高压断路器防跳与继电保护的配合

宁波市海曙巨龙电气厂 联系电话： 4008-549-837 传真：高压断路器防跳与继电保护的配合 【摘要】断路器防跳技术分为断路器内部防跳 (增加防跳单元 )和外附操作箱防跳两种。如今采用弹簧或永磁操动机构的断路器分合闸触发时间一般在 50ms 以内，已没有必要考虑分合闸控制的保持问题。操作箱的监测功能大多与继电保护装置重复，其主要功能仅剩下防跳。相比之下，断路器生产厂商配置的防跳单元更简单、可靠。因此，对于新改建项目，可不必再外附防跳操作箱。两种防跳技术并存时，断路器合闸一次后第二次不能合闸是分闸指示灯提供旁路电源给防跳继电器所致，两种防跳装置之间没有任何冲突，对电路进 行简单改动即可解决这一问题。 关键词 高压断路器 继电保护 控制电路 产品 发展 1 断路器防跳的作用 所谓断路器的防跳，就是设置专门的防跳回路，对断路器合闸回路中出现的异常电压进行监测和控制，使断路器正常分闸或保护跳闸后不会非正常合闸，从而避免事故的发生。 早期的断路器生产厂商一般不考虑断路器的防跳问题，防跳问题均由继电保护设计者采用分立器件组成防跳回路，对断路器进行防跳。如今国内生产的断路器一般均自带防跳回路，成套设备的电气控制可不必再外附防跳装置。 但由于我国的电气技术规 范沿用了计划经济体制下的模式，成套电器的设计一般是以微机继保为核心器件配置二次控制及保护回路，所以在我国电气技术中，断路器防跳措施可分为两种：一是通过断路器生产厂商安装于断路器机构控制电路中的防跳单元进行防跳，二是通过继保生产厂商的操作箱防跳回路进行防跳。就两种防跳措施而言，由于使用配合过程中或多或少会出现相互矛盾或误区，其防跳性能各有优劣。 2 断路器内部防跳与外部附加防跳原理剖析 当今网内的断路器防跳技术 ， 可分为两种流派 。 一种是断路器生产派，其防跳的核心器件是在断路器控制回路中增加的防跳单元；另 一种是继电保护派，其防跳的核心器件是防跳操作箱。 笔者收集了数十种断路器及操作箱的控制电路原理图，分析其防跳原理，选择出两种图例来加以 剖析。 2. 1 断路器防跳原理剖析 断路器的防跳原理主要以 ABB的 VD4 断路器 、 Compass、 PassM0 组合电器，以及国产 VS1、 LW59-252、 LW8断路器合闸控制电路为例进行分析说明。 图 1 为国产 VS1 断路器合闸回路，其合闸控制及防跳回路与 ABB的 VD4 断路器基本一致。 防 跳原理是：外部控制电源操动断路器合闸后，电源从端子 4 及 14 引 入 ，断路器 QF 的辅助常开触点 闭合，启动防跳继电器 K0， K0 触点切换至自保持并切断合闸电路。如果外部控制电源消失， K0 失电返回，重新接通合闸电路的前端通路。若控制回路中出现了异常电压， KO 就不会返回，合闸电路的前端通路被切断，断路器就不能再次合闸，从而解决了断路器的防跳问题。 图 2 为 ABB Compass.、 PassM0 组合电器控制箱的断路器合闸回路，外部控制电源从 - 1： 17、 -X1： 15 引 入 。分析其防跳动作情况，与 VD4.、 VS1 断路器的防跳原理完全一致，也是利用防跳继 电器监测回路电压来切断或开放合闸回路的前端通路。 通过对以 上几种断路器防跳回路的分析可知，其防跳思路均如出一辙，都是在断路器合闸电路上并联一个防跳继电器：，由于防跳回路与合闸线圈之间是并联关系、 也 将其称为并联型防跳。防跳继电器起到防跳和保护两个作用。防跳作用：当合闸控制回路中出现异常电压时，防跳继电器切断合闸回路的前端通路、防止断路器跳闸后再次合闸。保护作用：断路器合闸后、控制电压消失前，防跳继电器动作，断开合闸回路 。 2. 2 外部操作箱防跳原理剖析 外部附加防跳主要以继电保护装置生产厂商开发的三相继电器操作箱为出口器件，利用操作箱内的防跳回路进行防跳。 