斷路器控制回路改進(jìn)

張惠山

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，河北 石家莊 050071)

0 引言

線路故障斷路器跳閘后重合失敗是影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要事故。依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)2010—2015年間220 kV及以上電網(wǎng)斷路器重合失敗的故障中因合閘控制回路斷線而引起重合失敗的事故占比達(dá)10 %，近年來(lái)類似事故每年均有發(fā)生。而合閘控制回路斷線事故幾乎均是由于合閘控制回路因SF6壓力閉鎖繼電器觸點(diǎn)、儲(chǔ)能壓力觸點(diǎn)銹蝕或其他控制回路串接的觸點(diǎn)接觸不良造成。同時(shí)，斷路器正常合閘狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，合閘控制回路處于斷線狀態(tài)的情況無(wú)法得到有效監(jiān)視而持續(xù)存在，從而導(dǎo)致線路跳閘后重合失敗的事故發(fā)生。

1 斷路控制回路主要功能

依據(jù)當(dāng)前斷路器控制回路的設(shè)計(jì)原理，當(dāng)前各類斷路器控制回路的監(jiān)視功能是通過(guò)斷路器的操作繼電器箱的HWJ (合閘位置繼電器)與TWJ (跳閘位置繼電器)接入控制回路實(shí)現(xiàn)的。其主要功能作用有2個(gè)方面：一是向保護(hù)、測(cè)控等二次設(shè)備提供斷路器位置狀態(tài)的指示信息；二是對(duì)斷路器控制回路完好性的監(jiān)視功能。

(1) 分閘控制回路當(dāng)中接入HWJ。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，該繼電器失磁。而斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，該繼電器勵(lì)磁，故僅能監(jiān)視分閘控制回路狀態(tài)及提供反應(yīng)斷路器狀態(tài)，合閘控制回路不能得到監(jiān)視。

(2) 合閘控制回路中接入TWJ。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，該繼電器勵(lì)磁，當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，該繼電器失磁。故起到僅能監(jiān)視合閘控制回路狀態(tài)及提供反應(yīng)斷路器狀態(tài)，而分閘控制回路狀態(tài)不能得到監(jiān)視。

無(wú)論在斷路器處于何種狀態(tài)，正常情況下TWJ與HWJ只能一個(gè)勵(lì)磁，另一個(gè)失磁。若2個(gè)均失磁，則表示控制回路發(fā)生斷線。因此，無(wú)論斷路器處于何種狀態(tài)，分閘、合閘控制回路均不能實(shí)現(xiàn)全工況監(jiān)視。對(duì)事故進(jìn)行引申分析，若斷路器處于分閘狀態(tài)且分閘控制回路處于斷線狀態(tài)，當(dāng)手動(dòng)合閘或者處于熱備用的斷路器備自投合閘合于故障線路時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)斷路器拒跳的嚴(yán)重電網(wǎng)事故，因此，該類問(wèn)題是一個(gè)亟待解決的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

當(dāng)前相關(guān)文獻(xiàn)[1-3]多是對(duì)控制回路發(fā)生斷線后的原因進(jìn)行分析并提出相關(guān)改進(jìn)措施，但均未涉及當(dāng)斷路器合閘運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，合閘控制回路發(fā)生斷線而無(wú)法向監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)提供告警信息的設(shè)計(jì)原理方面的問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]所描述的開(kāi)關(guān)控制回路自診斷裝置是在控制回路的固定點(diǎn)安裝電位檢測(cè)裝置，若電位出現(xiàn)異常，則發(fā)出告警信息。該方案可以實(shí)現(xiàn)斷路器合閘運(yùn)行時(shí)，合閘控制回路的監(jiān)視功能。但其缺點(diǎn)如下。

(1) 需要加裝專門(mén)儀器完成相應(yīng)功能，成本增加，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，可靠性較差。

(2) 當(dāng)開(kāi)關(guān)完成操作后，需要增加輔助回路或者人工設(shè)定，使儀器感知斷路器狀態(tài)的改變。因斷路器不同的運(yùn)行狀態(tài)，其指示電位將存在差異，儀器依靠電位檢測(cè)原理，故無(wú)法準(zhǔn)確感知電位的變化系“斷線”故障引起還是因斷路器運(yùn)行狀態(tài)的改變。

