一種斷路器對地及斷口絕緣故障快速監(jiān)測方法

劉志學(xué)

（1.江蘇省電力公司檢修分公司蘇州檢修分部，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

高壓斷路器導(dǎo)電部分的對地絕緣及斷口之間的絕緣一般通過支柱或支持絕緣子、套管、絕緣拉桿、氣體或液體介質(zhì)、滅弧絕緣筒或瓷套實現(xiàn)[1-6]。若上述部件出現(xiàn)缺陷，則可能造成斷路器對地或斷口絕緣故障。目前斷路器絕緣故障的切除時間一般是保護采樣數(shù)據(jù)窗時間、保護延時、斷路器開斷時間三者之和，此時間越長，對電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定、相鄰設(shè)備的正常運行和人身安全的負面影響越大。本文提出了一套斷路器對地及斷口絕緣故障快速監(jiān)測系統(tǒng)，其與失靈保護跳閘回路配合使用時，可在斷路器發(fā)生對地或斷口絕緣故障時快速作用于相鄰斷路器跳閘，避免保護采樣數(shù)據(jù)窗時間和保護延時帶來的危害。

現(xiàn)有文獻提出的斷路器絕緣監(jiān)測方法很多，它們都是通過斷路器的各種外部特征判斷斷路器的絕緣性能，如通過監(jiān)測斷路器內(nèi)部的放電情況[9-10]、濕度和壓力[11-12]或斷路器滅弧室物質(zhì)的化學(xué)成分[12]來判斷絕緣性能。這些方法大多原理復(fù)雜，且不能在斷路器發(fā)生嚴(yán)重絕緣故障后快速響應(yīng)，即無法和二次裝置配合使用以快速切除斷路器絕緣故障。

文獻[13]提出了一種雙斷口斷路器對地絕緣故障監(jiān)測的方法，該方法利用雙斷口斷路器橫向電磁環(huán)境對稱的特點來實現(xiàn)對地絕緣故障的監(jiān)測，進而通過繼電保護裝置將故障切除。該方法雖然一定程度上實現(xiàn)了雙斷口斷路器對地絕緣故障較為快速的監(jiān)測，但是不適用于其他類型的斷路器，且沒有給出雙斷口斷路器斷口絕緣故障監(jiān)測的實現(xiàn)過程。另外該方法在判別故障時存在一定延時，且易受相鄰運行設(shè)備磁場的干擾而導(dǎo)致誤判。

參照文獻[13]的雙斷口斷路器對地絕緣故障監(jiān)測的方法和文獻[14]提出的絕緣子閃絡(luò)監(jiān)測方法，本文提出了一種斷路器對地及斷口絕緣故障快速監(jiān)測方法。該監(jiān)測系統(tǒng)適用面廣，可用于所有類型的斷路器；當(dāng)斷路器發(fā)生對地絕緣故障時，該系統(tǒng)能瞬時響應(yīng)；當(dāng)斷路器發(fā)生斷口絕緣故障時，該系統(tǒng)能快速響應(yīng)；當(dāng)斷路器正常運行時，該系統(tǒng)不存在誤判的情況。

1 實現(xiàn)斷路器對地及斷口絕緣故障快速監(jiān)測的必要性

高壓斷路器對地或斷口絕緣故障的切除一般需通過失靈保護，現(xiàn)有失靈保護的長延時[7-8]會對電網(wǎng)、設(shè)備和人身安全帶來一定的負面影響，下面以單斷口斷路器對地絕緣故障（見圖1）為例進行說明。

圖1 單斷口斷路器對地絕緣故障的情況Fig.1 Grounding fault of mono-break breaker

假設(shè)圖中線路的2套主保護均為分相電流差動保護，則有：當(dāng)接地點在斷口母線側(cè)（K1點）時，母差保護動作，跳本側(cè)母線上所有斷路器，但斷路器A的內(nèi)部絕緣可能在接地時已經(jīng)損壞，那么母差保護動作跳閘后斷路器A動靜觸頭間將會有持續(xù)不滅的電弧，此時該故障需要通過失靈保護才能切除；當(dāng)接地點在斷口電流互感器側(cè)（K2點）時，由于該點屬于死區(qū)范圍，所以該故障仍需通過失靈保護才能切除。高壓斷路器絕緣故障的切除時間較長會帶來兩方面的危害。

