斷路器跳閘監視回路設計

摘要：斷路器操作回路是斷路器動作控制的重要環節，其主要作用是對斷路器發出跳、合閘脈沖，防止斷路器出現“跳躍”現象，對斷路器跳、合閘回路進行實時在線監視。合理、可靠、完善的斷路器操作回路設計能顯著提高斷路器動作的正確性及可靠性。首先介紹了斷路器操作回路的基本要求和組成，然后以南瑞繼保的智能終端PCS-222CG和ABB的SAM600 IO為例進行了分析比較，并針對ABB的SAM600 IO跳閘監視回路存在的問題提出了改進措施，對開關跳閘監視回路的設計和改進具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：斷路器：操作回路：跳閘監視;防跳回路

0 引言

斷路器是一切繼電保護及自動裝置二次回路邏輯的最終執行單位，即變電站內所有的微機保護和自動裝置動作的最終結果是使斷路器跳閘或合閘。合理、可靠、完善的斷路器操作回路設計能顯著提高斷路器動作的正確性及可靠性。隨著電子技術的不斷發展，國內110 kV及以下電壓等級的變電站繼電保護裝置大多采用保護裝置和操作控制回路一體化配置方案，使得裝置結構更加緊湊、調試維護更加方便。斷路器操作回路設計的工作原理基本相同，跳閘回路的監視則是根據用戶要求不同而有所差別。

1 控制回路的基本要求

《火力發電廠、變電站二次接線設計技術規程》（DL/T 5136—2012）中對斷路器控制回路的功能規定如下：（1）應有電源監視，并宜監視跳、合閘繞組回路的完整性;（2）應能指示斷路器合閘與跳閘的位置狀態，自動合閘或跳閘時應能發出報警信號;（3）合閘或跳閘完成后應使命令脈沖自動解除;（4）有防止斷路器“跳躍”的電氣閉鎖裝置，宜使用斷路器機構內的防跳回路;（5）接線應簡單可靠，使用電纜芯最少。

根據上述規范要求，一個完整的控制回路主要由合閘回路、跳閘回路、防跳回路、斷路器操作閉鎖回路、斷路器位置監視回路等組成。斷路器操作回路設計可為一個單獨插件與保護裝置合為一體。保護插件和操作回路通過一定的電氣連接，但是功能上可以完全獨立，以南瑞繼保的110 kV線路保護PCS-943AM的操作回路為例，其操作回路原理接線如圖1所示。

2 斷路器跳閘監視回路設計

2.1? ? 跳閘監視回路設計原理

如前文所述，控制回路應有電源監視，并宜監視跳、合閘繞組回路的完整性以及指示斷路器合閘與跳閘的位置狀態，所以一般在控制回路設計中通過TWJ和HWJ來監視跳閘回路、合閘回路的完整性。

TWJ和HWJ的常閉接點串聯發“控制回路斷線”信號。當回路完好時，TWJ和HWJ必然有一個啟動;當控制回路異常時，TWJ和HWJ均失電，常閉接點閉合，發“控制回路斷線”信號。此外，可以利用TWJ的常開接點啟動綠燈，HWJ的常開接點啟動紅燈。綠燈亮時，表示斷路器處于分閘狀態;紅燈亮時，表示斷路器處于合閘狀態。

如圖1所示，當斷路器處于分位時，+KM—TWJ1—R1—52b—HC—-KM，即可監視合閘線圈，且可以監視斷路器跳閘的位置。當斷路器處于合位時，+KM—HWJ1—R1—52a—TC—-KM，即可監視跳閘線圈，且可作為斷路器合閘指示。

上述回路也存在一定的缺陷，當斷路器處于分位時，斷路器常開接點52a處于分開狀態，HWJ回路處于斷開狀態，這使得跳閘線圈TC的狀態失去監視。對于國外項目，要求斷路器無論處于分位還是合位，都可以連續監視跳閘線圈TC的狀態，為下一次合閘和分閘做準備，避免斷路器處于分位時跳閘線圈TC損壞，否則下次斷路器合閘出現故障時，無法立即跳閘。2.2? ? 國外跳閘監視回路設計原理

結合實際工程，以澳洲一個66 kV智能變電站為例，分析66 kV線路間隔的斷路器跳位監視回路的設計。以南瑞繼保的智能終端PCS-222CG和ABB的SAM600 IO為例進行分析比較。

（1）PCS-222CG斷路器跳閘監視回路接線如圖2所示。

當斷路器處于合閘位置時，斷路器常開輔助接點52a閉合，常閉輔助接點52b2斷開，形成DC2+—BI_01（HWJ）—52a—TC—DC2-的監視回路;當斷路器處于分閘位置時，斷路器常閉輔助接點52b2閉合，常開輔助接點52a斷開，形成DC2+—BI_01（HWJ）—R—52b2—TC—DC2-的監視回路。因此，無論斷路器處于分位還是合位，都可以實時監視跳閘線圈狀態。

該控制回路的電壓為DC110 V，PCS-222CG的BI輸入動作電壓范圍為70%～120%。BI_01內串接的電阻值為100 kΩ。由于采用一個BI作為跳位監視繼電器，為保證斷路器處于合位（52a閉合）時，在光耦BI_01短路的情況下，跳閘線圈TC不誤跳，需限制回路DC2+—BI_01（HWJ）—52a—TC—DC2-的電流，所以南瑞繼保在BI_01中串接了一個100 kΩ的電阻，以保證該回路電流小于跳閘線圈長期允許承受的電流。