国内各继保厂商生产的操作箱有数十种、其防跳原理大同小异。本文列举两种有代表性的操作箱来分析其防跳原理。 图 3 为南瑞继保 CZX-12 系列继电器操作箱分合闸回路，分析其分合闸及防跳回路，主要由以下三部分组成。 第一部分是分合闸位置监测回路，由继电器 TWJ、 TBJ 和 和发光二极管组成，作用是指示断路器分合闸位置及向测控装置发出遥信开关信号。 第二部分是分合闸自保持及防跳回路，由继电器 HBJ、 TBJ 和 TBJV 组成。合闸自保持原理：当断路器合闸时， 宁波市海曙巨龙电气厂 联系电话： 4008-549-837 传真：HBJ 的电流线圈与断路器合闸线圈一起串联通电，其 常开触点闭合自保持，再次接通控制电源正极；通过 HBJ 电流线圈对断路器合闸线圈提供持续电源，直至断路器合闸后辅助常闭触点断开，切断合闸线圈电源通路， HBJ 断流返回，从而起到合闸自保持作用。分闸自保持原理：当断路器分闸时， TBJ 的电流线圈与断路器分闸线圈一起串联通电，其常开触点闭合自保持，再次接通控制电源 正 极、直至断路器分闸后辅助常 开 触点断片分闸线圈电源通路， TBJ 断流返回。防跳原理 ：断路器分闸时， TBJ 动 作 ，其 串接于 合闸 回 路中的常闭触点断 开 ，闭锁了断路器合 闸回 路；同时， 其常开触点 闭合， TBJV得电；如果合闸 回 路前端 有异 常电 压 存在， TBJ V动 作自 保持、持续 闭锁合 闸 回 路，防 止 断路器跳闸 后再次 合闸 。 第 三 部分 是 分合闸 与 保护分合闸分离 回 路， 由 继电器 KKJ 的两个独 立 线圈 KKJ1、 KKJ2 及 两个 二 极管组成，作用是将 手 动分合闸 与保护 分合闸的 入 口隔离，并通过 KKJl、 KKJ2 发出 手 动分合闸遥信开关信号。 图 4 为北京四方 FZ-11SN 三相操作箱分合闸回路，主要由以下几部分组成： (1)手动分合闸及位置监视回路：由继电器 SHJ、 STJ 及 HHJ 等组成，它实际上是一个分合闸中间环节，通过控制手合及手跳继电器 SHJ、 STJ，及其带延时的常开触点对断路器进行手动分合闸、合闸时， HHJ 的启动线圈 HHJ1 动作后机械自保持，其触点闭合作为手动合闸位置信号 。 手动分闸时， HHJ 的复位线圈 HHJ2 启动，对合闸位置进行复位 。 (2)分合闸自保持与防跳。由继电器 HBJ、 TBJ 和 TBJV等器件组成，分合闸自保持及防跳原理与南瑞 (图 3)的原理完全相同，此处不 再 赘述 。 (3)保护分合闸 入 口回路。保护分合闸的控制出口 直 接接 入 分合闸回路，对断路器进行分合闸控制 。 通过对以上两种操作箱防跳回路的分析可以看出，各种操作箱结构虽有一定差异，但其防 跳思路是一脉相承的，都是采用两个电流启动、电压保持继电器进行防跳及分合闸自保持。由于防跳回路与合闸线圈之间是串联关系，也可将其称为串联型防跳 。 此种防跳回路是基于我国早期从前苏联引进的分离器件防跳技术，其防跳原理是：在断路器分闸时，串联于分闸回路中的跳闸闭锁继电器电流线圈启动，其常闭触点闭锁合闸回路。 3 断路器内部防跳与外部操作箱防跳的区别 3.1 结构与功能的区别 (1)断路器内部防跳。采用一个继电器，与断路器辅助常开触点串联后并联在断路器合闸电路上，对断路器合闸回路中出现的异常电压进行监测，防止非 正常误合闸。防跳继电器主要有两个作用：一是监测合闸回路中的异常电压，防止断路器跳闸后再次合闸；二是保护合闸线圈及继电保护装置的遥控出口继电器触点。 (2)外部操作箱防跳。一般是把我们国家二十世纪六七十年代广泛使用的防跳及监控回路进行小型化组合集成，操作箱 主 要 有 三个作用：一心 防 跳，一是保持 ，三是 出口过渡及运行位置状态 监测。 