a.增加斷路器內(nèi)部的發(fā)熱。斷路器的發(fā)熱和故障切除時間成正比，所以故障切除時間過長會增加斷路器內(nèi)部的熱量積聚，從而可能引起斷路器爆炸事故，對相鄰運行設(shè)備和現(xiàn)場人員的安全造成威脅。

b.對電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定造成負面影響。較長的故障切除時間會使系統(tǒng)中發(fā)電機功角特性曲線的故障切除角變大，加速面積增加，即轉(zhuǎn)子在電網(wǎng)故障期間動能的積累增大，功角恢復(fù)穩(wěn)定的時間延長。

若能實現(xiàn)斷路器絕緣故障的快速監(jiān)測，并與失靈保護的跳閘回路配合，跳開與故障斷路器相鄰的斷路器，就可快速切除故障，避免故障切除時間較長。

2 斷路器對地及斷口絕緣故障快速監(jiān)測系統(tǒng)

本文提出的斷路器對地及斷口絕緣故障快速監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

監(jiān)測系統(tǒng)由Rogowski線圈、或非門組成的基本RS觸發(fā)器、無限大增益運算放大器、電阻、雙向擊穿二極管、光耦、斷路器輔助開關(guān)、時間繼電器及其輔助開關(guān)組成。

本系統(tǒng)可分成對地絕緣故障瞬時判別電路和斷口絕緣故障延時判別電路2個部分，它們分別實現(xiàn)對斷路器對地絕緣擊穿和斷口絕緣擊穿的監(jiān)測功能。

2個Rogowski線圈的型號相同，分別置于斷路器的2個極端，且朝向相同（如正面都朝上）。2個線圈的引出端子串聯(lián)后接到對地絕緣故障瞬時判別電路中的運算放大器A1的輸入端。線圈1還通過斷路器輔助開關(guān)QF和斷口絕緣故障延時判別電路中的運算放大器A2的輸入端相連。

傳統(tǒng)的Rogowski線圈是均勻密繞在環(huán)形非磁性骨架上的空心螺線管，具有無飽和、響應(yīng)速度快等特點，其輸出電壓能準(zhǔn)確反映所包羅電流的導(dǎo)數(shù)的大小。若設(shè)i為Rogowski線圈所包羅電流，則圖2 中 Rogowski線圈的輸出電壓為[15]：

其中，M為線圈互感，S為線圈截面積，N為線圈匝數(shù)，l為線圈總長度。由式（1）可知，Rogowski線圈的輸出電壓僅和所包羅的電流有關(guān)，不受外部磁場的干擾和影響。

由或非門組成的基本RS觸發(fā)器功能[16]如表 1所示。

表1 基本RS觸發(fā)器的功能表Tab.1 Functions of fundamental RS trigger

圖2所示系統(tǒng)首次使用前，需對基本RS觸發(fā)器進行初始化，即使FA1和FA2復(fù)歸按鈕先合后分，這樣R（R*）端會先置1再置0。初始化后觸發(fā)器輸入R（R*）端、S（S*）端為 0，輸出 Q（Q*）端為 0。

圖2中，QF為斷路器的輔助開關(guān)，斷路器合閘時QF分開，斷路器分閘時QF合上；雙向擊穿二極管VD1和VD2起到了信號過沖保護的作用。二極管反向擊穿電壓可防止Rogowski線圈輸出信號過大而損壞電子元器件，從而提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性；所有電阻及光耦的型號和參數(shù)可任意選擇，沒有限制。

圖2 斷路器對地及斷口絕緣故障快速監(jiān)測系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of rapid monitoring system for grounding and break faults of breaker

2.2 對地絕緣故障瞬時判別電路的工作過程

對地絕緣故障瞬時判別電路在斷路器分、合閘時都能瞬時監(jiān)測斷路器內(nèi)部導(dǎo)電部分對地絕緣擊穿。

若設(shè)圖2中線圈1所包羅的電流為i1，線圈2所包羅的電流為i2，斷路器對地絕緣故障時短路電流為i3，則可進行如下分析。

斷路器無對地絕緣故障時，A1的輸入為：

此時A1的輸出電壓為0，光耦I(lǐng)C1及IC2中的發(fā)光二極管都不發(fā)光，2個光敏三極管截止；觸發(fā)器的R端和S端狀態(tài)恒為0，觸發(fā)器不動作，即斷路器無對地絕緣故障時觸發(fā)器輸出Q端始終為0。