由于PCS-222CG的BI輸入動作電壓范圍為70%～120%，當斷路器處于分位（52b2閉合）時，回路DC2+—BI_01（HWJ）—R—52b2—TC—DC2-導通，由于BI串接了100 kΩ電阻，則電阻R=25 kΩ時，BI上分壓為88 V，在可靠動作電壓范圍內，滿足輸入電壓動作要求。

為了避免斷路器處于分位時跳閘接點BO誤動，回路DC2+—BO（TJ）—R—52b2—TC—DC2-導通，跳閘線圈誤動，則需在該回路串聯電阻且保證流過該回路的電流小于跳閘線圈TC的啟動電流。當電阻R=25 kΩ時，流過該回路的電流為4.4 mA，滿足電流值要求。

綜上，流過R的電流I=110 V÷25 kV=4.4 mA，R上的功率P=I2R=4.42 mA×25 kΩ=0.484 W，所以選擇R的阻值為25 kΩ，功率為5 W。

（2）SAM600 IO斷路器跳閘監視回路接線如圖3所示。

該控制回路的電壓為DC110 V，SAM600 IO的BI輸入動作電壓范圍為80%～120%。根據斷路器廠家說明書，斷路器跳閘線圈的電阻Ri=48 Ω，長期允許電流ILT=48 mA。

跳閘監視回路簡稱TCS。TCS的設計必須滿足當斷路器處于分閘位置時，能承受控制電源處于最大浮充電壓時的電流，且光耦BI_07短路時跳閘線圈不會誤跳。為限制回路DC+—R1—BI_07—52a—TC—DC-電流，在BI_07前串接電阻R1，保證該回路電流小于跳閘線圈長期允許承受的電流。

當斷路器處于分位（52b閉合）時，為了避免有跳閘信號時跳閘線圈誤動，通過跳閘線圈的電流應該限制在一個很小的值，線圈能長期承受該值且不動作，所以在該回路中串接電阻R2。如果上述深色線條回路沒有R2，斷路器處于分位時跳閘線圈會誤動。若要保證回路DC+—TJ—R2—52b—TC—DC-電流很小，則電阻R2的阻值越大越好。

根據ABB SAM600 IO廠家說明書，當BI_07導通后，電流為恒定的常數，相當于一個恒流源。當BI_07的控制電源電壓為DC110 V，最大額定功率P=0.2 W時，可以計算出BI_07導通后的電流I=0.2 W/110 A≈1.82 mA。

根據廠家說明書，BI_07的可靠動作電壓最小值為88 V（DC110 V電壓的80%），可以計算出跳閘監視回路其余部分最大分壓VR=110 V-88 V=22 V，則跳閘監視回路總電阻值應滿足R≤VR/I=22 V/1.82 mA ≈12 kΩ。

考慮到電壓波動和裕度，最終總電阻值R選擇6.6 kΩ（R=R1+R2=3.3 kΩ+3.3 kΩ）。

此時，BI的分壓VBI=110 V-（1.82 mA×6.6 kΩ）≈98 V，分壓比VBI=98/110≈89%，滿足BI_07動作條件。

如果BI_07光耦短路，R1的選取需要滿足當斷路器處于合位時，回路DC+—R1—BI_07—52a—TC—DC-導通，跳閘線圈不被激勵且不發熱。根據66 kV斷路器廠家說明書，斷路器分合閘線圈電阻Ri=48 Ω。

當R1=3.3 kΩ，該監視回路一旦導通，BI將該回路電流限制為恒定值I=1.82 mA<48 mA。

此時R1的功率PR1=I2R1=1.822 mA×3.3 kΩ≈10.9 mW。

綜上所述，R1參數選擇（3.3 kΩ，5 W）滿足要求。

當斷路器處于分位（52b閉合）時，為了避免有跳閘信號時跳閘線圈誤動，通過跳閘線圈的電流應該限制在一個很小的值，線圈能長期承受該值且不動作，通過電阻R2限制回路DC+—TJ—R2—52b—TC—DC-的電流。

當R2=3.3 kΩ，該監視回路電流I=110 V/3.3 kΩ≈33 mA<48 mA。

R2的功率PR2=I2R2=332 mA×3.3 kΩ≈3.6 W。

（3）SAM600 IO斷路器跳閘監視回路改進設計。

鑒于電阻R2的參數選擇（3.3 kΩ，5 W），電阻的額定功率為5 W，雖然電阻不會被燒壞，但如果非電量信號具有自保持功能，電阻長期運行會發熱，電阻功率選擇太大則體積會太大。對圖3跳閘監視回路進行改造，改造后的跳閘監視回路接線如圖4所示。

當保護跳閘輸出信號包含自保功能，增加反向阻斷二極管時，回路DC+—TJ—R2—52b—TC—DC-無法導通，則不會出現R2電阻發熱的問題。

3 結語

斷路器操作回路的穩定可靠性關系到斷路器動作的可靠性，從而關系到電網的穩定性，因此斷路器跳閘監視回路設計具有非常重要的意義。本文以南瑞繼保的智能終端PCS-222CG和ABB的SAM600 IO為例進行了分析比較，提出了斷路器跳位監視回路電阻值的計算依據及方法，使監視回路能實時監視斷路器并反映斷路器運行狀態。針對ABB的SAM600 IO跳閘監視回路存在的問題，提出了改進措施，對國外項目的開關跳位監視回路設計和改進具有一定的借鑒意義。

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收稿日期：2020-06-02

作者簡介：楊雷雷（1988—），女，安徽滁州人，工程師，從事輸變電工程設計工作。