3.2 启动方式的区别 (1)断路 器 内部防跳 是短路器合闸后启动的，只要断路器合闸电路中存在异常电压，防跳继电器就动作，断开合闸电路的前端通路。所以，断路器防跳实在断路器跳闸 前防止，是一种预防措施。 (2)操作箱防 跳是在断路器跳闸时启动继电器来闭锁合闸 回 路，合闸同路提前闭锁的可靠性是利用继电器动作速度比触发、脱扣，跳闸过程快来保 证。 所以，操作箱防跳 是一 种跳 闸 闭锁合闸措施 。 简而言之， 断路器内部防跳是在断路器合闸后 就启 动，外附操作箱防跳是在断路器跳 闸 时 才启动。 3.3 性能比较 (1)异常电 压 的监测是在断路器合闸回路的最终出 口 上进行监测，检测范 围广， 防 跳性 能非常 可 靠 。 防跳回路只 用一个防跳继电器， 一 般不会增加断路器的成本，且结构简单、运行可 靠 ，具有较高的性价比 。 (2)操作箱是继电保护装置与断路器之间的 中间环节 ，是防跳、状态及 位置 监测，出 口 过渡等回路的组合，功能完善 ，但其结构比较复杂，成本较高，性价比较低 。 3.4 小结 当今的新型断路器产品，电磁操动机构已彻底淘汰，弹簧及 永磁 式操动机构的分合闸触发一般都在 50ms 内完成，根本没有必要考虑分合闸控制的保持问题。而且，加入分合闸控制保持回路还会产生负面作用 。 这是因为分合 闸控 制指令发出后，分合闸保持回路 自 保持，分合闸线圈的断开完全取决于 串入 线圈回路的断路器辅助触点 。 如果辅助触点因故障没有断开， 自 保持 回 路不会返回，就 会烧毁分合闸线圈。 此外，继电保护装置一般均具备控制回路监测及遥信功能，操作箱的许多功能与继电保护装置的附加功能重复 。 宁波市海曙巨龙电气厂 联系电话： 4008-549-837 传真：断路器分合闸 回 路可直接利 用控制回路监测功能来监测，运行位置状态可通过遥信监视，也可利用软件程序从控制回路监测信号中分离提取，现场分合闸位置监视采用指示灯更直观 。 如果将操作箱的功能进行一些必要优化，其三项主要功能 就可简 化成一项防跳功能 。 既然只用防跳功能、 那么 断路器内部的防跳回路就更显得先进、可靠、适用和经济了。 4 断路器内部防跳对外部监测电路的影响及对两种防跳相互冲突的认识误区 4.1 断路器内部防跳对外部监测电路的影响 继电保护装置对断路器分合闸回路进行监测是为了检测分合闸回路的通断，以便在综合自动化系统上反映出断路器的 工 作状态及分合闸线圈的完好情况，一般的 检 测方法是，采用光电隔离及附属元器件与断路器分合闸回路串联构成采样电路，对分合闸回路的通断进行采样、检测。图 5 为断路器分合闸回路监测电路示意图。 继电保护装置一般都是用三个引脚来完成控制回路监测，其中一个接控制电源，一个监测合闸回路，另外一个监测分闸回路 。 分析监测原理，分闸回路及断路器分闸状态下的合闸回路监测均能正常 采样，但断路器合闸后的采样结果与断路器的运行状态不一致。这是因为断路器合闸后，与防跳继电器线圈 KO 串联的断路器辅助触点 QF 闭合、将KO 并接于断路器的合闸回路上，合闸回路监测电路通过辅助常开触点 QF 及 KO 至电源负伋形成通路，相当于在断路器合闸回路上附加了一个旁路 。 所以，在断路器合闸后，合闸回路监测电路通过旁路形成负端通路，采样结果按断路器合闸回路还处于接通状态处理。这就是监测电路不能正常反映合闸回路状态的问题所在。 4.2 对两种防跳相互冲突的认识误区 在实际使用中，若断路器内部及外部两种防跳装置并存， 在现场调试时、有时就会出现断路器合闸一次后第二次就不能合闸的现象 。 继保厂商的现场调试 人 员一般都误认为是两种防跳装置存在冲突。于是，就拆除断路器内部的防跳装置。 从上面对断路器及操作箱各自的防跳原理分析可知，虽然防跳原理有所差异，但绝对不会相互冲突，出现断路器只能合闸一次的原因是由于一般的成套开关设备的二次回路均设置有现场分合闸指示灯，分闸指示灯有作为断路器的分闸位置指示和监视断路器合闸回路的通断两个作用。