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(shí)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(shí)間一般是保護(hù)采樣數(shù)據(jù)窗時(shí)間、保護(hù)延時(shí)、斷路器開斷時(shí)間三者之和，此時(shí)間越長，對電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定、相鄰設(shè)備的正常運(yùn)行和人身安全的負(fù)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(hù)跳閘回路配合使用時(shí)，可在斷路器發(fā)生對地或斷口絕緣故障時(shí)快速作用于相鄰斷路器跳閘，避免保護(hù)采樣數(shù)據(jù)窗時(shí)間和保護(hù)延時(shí)帶來的危害。

現(xiàn)有文獻(xiàn)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(xiàn)[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(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對地絕緣故障的監(jiān)測，進(jìn)而通過繼電保護(hù)裝置將故障切除。該方法雖然一定程度上實(shí)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(shí)現(xiàn)過程。另外該方法在判別故障時(shí)存在一定延時(shí)，且易受相鄰運(yùn)行設(shè)備磁場的干擾而導(dǎo)致誤判。

參照文獻(xiàn)[13]的雙斷口斷路器對地絕緣故障監(jiān)測的方法和文獻(xiàn)[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(shí)，該系統(tǒng)能瞬時(shí)響應(yīng)；當(dāng)斷路器發(fā)生斷口絕緣故障時(shí)，該系統(tǒng)能快速響應(yīng)；當(dāng)斷路器正常運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)不存在誤判的情況。

1 實(shí)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(hù)，現(xiàn)有失靈保護(hù)的長延時(shí)[7-8]會對電網(wǎng)、設(shè)備和人身安全帶來一定的負(fù)面影響，下面以單斷口斷路器對地絕緣故障（見圖1）為例進(jìn)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(hù)均為分相電流差動保護(hù)，則有：當(dāng)接地點(diǎn)在斷口母線側(cè)（K1點(diǎn)）時(shí)，母差保護(hù)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(shí)已經(jīng)損壞，那么母差保護(hù)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(shí)該故障需要通過失靈保護(hù)才能切除；當(dāng)接地點(diǎn)在斷口電流互感器側(cè)（K2點(diǎn)）時(shí)，由于該點(diǎn)屬于死區(qū)范圍，所以該故障仍需通過失靈保護(hù)才能切除。高壓斷路器絕緣故障的切除時(shí)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(shí)間成正比，所以故障切除時(shí)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(yùn)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(fù)面影響。較長的故障切除時(shí)間會使系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)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(shí)間延長。

若能實(shí)現(xiàn)斷路器絕緣故障的快速監(jiān)測，并與失靈保護(hù)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(shí)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(yùn)算放大器、電阻、雙向擊穿二極管、光耦、斷路器輔助開關(guān)、時(shí)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(shí)判別電路和斷口絕緣故障延時(shí)判別電路2個(gè)部分，它們分別實(shí)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(gè)Rogowski線圈的型號相同，分別置于斷路器的2個(gè)極端，且朝向相同（如正面都朝上）。2個(gè)線圈的引出端子串聯(lián)后接到對地絕緣故障瞬時(shí)判別電路中的運(yùn)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(shí)判別電路中的運(yùn)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(diǎn)，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(jìn)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(shí)QF分開，斷路器分閘時(shí)QF合上；雙向擊穿二極管VD1和VD2起到了信號過沖保護(hù)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(shí)判別電路的工作過程

對地絕緣故障瞬時(shí)判別電路在斷路器分、合閘時(shí)都能瞬時(shí)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(shí)短路電流為i3，則可進(jìn)行如下分析。

斷路器無對地絕緣故障時(shí)，A1的輸入為：

此時(shí)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(gè)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(shí)觸發(fā)器輸出Q端始終為0。

若t=0時(shí)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(shí)：

由于2個(gè)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(yùn)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(shí)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(shí)判別電路的工作過程

斷口絕緣故障延時(shí)判別電路能在斷路器分閘時(shí)實(shí)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(shí)判別電路和對地絕緣故障瞬時(shí)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(shí)間繼電器J及其輔助開關(guān)。時(shí)間繼電器延時(shí)為T，其輔助開關(guān)可實(shí)現(xiàn)延時(shí)閉合瞬時(shí)斷開功能。

