張海棟，張朋飛，張 璐

(國網(wǎng)南陽供電公司，河南 南陽 473000)

1 斷路器防跳的作用

斷路器作為電力系統(tǒng)里重要的開關(guān)電氣設(shè)備，其動作的可靠性對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有著至關(guān)重要的影響。防跳機(jī)構(gòu)是斷路器操作機(jī)構(gòu)的重要組成部分，其主要作用是防止斷路器發(fā)生“跳躍”現(xiàn)象，進(jìn)而損壞斷路器。所謂“跳躍”是指開關(guān)合閘回路的遙合或手合觸點由于粘連等原因，造成合閘輸出回路一直有電壓，當(dāng)開關(guān)因故障跳開后，會馬上合上，保護(hù)動作于開關(guān)會再次跳開，由于一直加有合閘電壓，開關(guān)又會再次合上。故對此現(xiàn)象，通俗的稱之為“開關(guān)跳躍”。一旦發(fā)生跳躍，輕則會導(dǎo)致開關(guān)損壞，嚴(yán)重的時候還可能會造成開關(guān)爆炸。

早期的斷路器生產(chǎn)商一般不考慮斷路器本體機(jī)構(gòu)的防跳問題，而是通過繼電保護(hù)廠商生產(chǎn)的操作箱防跳回路來進(jìn)行防跳。當(dāng)今的斷路器防跳技術(shù)一般可分為兩種:一種是斷路器本體機(jī)構(gòu)的防跳，其核心元件是防跳繼電器，對合閘回路最終出口電壓進(jìn)行檢測，若有異常電壓立即斷開合閘回路，結(jié)構(gòu)簡單運行可靠，具有較高的性價比;另一種是繼電保護(hù)廠商生產(chǎn)的操作箱防跳，其不僅具有防跳功能，而且還具有位置檢測、保持等功能，這種防跳操作箱功能完善，但是成本較高，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

2 傳統(tǒng)斷路器開關(guān)機(jī)構(gòu)與保護(hù)裝置配合問題

2.1 斷路器本體機(jī)構(gòu)防跳原理

斷路器本體機(jī)構(gòu)的防跳原理很簡單，基本上都是在其合閘回路上并聯(lián)一個防跳繼電器，通常稱之為并聯(lián)性防跳。下面以ZN-12(VSI)型斷路器來具體說明其防跳原理。

圖1 斷路器本體機(jī)構(gòu)防跳原理圖

圖1 中K 是開關(guān)機(jī)構(gòu)的防跳繼電器，DL 分別是開關(guān)機(jī)構(gòu)斷路器的常開輔助觸點和常閉輔助觸點。當(dāng)斷路器合閘后，DL 常開觸點閉合，啟動防跳繼電器K，K 線圈開始勵磁，K 輔助觸點從(2)處斷開，與(1)支路接通，從而切斷了合閘回路。當(dāng)合閘脈沖消失后，K 繼電器失電返回，若回路中有異常電壓則K就不會返回，此時合閘回路就會被切斷，若此時斷路器重合于永久性故障，則跳閘后就不會再次合閘。通過對斷路器本體機(jī)構(gòu)的原理分析可知，防跳繼電器有保護(hù)和防跳兩個作用。當(dāng)合閘控制回路出現(xiàn)異常電壓時，切斷合閘回路，防止跳閘后再次合閘，這就是斷路器的防跳作用。當(dāng)合閘后，合閘脈沖消失前，由于防跳繼電器實現(xiàn)了自保持，斷開了合閘回路，這是斷路器的保護(hù)作用。

2.2 保護(hù)裝置的防跳原理

保護(hù)裝置的防跳功能一般是由操作箱三相繼電器為出口元件，利用操作箱的防跳回路進(jìn)行防跳，是保護(hù)裝置和斷路器的中間環(huán)節(jié)。這里以南瑞繼保公司的RCS-9611C 保護(hù)操作箱原理為例來說明防跳原理。

