帶跳閘回路監視的斷路器操作回路設計與實現

周華良，夏 雨，鄒志楊

（國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003）

電力系統的控制對象主要包括斷路器、隔離開關等設備，其中斷路器是用來連接、控制電網設備及線路的重要設備。而斷路器操作回路在繼電保護設備中起著重大的輔助和保護作用，它是保護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計能顯著地提高斷路器動作的正確性和可靠性。隨著電子技術的不斷更新，國內110kV及以下等級變電站繼電保護裝置多采用保護裝置和操作回路一體化的配置方案，它可以使保護裝置更加緊湊、調試維護更加方便。目前，在斷路器操作回路設計方面大多數保護設備廠家所采用的工作原理基本相同，但對具體斷路器控制電路上有所差別。跳閘回路的監視，也是根據用戶的要求，在設計上有所變化。

1 常用操作回路原理

在變電站的斷路器控制回路中，多數繼電保護廠家采用的設計原理大致上是相同的。 由《火力發電廠、變電所二次接線設計技術規程》知道，操作回路應具備以下幾個功能：（1）應有對控制電源的監視回路；（2）應有對跳、合閘回路完好性的監視功能；（3）應有“防跳”回路；（4）跳、合閘命令應保持足夠長時間，并當跳、合閘命令完成后，命令脈沖及時收回；（5）對于跳、合閘狀態，應有明顯動作信號；（6）應具有斷路器壓力閉鎖功能；（7）外部接線力求接線簡潔[2]。

按照上述的要求，110kV斷路器操作回路設計可為單插件形式，與保護裝置合為一體。保護插件與操作回路有一定的電氣連接，但是他們在功能上可以完全獨立。繼電保護設備廠家常用的操作回路原理如圖1所示。

1.1 “防跳”回路的設計

“防跳”回路作用是防止發生斷路器節點 “跳躍”，造成斷路器連續“合、跳”現象，導致斷路器的損壞，甚至發生斷路器爆炸。常用的“防跳”回路有機械防跳和電氣防跳兩種。機械防跳是利用斷路器操動機構的機械閉鎖實現防跳功能。電氣防跳則是由斷路器操作回路的防跳回路來實現，根據《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》要求，防止二次寄生回路的形成，現場不可以同時使用兩種防跳回路，由于機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的跳閘保持繼電器TBJ的動作，啟動合閘回路中的電壓繼電器TBJV，使其串聯在合閘回路中常閉節點動作，切斷合閘回路[3]。如圖1所示，當保護裝置跳閘節點TJ動作，接通跳閘回路，TBJ動作，TBJ一副常開節點作為自保持節點使斷路器可靠跳閘，另一副常開節點接通TBJV回路，使TBJV動作，同時，TBJV常閉節點斷開合閘回路，如果TJ未返回時，合閘節點HJ動作，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常閉節點返回接通合閘回路，準備下一次HJ合閘。

1.2 跳、合閘保持繼電器（TBJ，HBJ）

設計操作回路另一個重要的環節是跳、合閘線圈的保持回路。普遍使用的是在跳合閘回路中串聯電流繼電器，如圖1的TBJ，HBJ。它們的作用是當跳合閘繼電器觸點動作接通跳合閘回路時，TBJ，HBJ動作，保持跳閘回路或合閘回路的正常，直到斷路器動作完畢，觸點返回。國產電流繼電器通常體積較大且質量不穩定，目前，大多數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線圈內阻很小（約9 Ω），在電路中阻抗可忽略，只考慮電流。實驗證明，此回路TBJ固定動作電流為120 mA左右，無論本回路跳閘電流為多大，TBJ均在此電流動作，這就是廠家自適應回路的原理。也就是不考慮跳閘線圈動作電流，只要回路固定達到120 mA電流值，TBJ動作，以實現TBJ自適應動作。根據現場反饋，此回路因啟動電流較小，存在一定的缺點：（1）不能完全反映回路動作電流；（2）動作電流過小易受干擾使TBJ動作，而使斷路器無原因跳閘。

由于《火力發電廠、變電所二次接線設計技術規程》規定TBJ動作電流應設置在斷路器額定跳合閘電流的50%以下，所以，有的廠家將跳、合保持電流設計為使用跳線現場設置跳、合閘保持電流，如圖3所示。

以上電路設計的基本思路是利用并聯分流電阻（R1，R2，R3，R4）來設定 TBJ繼電器的動作電流值，比如當只投入R1時跳合閘電流為0.5 A；當將R2投入時，跳合閘電流為1 A；當將R3投入時，跳和閘電流為2 A；當將R4投入時，跳合閘電流為2 A。這個設計的優點是可以根據現場要求靈活改動，保證了適應性，為用戶廣泛認可。

1.3 壓力閉鎖回路

目前廣泛使用的SF6斷路器操動機構有些采用液壓操動機構和氣壓操動機構，斷路器操動機構在動作時至少可以完成一次“分-合-分”的操作過程[4]。操動機構由于某種原因，液壓或氣壓力降低，不能保證正確分、合閘時，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機構轉換送出的繼電器空觸點，它們作為開入量作用于保護及操作回路。大多數110kV斷路器壓力低閉鎖觸點為閉鎖合閘、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計為合壓低、跳壓低、操作壓力低三個輸入回路，通常采用閉鎖繼電器的常開觸點作為閉鎖觸點。