若t=0時斷路器發(fā)生絕緣故障，假設(shè)：接地電阻為 R，高壓帶電導(dǎo)體電壓，則此時：

由于2個Rogowski線圈的輸出電壓僅和其所包羅的電流有關(guān)，不受相鄰運行設(shè)備產(chǎn)生磁場的干擾和影響，所以在沒有發(fā)生對地絕緣故障時本監(jiān)測系統(tǒng)不存在誤判的可能。

故障處理完畢后需使FA1按鈕先合后分，讓R端先置1再置0，恢復(fù)基本RS觸發(fā)器的初始狀態(tài)。

2.3 斷口絕緣故障延時判別電路的工作過程

斷口絕緣故障延時判別電路能在斷路器分閘時實現(xiàn)斷路器斷口絕緣擊穿的監(jiān)測功能。斷口絕緣故障延時判別電路和對地絕緣故障瞬時判別電路的結(jié)構(gòu)相似，只是增加了斷路器輔助開關(guān)QF、時間繼電器J及其輔助開關(guān)。時間繼電器延時為T，其輔助開關(guān)可實現(xiàn)延時閉合瞬時斷開功能。

不難看出，斷口絕緣故障延時判別電路和對地絕緣故障瞬時判別電路的工作過程類似：當(dāng)斷路器分閘時，開關(guān)QF合上，斷口絕緣故障延時判別電路投入使用，若某時刻斷口絕緣擊穿，則由類比上文的分析可知S*′端立即置1，由于時間繼電器的存在，S*端經(jīng)延時T后置1，即Q*端會在發(fā)生斷口擊穿延時T后輸出為1并保持。Q*端可作為開入量接入失靈保護的跳閘回路，作用于相鄰斷路器跳閘，快速切除故障。當(dāng)斷路器合閘時，輔助開關(guān)QF分開，斷口絕緣故障延時判別電路退出使用。

裝設(shè)時間繼電器J是為了消除斷路器內(nèi)部電弧通斷時刻和輔助開關(guān)QF分合時刻不同步帶來的危害。QF合上時刻（分開時刻）和斷路器內(nèi)部電弧熄滅時刻（燃弧時刻）的不同步會使監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生誤判：當(dāng)斷路器分閘時，若開關(guān)QF先合上而斷路器電弧后熄滅，那么這段時間內(nèi)Rogowski線圈輸出始終有電壓，通過分析可知，S*′端會置1，如果不裝設(shè)時間繼電器J及其接點，那么此時判別電路會由于這個“不同步”的時間誤動作，而裝設(shè)了時間繼電器且整定一定延時后，可以避免誤動情況的發(fā)生；當(dāng)斷路器合閘時，對于斷路器觸頭間先產(chǎn)生電弧而開關(guān)QF后分開的情況可進行相似分析。

時間繼電器的延時應(yīng)同時大于開關(guān)QF合位時刻與斷路器觸頭電弧完全熄滅時刻的時間差、斷路器觸頭產(chǎn)生電弧時刻與開關(guān)QF分位時刻的時間差。但延時并不是越長越好，延時越長，故障切除時間越長，對電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定、設(shè)備及人身安全越不利。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)的響應(yīng)時間

基本RS觸發(fā)器與其他帶有時序電路的觸發(fā)器相比，其動作時間不受時序電路脈沖周期的影響，僅由或非門內(nèi)晶體管的傳輸延遲決定，此延遲極小，可達納秒級。

斷路器發(fā)生對地絕緣故障時，圖2所示系統(tǒng)的響應(yīng)時間由運算放大器的傳輸延遲、光耦內(nèi)晶體管的傳輸延遲和觸發(fā)器的觸發(fā)時間組成，每部分的時間都僅由其內(nèi)部晶體管的傳輸時間決定，可達納秒級，總時間對于電力系統(tǒng)而言可忽略不計，即可看作是瞬時的，而斷路器發(fā)生斷口絕緣故障時系統(tǒng)的響應(yīng)時間可認為僅是時間繼電器的整定延時。