圖2 保護(hù)裝置的防跳回路

圖2 中TWJ 是跳位監(jiān)視繼電器，HBJ 是合閘保持繼電器，TBJ 是跳閘保持繼電器，TBJV 是防跳繼電器，HQ 是合閘線圈，TQ 是跳閘線圈，DL 是斷路器輔助觸點。其防跳原理為:當(dāng)斷路器合閘后，若出現(xiàn)故障，此時保護(hù)動作BTJ(保護(hù)跳閘出口繼電器)常開觸點閉合，接通跳閘回路。當(dāng)重合于永久性故障并且此時合閘脈沖沒有消失或者合閘觸點HBJ 發(fā)生粘連時，TBJ 常開觸點會閉合，使得防跳繼電器TBJV的線圈勵磁，其常閉觸點斷開，斷開合閘回路，使斷路器不能再一次合閘，從而實現(xiàn)防跳功能。與斷路器本體機(jī)構(gòu)防跳不同的是，操作箱防跳是通過在斷路器跳閘時啟動防跳繼電器來斷開合閘回路，屬于跳閘閉鎖合閘措施，其合閘線圈和防跳回路是串聯(lián)相接，故稱之為串聯(lián)型防跳。

2.3 斷路器本體機(jī)構(gòu)與保護(hù)裝置配合原理分析

在變電站現(xiàn)場工作中，同時保留斷路器本體機(jī)構(gòu)與保護(hù)裝置的防跳功能。工作人員在控制斷路器時發(fā)現(xiàn)，在給出一個持續(xù)合閘指令的同時，給出一個分閘指令，斷路器會在分閘后再次合閘，并且合閘后合位指示燈和跳位指示燈都會點亮，且跳位指示燈較平常變暗。分析原因后發(fā)現(xiàn)是由于斷路器本體機(jī)構(gòu)與保護(hù)裝置操作回路配合出現(xiàn)了寄生回路，其原理如圖3 所示。

圖3 斷路器本體機(jī)構(gòu)與保護(hù)裝置配合回路圖

由回路圖分析，正常情況下開關(guān)在分位，當(dāng)斷路器合閘時，HBJ 常開觸點閉合，儲能電機(jī)輔助觸點S1閉合。此時控制電源+110V 通過HBJ—TBJV—K—斷路器本體機(jī)構(gòu)(2)支路—DL 常閉觸點—S2—HQ合閘線圈—-110 V 電源構(gòu)成合閘回路。當(dāng)開關(guān)合閘后，DL 常開觸點閉合，DL 常閉觸點打開，啟動防跳繼電器K，此時K 線圈開始勵磁，K 輔助觸點從(2)處斷開，與(1)支路接通。此時控制電源+110 V通過綠燈—TWJ—K—斷路器本體機(jī)構(gòu)(1)支路—R—K 線圈—-110V 控制電源構(gòu)成一條寄生回路。在此寄生回路上，元件參數(shù)選擇不當(dāng)時會使這條回路導(dǎo)通，這時就會出現(xiàn)“合閘后跳位燈和合位燈都點亮”的情況，同時由于TWJ、R 和K 的阻值大于HBJ和HQ 的阻值，進(jìn)而造成跳位指示燈較平常變暗。另外，DL 常開觸點閉合，機(jī)構(gòu)防跳繼電器K 會一直勵磁，K 輔助觸點從(2)處斷開，與(1)支路接通，切斷了合閘回路，產(chǎn)生開關(guān)分閘后不能再次合閘的現(xiàn)象。針對這種缺陷，在現(xiàn)場的保護(hù)工作中提出了一種解決辦法，在合閘監(jiān)視回路中串入DL 常閉觸點，能有效地防止“合閘后跳位指示燈和合位指示燈都點亮”的現(xiàn)象的發(fā)生。因為當(dāng)斷路器合閘時，DL 常閉觸點斷開，DL 常開觸點閉合，此時會使寄生回路斷開，從而解決綠燈亮的問題。除了在合閘回路中串聯(lián)一個DL 常閉觸點外，再傳入防跳繼電器K 的常閉觸點，然后TWJ 線圈負(fù)接至-110 V 控制電源中，此時開關(guān)分閘后不能合閘的現(xiàn)象得到了完美的解決。