(3) 僅能監(jiān)視確定地點(diǎn)的部分控制回路的連通性，監(jiān)視的全面性受到限制。

基于改進(jìn)設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)全工況監(jiān)視的功能，可以克服加裝輔助監(jiān)視設(shè)備實(shí)現(xiàn)其監(jiān)視的功能的不足，因此，研究的主旨是對(duì)當(dāng)前整個(gè)斷路器控制回路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的主要目標(biāo)就是在不應(yīng)改變HWJ及TWJ繼電器的原有監(jiān)視功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)當(dāng)斷路器處于合閘運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，增加其合閘控制回路完好性的監(jiān)視；反之，當(dāng)斷路器處于分閘運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，增加對(duì)其分閘控制回路的完好性的監(jiān)視，即構(gòu)成具備全工況監(jiān)視功能的斷路器控制回路。

2 斷路器控制回路優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

斷路器控制回路的監(jiān)視主要是通過(guò)操作箱的分相(三相)合、分閘回路再串接斷路器操作機(jī)構(gòu)的輔助開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱輔助觸點(diǎn))、遠(yuǎn)方/就地操作把手轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)及部分閉鎖繼電器觸點(diǎn)構(gòu)成閉合回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其斷路器控制回路如圖1所示。圖中虛線部分代表斷路器操作機(jī)構(gòu)控制回路，43RL為斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)遠(yuǎn)方/就地轉(zhuǎn)換操作把手、JBS代表各類氣體壓力閉鎖操作繼電器、QF1為斷路器常閉輔助觸點(diǎn)、QF2 (QF3)為斷路器常開(kāi)輔助觸點(diǎn)。當(dāng)整個(gè)回路的正、負(fù)控制電源接通時(shí)，回路中串接的TWJ (HWJ)會(huì)勵(lì)磁，若電路中間有觸點(diǎn)接觸不良而出現(xiàn)“斷路”，繼電器會(huì)失磁。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)1

這個(gè)控制回路設(shè)計(jì)理念如下：斷路器機(jī)構(gòu)內(nèi)控制回路需要且必須串接QF1 (QF2)。原因是在斷路器合閘(分閘)完成的瞬間，整個(gè)斷路器控制回路將會(huì)瞬間流過(guò)高達(dá)數(shù)安的操作電流，在該大電流的作用下，斷路器分、合閘線圈將會(huì)獲得足夠的電磁能量完成操作，操作完成后其所剩余的電磁能量會(huì)瞬間釋放并產(chǎn)生暫態(tài)高壓。而斷路器輔助開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)具備耐高壓、滅弧、連通或斷路的作用。斷路器輔助觸點(diǎn)具備滅弧能力，繼電器的動(dòng)作觸點(diǎn)不具備該項(xiàng)能力。若整個(gè)回路依靠操作繼電器箱的繼電器觸點(diǎn)斷弧，則易燒毀繼電器。然而依據(jù)這樣的控制回路設(shè)計(jì)思路，整個(gè)合閘控制監(jiān)視回路或分閘控制監(jiān)視回路當(dāng)斷路器處于不同的狀態(tài)必然是一個(gè)連通、一個(gè)斷開(kāi)，二者是互斥的。解決這種互斥的作用，即設(shè)計(jì)出分、合閘控制回路，無(wú)論斷路器處于何種狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)回路均處于連通狀態(tài)，如此便可具備全工況監(jiān)視的功能。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)2

進(jìn)一步對(duì)圖1分析，當(dāng)保護(hù)、測(cè)控設(shè)備發(fā)出命令對(duì)斷路器進(jìn)行操作時(shí)，操作的過(guò)程本身需要斷路器輔助觸點(diǎn)進(jìn)行“斷路”。若要實(shí)現(xiàn)全工況監(jiān)視，則要求本應(yīng)切斷的電路再次“連通”，原有的操作將失去意義。整個(gè)斷路器的操作回路包括較多感性儲(chǔ)能元件，其所儲(chǔ)存的電磁能量在初始被“斷路”后立即又發(fā)生連通的過(guò)程中，可能會(huì)使原有控制回路的電流方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，造成寄生回路的情況發(fā)生。同時(shí)，依靠輔助觸點(diǎn)的滅弧過(guò)程瞬間又再次被導(dǎo)通，將會(huì)使其失去滅弧的作用，由此造成的后果將會(huì)使本應(yīng)瞬間完成的斷路器操作過(guò)程將處于持續(xù)的動(dòng)作狀態(tài)，無(wú)法可靠完成。因此，保證正常的斷路器分、合閘回路在操作過(guò)程中其相關(guān)控制回路能夠?qū)崿F(xiàn)明顯的“斷路”，不會(huì)出現(xiàn)異常，在此瞬態(tài)操作過(guò)程完成之后再將原有切斷的回路導(dǎo)通，就可以起到繼續(xù)監(jiān)視的作用，從而達(dá)到全工況監(jiān)視的目的。