不難看出，斷口絕緣故障延時(shí)判別電路和對地絕緣故障瞬時(shí)判別電路的工作過程類似：當(dāng)斷路器分閘時(shí)，開關(guān)QF合上，斷口絕緣故障延時(shí)判別電路投入使用，若某時(shí)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(shí)間繼電器的存在，S*端經(jīng)延時(shí)T后置1，即Q*端會在發(fā)生斷口擊穿延時(shí)T后輸出為1并保持。Q*端可作為開入量接入失靈保護(hù)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(shí)，輔助開關(guān)QF分開，斷口絕緣故障延時(shí)判別電路退出使用。

裝設(shè)時(shí)間繼電器J是為了消除斷路器內(nèi)部電弧通斷時(shí)刻和輔助開關(guān)QF分合時(shí)刻不同步帶來的危害。QF合上時(shí)刻（分開時(shí)刻）和斷路器內(nèi)部電弧熄滅時(shí)刻（燃弧時(shí)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(shí)，若開關(guān)QF先合上而斷路器電弧后熄滅，那么這段時(shí)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(shí)間繼電器J及其接點(diǎn)，那么此時(shí)判別電路會由于這個(gè)“不同步”的時(shí)間誤動作，而裝設(shè)了時(shí)間繼電器且整定一定延時(shí)后，可以避免誤動情況的發(fā)生；當(dāng)斷路器合閘時(shí)，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(jìn)行相似分析。

時(shí)間繼電器的延時(shí)應(yīng)同時(shí)大于開關(guān)QF合位時(shí)刻與斷路器觸頭電弧完全熄滅時(shí)刻的時(shí)間差、斷路器觸頭產(chǎn)生電弧時(shí)刻與開關(guān)QF分位時(shí)刻的時(shí)間差。但延時(shí)并不是越長越好，延時(shí)越長，故障切除時(shí)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(shí)間

基本RS觸發(fā)器與其他帶有時(shí)序電路的觸發(fā)器相比，其動作時(shí)間不受時(shí)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(dá)納秒級。

斷路器發(fā)生對地絕緣故障時(shí)，圖2所示系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間由運(yùn)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(shí)間組成，每部分的時(shí)間都僅由其內(nèi)部晶體管的傳輸時(shí)間決定，可達(dá)納秒級，總時(shí)間對于電力系統(tǒng)而言可忽略不計(jì)，即可看作是瞬時(shí)的，而斷路器發(fā)生斷口絕緣故障時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間可認(rèn)為僅是時(shí)間繼電器的整定延時(shí)。

2.5 發(fā)生絕緣故障時(shí)相關(guān)電氣量波形圖

f.發(fā)生故障的時(shí)刻a滿足ωa=π。

則發(fā)生斷路器對地絕緣故障時(shí)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(shí)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(shí)刻斷路器發(fā)生對地或斷口絕緣故障；

b.b時(shí)刻監(jiān)測系統(tǒng)手動復(fù)歸；

c.相鄰斷路器的開斷時(shí)間（分閘時(shí)間和電弧燃燒時(shí)間之和）為60 ms；

圖3 斷路器發(fā)生對地絕緣故障時(shí)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(shí)監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)波形圖Fig.4 Break-fault-related waveforms of monitoring system

d.時(shí)間繼電器J整定延時(shí)為10 ms；表示4個(gè)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(shí)刻發(fā)生，此時(shí)接地電流 i3產(chǎn)生。 由式（2）、（3）可知，此時(shí)圖2中運(yùn)算放大器A1的輸入電壓u1＞0，即此時(shí)A1的輸出電壓為正的電源偏置電壓VCC，那么這時(shí)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(hù)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(shí)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(yùn)行在熱備用狀態(tài)，而在a時(shí)刻發(fā)生斷口擊穿故障，擊穿時(shí)產(chǎn)生斷口電流 i1。 則類比式（1）—（3）可知，此時(shí)圖 2中運(yùn)算放大器A2的輸入電壓u2＞0，即此時(shí)運(yùn)放A2的輸出電壓為正的電源偏置電壓VCC，那么這時(shí)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(shí)間繼電器J的延時(shí)之后繼電器輔助接點(diǎn)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(hù)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(shí)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(shí)，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(shí)，圖2所示系統(tǒng)能瞬時(shí)響應(yīng)；當(dāng)過電壓入侵造成斷路器斷口絕緣擊穿時(shí)，圖2所示系統(tǒng)經(jīng)延時(shí)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(shí)現(xiàn)的監(jiān)測系統(tǒng)與失靈保護(hù)的跳閘回路配合使用時(shí)，可以在發(fā)生斷路器絕緣故障時(shí)快速切除故障，避免長時(shí)間切除故障帶來的危害。