3 永磁機(jī)構(gòu)的相控單元與保護(hù)配合問題

3.1 永磁操作機(jī)構(gòu)的特點

斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的設(shè)備，其可靠性對輸配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有著至關(guān)重要的作用。操作機(jī)構(gòu)作為斷路器的核心部分，是斷路器工作的驅(qū)動裝置，按其工作原理可分為彈簧操動機(jī)構(gòu)、液壓操動機(jī)構(gòu)、氣動操動機(jī)構(gòu)、電磁操動機(jī)構(gòu)、永磁操動機(jī)構(gòu)等。永磁操動機(jī)構(gòu)是一種用于高壓真空斷路器永磁保持、電磁控制的操作機(jī)構(gòu)，是一種全新的工作原理和結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)操動機(jī)構(gòu)相比，具有主要部件少，沒有機(jī)械脫扣鎖扣裝置，從而故障點少，使用壽命長，可靠性高，非常適于操作頻繁及可靠性要求比較高的變電站等場所應(yīng)用。永磁機(jī)構(gòu)克服了傳統(tǒng)彈簧機(jī)構(gòu)、液壓操動機(jī)構(gòu)、氣動操動機(jī)構(gòu)、電磁機(jī)構(gòu)的不足，同時通過永磁材料實現(xiàn)真空斷路器合、分閘位置的保持及操作，從而達(dá)到了頻繁操作和惡劣環(huán)境工作場所的穩(wěn)定操作、可靠操作。其有以下主要性能特點。

(1)沒有機(jī)械脫扣、鎖扣裝置，零部件數(shù)量大大減少，故障率低，便于維護(hù)。

(2)同時控制合分閘相位，實現(xiàn)同步控制，進(jìn)而減少過電壓和涌流對系統(tǒng)的影響，提高了斷路器開關(guān)的整體壽命。

(3)采用可靠性高的單穩(wěn)態(tài)(或雙穩(wěn)態(tài))操作機(jī)構(gòu)設(shè)計。通過合閘控制線圈產(chǎn)生的電磁力控制合閘操作，合閘采用永磁保持。

(4)低操作功率。永久磁鐵與分合閘線圈相結(jié)合，很好地解決了合閘時需要大功率能量的問題。

(5)具有體積小、成本低、操作能耗小、噪音低、少維護(hù)等特點，更能適應(yīng)頻繁操作與惡劣環(huán)境等工作場所。

3.2 永磁機(jī)構(gòu)的相控單元與保護(hù)配合原理

110 kV 孔明變電站10 kV 孔容一1 開關(guān)采用德國特瑞德公司生產(chǎn)的ISM/TEL12-23/1250-114C 單穩(wěn)態(tài)分相斷路器和北京華電科能公司生產(chǎn)的PCU100 高壓相控裝置。PCU100 高壓相控裝置通過精確預(yù)判斷路器合分閘時刻，以一個提前量啟動斷路器的合閘和分閘，進(jìn)而實現(xiàn)成套開關(guān)裝置在電壓過零點時投入電容器組，沖擊電流幅值小(小于2 倍額定峰值電流)，并通過選相切除電容器組，有效防止了斷路器滅弧時電弧的重燃，降低了過電壓水平。兩種機(jī)構(gòu)防跳配合的接線圖如圖4 所示。

圖4 永磁機(jī)構(gòu)的相控單元與保護(hù)配合

由圖4 分析其防跳回路和分閘合閘回路，發(fā)現(xiàn)主要由三部分組成。第一部分是分合閘監(jiān)視回路，主要由繼電器HWJ(合位監(jiān)視繼電器)、TWJ(跳位監(jiān)視繼電器)和發(fā)光二極管組成。合閘檢測回路和分閘監(jiān)視回路導(dǎo)通，使相應(yīng)的二極管發(fā)光，從而實現(xiàn)指示斷路器合分閘位置和向測控裝置發(fā)出開關(guān)位置遙信的作用。第二部分是合分閘自保持和防跳回路，其核心元件是TWJ、HWJ、TBJV(防跳)繼電器。當(dāng)斷路器合閘時，HBJ 的電流線圈得電，其常開輔助觸點閉合，通過HBJ 線圈為斷路器合閘線圈提供電源。斷路器合閘后其常閉輔助接點斷開切斷合閘回路，HBJ 斷流返回，從而起到合閘自保持作用。當(dāng)斷路器分閘時，斷路器分閘線圈與TBJ 線圈串聯(lián)通電，其常開輔助觸點閉合，通過TBJ 線圈對斷路器分閘線圈提供持續(xù)電源。斷路器分閘后其常閉輔助觸點斷開，切斷分閘回路，TBJ 斷流返回，從而起到分閘自保持的作用。防跳回路:當(dāng)斷路器分閘時，TBJ 動作，此時其串聯(lián)于合閘回路常閉觸點斷開，切斷合閘回路;串聯(lián)于防跳回路中的常開觸點閉合，接通TBJV 繼電器，使TBJV 帶電實現(xiàn)自保持，持續(xù)閉鎖合閘回路，若此時重合于永久性故障，則斷路器跳閘后不會再次合閘。第三部分是通過保護(hù)合分閘入口回路，對斷路器進(jìn)行合分閘控制。