圖1 斷路器控制回路

3 原理與實(shí)現(xiàn)方案

3.1 聯(lián)動(dòng)輔助觸點(diǎn)功能要求

依據(jù)技術(shù)要點(diǎn)可增加具有延時(shí)特性且與斷路器輔助觸點(diǎn)具有聯(lián)動(dòng)特性，且與聯(lián)動(dòng)斷路器輔助觸點(diǎn)類型相反的觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)斷路器控制回路全工況監(jiān)視功能。此點(diǎn)包含3層含義。

(1) 與原有的控制回路的斷路器輔助觸點(diǎn)具有聯(lián)動(dòng)特性。聯(lián)動(dòng)特性確保與斷路器輔助觸點(diǎn)的變化過(guò)程時(shí)刻對(duì)應(yīng)。

(2) 類型相反意味與原有常開(kāi)(常閉)的輔助觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的為常閉(常開(kāi))型觸點(diǎn)。

(3) 延時(shí)特性。若具備了延時(shí)特性，可以使在原控制回路可靠完成“斷路”后，確保原有電路的電感元件能量完全釋放完畢后，將已切斷的“回路”再實(shí)現(xiàn)連通。由此可見(jiàn)，聯(lián)動(dòng)和延時(shí)特性可很好地解決全工況監(jiān)視功能的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。此外，應(yīng)注意該聯(lián)動(dòng)觸點(diǎn)其相應(yīng)的返回時(shí)間也同樣具備延時(shí)，與動(dòng)作時(shí)的延時(shí)應(yīng)匹配。

3.2 延時(shí)特性聯(lián)動(dòng)輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方案

3.2.1 拉伸彈簧方案

文獻(xiàn)[5-6]給出了采用扭轉(zhuǎn)彈簧實(shí)現(xiàn)延時(shí)的斷路器輔助觸點(diǎn)，可以借鑒，但應(yīng)改進(jìn)。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的是安裝于斷路器固有輔助開(kāi)關(guān)本體上的扭轉(zhuǎn)彈簧。依據(jù)此彈簧，可對(duì)輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)20～50 ms的延時(shí)。對(duì)于扭轉(zhuǎn)彈簧，通常情況下其延時(shí)低于1 s，不會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)限的延時(shí)。但拉伸彈簧具有很好的延時(shí)特性，能夠達(dá)數(shù)秒級(jí)，故可改進(jìn)為采用拉伸彈簧的設(shè)計(jì)思路。改進(jìn)后的具體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 拉伸彈簧聯(lián)動(dòng)示意

具備聯(lián)動(dòng)特性的輔助開(kāi)關(guān)固定于斷路器機(jī)構(gòu)當(dāng)中，其兩側(cè)均安裝有拉伸彈簧。兩側(cè)的拉伸彈簧固定于輔助開(kāi)關(guān)傳動(dòng)連桿轉(zhuǎn)軸上，布置于轉(zhuǎn)軸的不同側(cè)面，斷路器操作完成后，一個(gè)彈簧處于拉伸態(tài)，另一恢復(fù)至初始態(tài)。處于拉伸態(tài)的彈簧將對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生力矩，使其旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)斷路器進(jìn)行分閘操作時(shí)，斷路器機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連桿帶動(dòng)拉伸彈簧L1向上拉伸，L1受到拉伸，產(chǎn)生的力矩使聯(lián)動(dòng)輔助開(kāi)關(guān)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。分閘操作完成后，拉伸彈簧L2處于初始不受力狀態(tài)。當(dāng)斷路器進(jìn)行合閘操作時(shí)，斷路器機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連桿帶動(dòng)拉伸彈簧L2向下拉伸，聯(lián)動(dòng)輔助觸點(diǎn)完成相應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。顯然，當(dāng)斷路器合閘操作完成后，拉伸彈簧L1處于初始不受力狀態(tài)，L2處于拉伸態(tài)，為下一次的分閘操作作準(zhǔn)備。依靠連桿拉動(dòng)拉伸彈簧起到了輔助轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的延時(shí)功能，且該延時(shí)觸點(diǎn)在閉合或斷開(kāi)的過(guò)程中均具備延時(shí)的特性，能滿足全工況監(jiān)視對(duì)輔助開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)聯(lián)動(dòng)與延時(shí)的性能要求。