2.5 發(fā)生絕緣故障時相關(guān)電氣量波形圖

f.發(fā)生故障的時刻a滿足ωa=π。

則發(fā)生斷路器對地絕緣故障時的相關(guān)電氣量波形圖如圖3所示，發(fā)生斷路器斷口絕緣故障時的相關(guān)電氣量波形圖如圖 4 所示。圖中，sIC1、sIC2、sIC3、sIC4

若假設(shè)：

a.a時刻斷路器發(fā)生對地或斷口絕緣故障；

b.b時刻監(jiān)測系統(tǒng)手動復(fù)歸；

c.相鄰斷路器的開斷時間（分閘時間和電弧燃燒時間之和）為60 ms；

圖3 斷路器發(fā)生對地絕緣故障時監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)波形圖Fig.3 Grounding-fault-related waveforms of monitoring system

圖4 斷路器發(fā)生斷口絕緣故障時監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)波形圖Fig.4 Break-fault-related waveforms of monitoring system

d.時間繼電器J整定延時為10 ms；表示4個光耦的通斷情況，“1”為導(dǎo)通，“0”為截止。

根據(jù)圖3，該斷路器對地絕緣故障在a時刻發(fā)生，此時接地電流 i3產(chǎn)生。 由式（2）、（3）可知，此時圖2中運算放大器A1的輸入電壓u1＞0，即此時A1的輸出電壓為正的電源偏置電壓VCC，那么這時光耦I(lǐng)C2內(nèi)發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，基本RS觸發(fā)器立即觸發(fā)。觸發(fā)器的輸出Q通過故障斷路器的失靈保護跳閘回路快速地向相鄰斷路器的跳閘線圈發(fā)跳令。待相鄰的所有斷路器可靠斷開后（動靜觸頭完全分開且電弧熄滅），該斷路器接地絕緣故障切除。b時刻基本RS觸發(fā)器手動復(fù)歸，其輸出Q歸零。

對于圖4，假設(shè)該斷路器正常運行在熱備用狀態(tài)，而在a時刻發(fā)生斷口擊穿故障，擊穿時產(chǎn)生斷口電流 i1。 則類比式（1）—（3）可知，此時圖 2中運算放大器A2的輸入電壓u2＞0，即此時運放A2的輸出電壓為正的電源偏置電壓VCC，那么這時光耦I(lǐng)C4內(nèi)的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，S*′置高電平，經(jīng)過時間繼電器J的延時之后繼電器輔助接點J閉合，之后S*置高電平，基本RS觸發(fā)器觸發(fā)。觸發(fā)器的輸出Q通過故障斷路器的失靈保護跳閘回路給相鄰斷路器的跳閘線圈發(fā)跳令。待相鄰的所有斷路器可靠斷開后（動靜觸頭完全分開且電弧熄滅），該斷路器斷口絕緣故障切除。b時刻基本RS觸發(fā)器手動復(fù)歸，其輸出Q歸零。

過電壓入侵也是造成斷路器絕緣故障的因素之一。從上文可知，對于過電壓入侵的情況，在產(chǎn)生絕緣擊穿電流的瞬時，圖2所示監(jiān)測系統(tǒng)的動作過程與工頻電壓下發(fā)生絕緣故障的動作過程相似，同樣可以成功響應(yīng)；當(dāng)過電壓入侵造成斷路器對地絕緣故障擊穿時，圖2所示系統(tǒng)能瞬時響應(yīng)；當(dāng)過電壓入侵造成斷路器斷口絕緣擊穿時，圖2所示系統(tǒng)經(jīng)延時T后能快速響應(yīng)。

3 結(jié)語

本文提出了一種斷路器對地及斷口絕緣故障快速監(jiān)測方法，當(dāng)由該方法實現(xiàn)的監(jiān)測系統(tǒng)與失靈保護的跳閘回路配合使用時，可以在發(fā)生斷路器絕緣故障時快速切除故障，避免長時間切除故障帶來的危害。