3.3 永磁機(jī)構(gòu)的相控單元與保護(hù)配合引發(fā)的問題

與傳統(tǒng)的電磁操動機(jī)構(gòu)相比，永磁式操動機(jī)構(gòu)的合分閘觸發(fā)通常都在50 ms 以內(nèi)，因此合分閘控制的保持問題就不需要再考慮。這是因為如果串聯(lián)于線圈回路中的輔助觸點發(fā)生粘連，合分閘回路指令發(fā)出后，合分閘保持回路的自保持會因為其觸點粘連不返回，此時若重合于永久性故障，斷路器就會不斷重復(fù)跳閘、合閘的動作，進(jìn)而燒毀分合閘線圈。

當(dāng)這兩種防跳裝置并存時，有時會發(fā)生沖突，從而出現(xiàn)斷路器合閘后不能再次合閘的現(xiàn)象。在現(xiàn)場工作中，通過對永磁操作機(jī)構(gòu)斷路器防跳回路和繼電保護(hù)裝置的防跳回路分析可知，斷路器只能合閘一次是因為永磁操作機(jī)構(gòu)的斷路器防跳回路中合分閘指示燈的存在產(chǎn)生了寄生回路。分閘指示燈串聯(lián)接入斷路器的合閘回路中起監(jiān)視斷路器合閘回路通斷的作用。在斷路器合閘后，合閘脈沖消失前，防跳繼電器得電勵磁，其線圈與分閘指示燈相連。當(dāng)合閘控制電壓消失后，分閘指示燈會與防跳繼電器線圈構(gòu)成一個分壓電路。如果元件的參數(shù)匹配不好，防跳繼電器釋放電壓過低，此時就會出現(xiàn)防跳繼電器不返回自保持的情況，從而一直斷開合閘回路，出現(xiàn)合閘后不能再次合閘的現(xiàn)象。針對兩種防跳配合產(chǎn)生的問題提出了一種解決辦法，考慮到在合分閘監(jiān)視回路中，合閘狀態(tài)監(jiān)視分閘回路，分閘狀態(tài)監(jiān)視合閘回路，把合閘監(jiān)視回路和分閘狀態(tài)指示燈從原電路中分離出來，串入斷路器的一個常閉輔助觸點后再與斷路器合閘回路相連，這時斷路器輔助觸點就會將合閘回路監(jiān)視與分閘指示燈隔離，監(jiān)視回路的正電源就不能通過指示燈向防跳繼電器提供電源通路，從而解決了該問題。

4 結(jié)論

(1)永磁操動機(jī)構(gòu)作為一種用于高壓真空斷路器永磁保持、電磁控制的操作機(jī)構(gòu)，其在動作元件和零部件數(shù)目顯著減少的情況下，可靠性仍大大提高，值得推廣應(yīng)用，尤其適用于頻繁操作及可靠性要求比較高的變電站等場所。

(2)與傳統(tǒng)的電磁操動機(jī)構(gòu)相比，永磁式操動機(jī)構(gòu)的合分閘觸發(fā)一般都在50 ms 以內(nèi)，因此沒有必要考慮合分閘控制的保持問題。繼電保護(hù)裝置與操作箱控制回路監(jiān)視功能和遙信功能會重復(fù)，因此可對操作箱功能進(jìn)行優(yōu)化，只考慮其防跳功能，其它功能由繼電保護(hù)裝置實現(xiàn)，這樣就能保證防跳回路的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。

(3)永磁機(jī)構(gòu)開關(guān)斷路器和繼電保護(hù)裝置可以有一定的分工合作。在分工方面，永磁開關(guān)機(jī)構(gòu)斷路器的控制、防跳技術(shù)已經(jīng)非常成熟，結(jié)構(gòu)簡單、控制可靠，繼電保護(hù)的操作箱可由斷路器生產(chǎn)廠商完成，這樣可以充分利用斷路器機(jī)構(gòu)箱的大空間。在合作方面，永磁開關(guān)機(jī)構(gòu)斷路器本身的穩(wěn)定與可靠性，已能夠滿足防跳上的需求，因此可以取消保護(hù)裝置外附的操作箱，直接在斷路器操作箱和繼電保護(hù)裝置之間建立可靠規(guī)范的聯(lián)系。

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