分闸指示灯的一端接电源，另一端一般接 入 断路器的合闸回路中、监视合闸线圈。在断路器合闸后、控制电压 消失前，防跳继电器启动自保持，其线圈与指示灯电气连接。控制电压消失后，指示灯会给防跳继电器提供另外一条电源通路，使指示灯与防跳继电器的 线圈构成一个分压电路 (如图 6 所示 )，线圈上的电压为 UR/(Ro+Ro)。如果防跳继电器的释放电压较低，不大于URo/(Ro+Ro)，就会释放不了，出现断路器合闸回路不能恢复的问题，从而导致合闸一次后第二次不能合闸的现象。所以，第二次不能合闸是由分闸指示灯造成的，并非是由两种防跳装置相互冲突造成的。这就是两种防跳装置并存时，许多 入 认为“两种防跳会相互产生冲突”的认识误区。 4. 3 解决方法 在断路器分合闸回路监测中分闸状态下只需监测合闸回路，合闸状态下只需监测分闸回路。因此，可采用以下方法进行解决，且方法非常简单。既然是指示灯影响防跳继电器释放及防跳继电器影响合闸回路监测，可将这两部分的电路与断路器合闸回路的连接端从原电路中分离，将其相互连接后串 入 断路器 QF 的一个辅助常闭触点，再回到断路器合闸回路中，如图 7 所示。 在断路器合闸后，合闸回路监测及分闸指示灯被断路器常闭触点隔离，合闸回路监测就能正常反映合闸状态，指示灯也不会再向防跳继电器线圈提供电源通路。断路器分 闸后，其辅助常闭触点闭合，将监测电路及指示灯与合闸回路连通，使其正常监测及指示断路器合闸同路状态，此方法 笔者已 在多个工程设计中使用，监测及控制绝对可 靠 ， 且不会增加任何成本。 5 分工合作与规范接口建议 在电力系统中，断路器属一次器件，继电保护装置属二次器件，操作箱是继电保护装置与断路器之间的一个中间环节。断路器与继电保护装置生产厂商有必要进行一些社会化分工故 ， 笔者提出以下建议。 5. 1 分工建议 就断路器的控制而言， 像 操作箱这样的中间环节应该下放给断路器生产厂商来完成，继电保护装置生产厂商应以继 电保护单元为主。因现代断路器般都配置有操作箱，所采用的控制、防跳等技术均是近年来从一些发达国家引进的先进技术，结构简单、控制可靠。断路器操作箱具有较大的安装空间，控制器件易于敷设，可配置较大容量的控制器 宁波市海曙巨龙电气厂 联系电话： 4008-549-837 传真：件。同时，断路器附加操作箱制造成本较低， 像 防跳单元所增加的成本对断路器而言是可以忽略不计的。 5.2 合作建议 使用断路器操作箱后，可取消外附的各种 三相 操作箱，断路器操作箱与继电保护装 置 之间建 立 规范的接口关系，相互之间均采用规范的接 扣 可缩 短 与发达国家普遍采用的 IEC61850 标准之间的 差 距。采用 IEC61850 与否并非只是采用“非常规”器件与通信协议的区别，其核心在于“同一个世界、一种技术、一种标准，提倡即插即用”。所以，两者之间的合作，其核心问题是要建立广义的规范接口。 5.3 断路器防跳单元改进建议 对断路器生产厂商提出三点改进建议： 一是改进内部防跳单元的接线； 一是校核防跳继电器的触点容量，确保能可靠断开断路器合闸回路； 三是给防跳继电器增加一个常开触点并从接口引出，以便于继电保护装置对合闸回路出现的异常电压进行遥信。当合闸回路出现异常电压时，能及时在综合自动化后台上报警，使故障消灭在萌芽状 态。 5.4 继电保护装置发展建议 分析各种型号继电保护装置的内部结构，基本 上是 将我 国 过去的 一套 分离元件控制技术组合后 ， 利 用 中央微处理器进 行监测 处理 。 接口规范一般采 用 ICE60870 标准 ，且接口排列及控制方式离散性非常大，相 互 之间基本无互换性。与发达国家 普遍 使用 IEC61850