3.2.2 時(shí)間繼電器方案

在斷路器的輔助開(kāi)關(guān)連桿上加裝拉伸彈簧，固然可以獲得具備與原有輔助觸點(diǎn)聯(lián)動(dòng)的且具有特定延時(shí)的聯(lián)動(dòng)觸點(diǎn)，但需要一次設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的改變，故該方案具體實(shí)施較復(fù)雜。為避免此問(wèn)題，可采取第二種實(shí)現(xiàn)方案：在控制回路中采用加裝具有延時(shí)動(dòng)作特性時(shí)間繼電器的方法來(lái)獲得具備延時(shí)特性的聯(lián)動(dòng)觸點(diǎn)。此方案僅改變相關(guān)的二次控制回路，一次設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)不做調(diào)整，實(shí)施簡(jiǎn)便。但由于二次回路將會(huì)增加相應(yīng)元件和繼電器動(dòng)作觸點(diǎn)，整個(gè)二次控制回路變得異常復(fù)雜，動(dòng)作延時(shí)和返回特性均需要特別設(shè)計(jì)，其可靠性會(huì)降低，其整體性能劣于拉伸彈簧方案，故研究采用拉伸彈簧方案實(shí)現(xiàn)全工況監(jiān)視。

3.3 具備全工況監(jiān)視功能的斷路器控制回路設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)原理與拉伸彈簧實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)延時(shí)輔助觸點(diǎn)方案，設(shè)計(jì)合、分閘控制回路如圖3，4所示。

圖3 全工況監(jiān)視合閘控制回路

3.3.1 合閘控制回路

增加全工況監(jiān)視TWJ-SX中間繼電器，其繼電器特性與TWJ相同，但動(dòng)作電壓為直流110 V，且繼電器兩端并接了防反向擊穿的續(xù)流二極管D與限流電阻R。斷路器操作機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)計(jì)了與QF1聯(lián)動(dòng)且具有延時(shí)動(dòng)作與返回特性的常開(kāi)聯(lián)動(dòng)觸點(diǎn)QF1-YS。QF1-YS與電阻R1串聯(lián)。電阻R1與TWJ阻值相當(dāng)。因其主要目的是讓TWJ在斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)可靠不勵(lì)磁。

圖4 全工況監(jiān)視分閘控制回路

當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，因電阻分壓的作用，TWJ繼電器因不滿足220 V的勵(lì)磁電壓而可靠不能勵(lì)磁動(dòng)作，從而確保了其原有的勵(lì)磁特性，故相關(guān)功能不受影響。而全工況監(jiān)視繼電器動(dòng)作電壓為110 V，故能夠可靠勵(lì)磁。

當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，QF1斷開(kāi)，而QF1-YS閉合，此時(shí)，TWJ未勵(lì)磁，但TWJ-SX勵(lì)磁動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)了合閘狀態(tài)時(shí)合閘控制回路的監(jiān)視功能。TWJ-SX回路中串接TWJ觸點(diǎn)就是當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，TWJ監(jiān)視合閘回路狀態(tài)，故TWJ-SX無(wú)需再勵(lì)磁動(dòng)作。延時(shí)時(shí)間整定應(yīng)考慮躲過(guò)斷路器重合閘及非全相的動(dòng)作時(shí)間，并留有一定的裕度。