2 跳閘回路全監視回路設計

2.1 跳閘監視回路設計原理

跳、合閘回路的在線監視，對于保護的正確動作非常重要[5]。國內大多數廠家的常規保護設備中，采用如圖1所示的方法，跳閘位置繼電器（TWJ）負端與合閘保持繼電器（HBJ）負端連接并接入斷路器合閘回路，合閘位置繼電器（HWJ）負端與跳閘保持繼電器負端連接并接入斷路器跳閘回路。當斷路器處于跳閘位置時，TWJ經合閘線圈，斷路器常閉觸點形成回路，即可監視合閘線圈，也可作為跳閘位置指示。而當斷路器處于合閘位置，HWJ經合閘線圈、斷路器常開觸點形成回路，即可監視跳閘線圈，也可作為合閘位置指示。但是，上述電路也存在一定的缺點，即在斷路器合位狀態下，斷路器常閉輔助觸點處于分位的情況，TWJ回路處在斷開狀態，使得合閘線圈HC失去監視；同樣的，在斷路器跳位狀態下，斷路器常開輔助觸點處于分開的情況，HWJ回路處在斷開狀態，使得跳閘線圈TQ的狀態失去監視。事實上，TWJ回路、HWJ回路組成的監視跳、合閘線圈回路不能完全監視跳、合閘回路狀態，只能作為控制電源狀態的監視用途。

目前，許多國外項目的招標明確要求，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處于連續的監視下，并且斷路器狀態的變化不應影響監視的連續性。顯然，通常利用HWJ做監視的方式不能滿足這一要求。為了達到這一要求，本文在斷路器操作回路中增加一路跳閘監視回路TCS回路，與HWJ回路共同構成完整的跳閘回路監視回路，如圖4所示。

當斷路器處于合閘位置時，斷路器常開輔助觸點DL1閉合，斷路器常開輔助觸點DL2斷開,有KM+→HWJ→DL1→TQ →KM-形成跳閘回路的監視回路；當斷路器處于分閘位置時，斷路器常開輔助觸點DL1打開，斷路器常開輔助觸點DL2閉合，有KM+→HWJ→TCS→DL1→TQ→KM-形成跳閘回路的監視回路。從這個電路可以看出，在斷路器合位狀態下，HWJ繼電器勵磁，TCS繼電器為DL1短接處于不勵磁狀態，不會發報警信號；而當斷路器分位狀態下，TCS繼電器勵磁，而HWJ繼電器不勵磁，也不會發報警信號，也就是HWJ與TCS不會同時失磁，不會發出報警信號。只有當跳閘回路發生斷線時，使得HWJ繼電器或者TCS繼電器失磁，才會發生報警信號。這樣，跳閘回路在合位時，由TCS繼電器監視；跳閘回路在跳位時，由HWJ繼電器監視，保證了跳閘回路的實時監視功能[3]。

2.2 跳閘監視回路實現方法

由圖4可知，跳閘回路的連續監視過程為：當斷路器處于合閘位置時，HWJ繼電器起監視功能；當斷路器處于分閘位置時，TCS繼電器起監視功能。在設計中，存在著當斷路器處于分閘位置時,斷路器輔助觸點DL1為分狀態，DL2為合狀態，即圖5所示回路（已將處于分斷狀態的DL1省略）情況。要保證在這個監視回路中，處于串聯的HWJ繼電器、TCS繼電器的配置，既要使起監視作用的TCS繼電器保持勵磁狀態，又要使HWJ繼電器保持不勵磁狀態，就必須使圖5回路中的TCS繼電器動作電壓值比HWJ繼電器更靈敏。本設計中的HWJ繼電器和TCS繼電器采用松下生產的不同型號電磁繼電器，利用他們動作電壓不同的特點，得以解決這一問題。且在現場應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

在實際二次回路工程設計中，斷路器操動機構與斷路器操作回路的配合至關重要[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，TWJ回路仍然動作，而HWJ回路同時動作，使得微機保護裝置跳、合位燈一起點亮，而無法判別斷路器位置情況。

要克服這種現象，一是改進回路，消除寄生現象，這個辦法較為復雜，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場所采用，選用哪一套防跳回路，各個用戶做法不同。有些斷路器操動機構防跳回路是在斷路器合閘的同時，防跳繼電器KO動作，KO的常開觸點斷開合閘回路。

操作回路的防跳回路則是利用TBJ的電流啟動，TBJV電壓保持原理，是由TBJV觸點斷開合閘回路。在現場應用中，使用斷路器防跳回路對于開關位置的配合有較高要求，而操作回路防跳回路簡單方便。

因此，應該使用操作回路防跳回路，舍棄操動機構防跳回路，這樣便于操作。如果現場使用斷路器操動機構防跳回路情況下，由圖1看到，本文設計使用一個跳線JP3，將TBJV常閉觸點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 結束語

斷路器操作回路工作的穩定可靠性關系到斷路器動作的正確性,因此設計具備跳閘回路全監視的操作回路具有非常重要的意義，同時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。隨著電子技術的進步，斷路器操作回路也會向智能化方向發展，斷路器的回路監視將向智能狀態監視方向發展，將為微機保護裝置提供更多的斷路器狀態信息，使得微機保護裝置更加可靠，更準確切除故障，也更有利于提高系統的穩定運行。

[1]郭占偉，原愛芳，張長彥，等.斷路器操作回路詳述[J].繼電器，2004，32(19)：67-70.

[2]DL/T 5136—2001，火力發電廠、變電所二次接線設計技術規程[S].

[3]劉永興.斷路器操作回路中防跳繼電器的選擇[J].浙江電力，2004(4)：73-75.

[4]曹樹江，林 榕.斷路器操動機構與繼電保護控制回路的協調與配合[J].繼電器，2005，33(23)：72-77.

[5]張雁文，鐵絲佳.搭建斷路器跳閘回路的全回路監視[J].黑龍江電力，2008，30(1).