn)DL2閉合，有KM+→HWJ→TCS→DL1→TQ→KM-形成跳閘回路的監(jiān)視回路。從這個(gè)電路可以看出，在斷路器合位狀態(tài)下，HWJ繼電器勵(lì)磁，TCS繼電器為DL1短接處于不勵(lì)磁狀態(tài)，不會(huì)發(fā)報(bào)警信號(hào)；而當(dāng)斷路器分位狀態(tài)下，TCS繼電器勵(lì)磁，而HWJ繼電器不勵(lì)磁，也不會(huì)發(fā)報(bào)警信號(hào)，也就是HWJ與TCS不會(huì)同時(shí)失磁，不會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。只有當(dāng)跳閘回路發(fā)生斷線時(shí)，使得HWJ繼電器或者TCS繼電器失磁，才會(huì)發(fā)生報(bào)警信號(hào)。這樣，跳閘回路在合位時(shí)，由TCS繼電器監(jiān)視；跳閘回路在跳位時(shí)，由HWJ繼電器監(jiān)視，保證了跳閘回路的實(shí)時(shí)監(jiān)視功能[3]。

2.2 跳閘監(jiān)視回路實(shí)現(xiàn)方法

由圖4可知，跳閘回路的連續(xù)監(jiān)視過程為：當(dāng)斷路器處于合閘位置時(shí)，HWJ繼電器起監(jiān)視功能；當(dāng)斷路器處于分閘位置時(shí)，TCS繼電器起監(jiān)視功能。在設(shè)計(jì)中，存在著當(dāng)斷路器處于分閘位置時(shí),斷路器輔助觸點(diǎn)DL1為分狀態(tài)，DL2為合狀態(tài)，即圖5所示回路（已將處于分?jǐn)酄顟B(tài)的DL1省略）情況。要保證在這個(gè)監(jiān)視回路中，處于串聯(lián)的HWJ繼電器、TCS繼電器的配置，既要使起監(jiān)視作用的TCS繼電器保持勵(lì)磁狀態(tài)，又要使HWJ繼電器保持不勵(lì)磁狀態(tài)，就必須使圖5回路中的TCS繼電器動(dòng)作電壓值比HWJ繼電器更靈敏。本設(shè)計(jì)中的HWJ繼電器和TCS繼電器采用松下生產(chǎn)的不同型號(hào)電磁繼電器，利用他們動(dòng)作電壓不同的特點(diǎn)，得以解決這一問題。且在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中得到了很好的效果。

3 斷路器操作回路與斷路器的配合問題

在實(shí)際二次回路工程設(shè)計(jì)中，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)與斷路器操作回路的配合至關(guān)重要[5]。二次接線中最常見的就是防跳回路功能的重疊，有很多斷路器廠家的斷路器配有機(jī)械和電氣防跳回路，如忽略操作回路與它們的沖突，使得2個(gè)防跳回路共存。由于斷路器防跳回路的寄生回路的作用，在斷路器處于合閘位置時(shí)，TWJ回路仍然動(dòng)作，而HWJ回路同時(shí)動(dòng)作，使得微機(jī)保護(hù)裝置跳、合位燈一起點(diǎn)亮，而無法判別斷路器位置情況。

要克服這種現(xiàn)象，一是改進(jìn)回路，消除寄生現(xiàn)象，這個(gè)辦法較為復(fù)雜，不易操作。另一種方式為保留其中一套回路而舍去另一套回路。后一種方法為大量用戶現(xiàn)場(chǎng)所采用，選用哪一套防跳回路，各個(gè)用戶做法不同。有些斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)防跳回路是在斷路器合閘的同時(shí)，防跳繼電器KO動(dòng)作，KO的常開觸點(diǎn)斷開合閘回路。

操作回路的防跳回路則是利用TBJ的電流啟動(dòng)，TBJV電壓保持原理，是由TBJV觸點(diǎn)斷開合閘回路。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，使用斷路器防跳回路對(duì)于開關(guān)位置的配合有較高要求，而操作回路防跳回路簡(jiǎn)單方便。

因此，應(yīng)該使用操作回路防跳回路，舍棄操動(dòng)機(jī)構(gòu)防跳回路，這樣便于操作。如果現(xiàn)場(chǎng)使用斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)防跳回路情況下，由圖1看到，本文設(shè)計(jì)使用一個(gè)跳線JP3，將TBJV常閉觸點(diǎn)短接可以直接取消操作回路防跳功能，使操作回路更加靈活，適用性更好。

4 結(jié)束語

斷路器操作回路工作的穩(wěn)定可靠性關(guān)系到斷路器動(dòng)作的正確性,因此設(shè)計(jì)具備跳閘回路全監(jiān)視的操作回路具有非常重要的意義，同時(shí)保證二次回路與斷路器操作回路配合的一致性，合理地選擇接線方式和配置是必不可少。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，斷路器操作回路也會(huì)向智能化方向發(fā)展，斷路器的回路監(jiān)視將向智能狀態(tài)監(jiān)視方向發(fā)展，將為微機(jī)保護(hù)裝置提供更多的斷路器狀態(tài)信息，使得微機(jī)保護(hù)裝置更加可靠，更準(zhǔn)確切除故障，也更有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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