3.3.2 分閘控制回路

增加全工況監(jiān)視HWJ-SX，其繼電器特性與HWJ相同，但動(dòng)作電壓為直流110 V，且繼電器兩端并接了防反向擊穿的續(xù)流二極管D與限流電阻R。斷路器操作機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)計(jì)了與QF2聯(lián)動(dòng)且具有延時(shí)動(dòng)作與返回特性的常閉聯(lián)動(dòng)觸點(diǎn)QF2-YS。QF2-YS與電阻R1串聯(lián)。電阻R1與HWJ阻值相當(dāng)。因其主要目的是讓HWJ在斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)可靠不勵(lì)磁。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，因電阻分壓的作用，HWJ繼電器因不滿足220 V的勵(lì)磁電壓而可靠不能勵(lì)磁動(dòng)作，從而確保了其原有的勵(lì)磁特性，故相關(guān)功能不受影響。而全工況監(jiān)視繼電器動(dòng)作電壓為110 V，故能夠可靠勵(lì)磁。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，QF2斷開(kāi)，而QF2-YS閉合，此時(shí)，HWJ未勵(lì)磁，但HWJ-SX勵(lì)磁動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了分閘狀態(tài)時(shí)分閘控制回路的監(jiān)視功能。HWJSX回路中串接HWJ觸點(diǎn)就是當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，HWJ監(jiān)視合閘回路狀態(tài)，故HWJ-SX無(wú)需再勵(lì)磁動(dòng)作。延時(shí)時(shí)間整定應(yīng)考慮躲過(guò)斷路器重合閘及非全相的動(dòng)作時(shí)間，并留有一定的裕度。

4 設(shè)計(jì)回路的仿真驗(yàn)證

使用MATLAB的Simulink仿真系統(tǒng)，搭建相關(guān)電路模型，通過(guò)仿真檢測(cè)其暫態(tài)過(guò)電壓情況。電路中的各電氣元件取典型值，即位置、監(jiān)視繼電器的取值R=8 000 Ω，L=50 H。斷路器分、合閘線圈取恒定值R=100 Ω，L=2 H。時(shí)序過(guò)程如下：保護(hù)動(dòng)作時(shí)間取30 ms，斷路器輔助觸點(diǎn)分閘時(shí)間取30 ms，聯(lián)動(dòng)延時(shí)動(dòng)作輔助觸點(diǎn)延時(shí)取2 s，初始狀態(tài)設(shè)定為1 s。搭建的電路如圖5所示。

圖5 仿真電路

暫態(tài)電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)：電壓1為斷路器線圈處的暫態(tài)電壓;電壓2為位置繼電器處的暫態(tài)電壓。分析暫態(tài)電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的仿真波形可知，整個(gè)過(guò)程依照參數(shù)設(shè)置后，其波形平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓情況。其次，該仿真條件下參數(shù)設(shè)定為2 s，實(shí)際上可將仿真時(shí)間再加長(zhǎng)，其暫態(tài)過(guò)程的影響就更小。因此，該控制回路設(shè)計(jì)方案不會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓導(dǎo)致元器件損壞的情況，方案可行。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前因斷路器合閘控制回路“斷線”而造成重合失敗的事故，分析了事故成因，指出了當(dāng)前斷路器控制回路設(shè)計(jì)思路的缺陷，提出了采用具備延時(shí)特性的與斷路器輔助觸點(diǎn)具有聯(lián)動(dòng)特性、接點(diǎn)類型相反的輔助觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路，此設(shè)計(jì)思路清晰，可解決斷路器控制回路全工況監(jiān)視的問(wèn)題。同時(shí)對(duì)具備延時(shí)特性的聯(lián)動(dòng)觸點(diǎn)給出了2種具體可行的實(shí)現(xiàn)方案。其一是提出將安裝于輔助開(kāi)關(guān)中的扭轉(zhuǎn)彈簧方案改進(jìn)為安裝于斷路器操作連桿與輔助轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)之間的拉伸彈簧，良好的解決了延時(shí)時(shí)長(zhǎng)較短的問(wèn)題。其二是斷路器控制回路加裝延時(shí)時(shí)間繼電器。

最終采用拉伸彈簧方案，所設(shè)計(jì)的方案通過(guò)仿真軟件分析，確定了整個(gè)電路的動(dòng)態(tài)過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓造成元件損壞的情況，從而明確了方案的可行性。方案的提出將會(huì)對(duì)原控制回路中增加了具備全工況監(jiān)視功能的器件，原有相關(guān)繼電器的性能及控制功能不受影響，同時(shí)設(shè)計(jì)方法能夠避免因控制回路斷線而造成斷路器重合失敗，或熱備用斷路器合閘于故障而出現(xiàn)斷路器拒跳的事故發(fā)生。