張惠山

(國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，河北 石家莊 050071)

0 引言

線路故障斷路器跳閘后重合失敗是影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要事故。依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)2010—2015年間220 kV及以上電網(wǎng)斷路器重合失敗的故障中因合閘控制回路斷線而引起重合失敗的事故占比達(dá)10 %，近年來類似事故每年均有發(fā)生。而合閘控制回路斷線事故幾乎均是由于合閘控制回路因SF6壓力閉鎖繼電器觸點、儲能壓力觸點銹蝕或其他控制回路串接的觸點接觸不良造成。同時，斷路器正常合閘狀態(tài)運行時，合閘控制回路處于斷線狀態(tài)的情況無法得到有效監(jiān)視而持續(xù)存在，從而導(dǎo)致線路跳閘后重合失敗的事故發(fā)生。

1 斷路控制回路主要功能

依據(jù)當(dāng)前斷路器控制回路的設(shè)計原理，當(dāng)前各類斷路器控制回路的監(jiān)視功能是通過斷路器的操作繼電器箱的HWJ (合閘位置繼電器)與TWJ (跳閘位置繼電器)接入控制回路實現(xiàn)的。其主要功能作用有2個方面：一是向保護(hù)、測控等二次設(shè)備提供斷路器位置狀態(tài)的指示信息；二是對斷路器控制回路完好性的監(jiān)視功能。

(1) 分閘控制回路當(dāng)中接入HWJ。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時，該繼電器失磁。而斷路器處于合閘狀態(tài)時，該繼電器勵磁，故僅能監(jiān)視分閘控制回路狀態(tài)及提供反應(yīng)斷路器狀態(tài)，合閘控制回路不能得到監(jiān)視。

(2) 合閘控制回路中接入TWJ。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時，該繼電器勵磁，當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時，該繼電器失磁。故起到僅能監(jiān)視合閘控制回路狀態(tài)及提供反應(yīng)斷路器狀態(tài)，而分閘控制回路狀態(tài)不能得到監(jiān)視。

無論在斷路器處于何種狀態(tài)，正常情況下TWJ與HWJ只能一個勵磁，另一個失磁。若2個均失磁，則表示控制回路發(fā)生斷線。因此，無論斷路器處于何種狀態(tài)，分閘、合閘控制回路均不能實現(xiàn)全工況監(jiān)視。對事故進(jìn)行引申分析，若斷路器處于分閘狀態(tài)且分閘控制回路處于斷線狀態(tài)，當(dāng)手動合閘或者處于熱備用的斷路器備自投合閘合于故障線路時，將會出現(xiàn)斷路器拒跳的嚴(yán)重電網(wǎng)事故，因此，該類問題是一個亟待解決的實際應(yīng)用問題。

當(dāng)前相關(guān)文獻(xiàn)[1-3]多是對控制回路發(fā)生斷線后的原因進(jìn)行分析并提出相關(guān)改進(jìn)措施，但均未涉及當(dāng)斷路器合閘運行狀態(tài)時，合閘控制回路發(fā)生斷線而無法向監(jiān)控系統(tǒng)后臺提供告警信息的設(shè)計原理方面的問題。文獻(xiàn)[3]所描述的開關(guān)控制回路自診斷裝置是在控制回路的固定點安裝電位檢測裝置，若電位出現(xiàn)異常，則發(fā)出告警信息。該方案可以實現(xiàn)斷路器合閘運行時，合閘控制回路的監(jiān)視功能。但其缺點如下。

(1) 需要加裝專門儀器完成相應(yīng)功能，成本增加，運行維護(hù)復(fù)雜，可靠性較差。

(2) 當(dāng)開關(guān)完成操作后，需要增加輔助回路或者人工設(shè)定，使儀器感知斷路器狀態(tài)的改變。因斷路器不同的運行狀態(tài)，其指示電位將存在差異，儀器依靠電位檢測原理，故無法準(zhǔn)確感知電位的變化系“斷線”故障引起還是因斷路器運行狀態(tài)的改變。

(3) 僅能監(jiān)視確定地點的部分控制回路的連通性，監(jiān)視的全面性受到限制。

基于改進(jìn)設(shè)計思路實現(xiàn)全工況監(jiān)視的功能，可以克服加裝輔助監(jiān)視設(shè)備實現(xiàn)其監(jiān)視的功能的不足，因此，研究的主旨是對當(dāng)前整個斷路器控制回路的設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的主要目標(biāo)就是在不應(yīng)改變HWJ及TWJ繼電器的原有監(jiān)視功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)當(dāng)斷路器處于合閘運行狀態(tài)時，增加其合閘控制回路完好性的監(jiān)視；反之，當(dāng)斷路器處于分閘運行狀態(tài)時，增加對其分閘控制回路的完好性的監(jiān)視，即構(gòu)成具備全工況監(jiān)視功能的斷路器控制回路。

2 斷路器控制回路優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)

斷路器控制回路的監(jiān)視主要是通過操作箱的分相(三相)合、分閘回路再串接斷路器操作機(jī)構(gòu)的輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換觸點(以下簡稱輔助觸點)、遠(yuǎn)方/就地操作把手轉(zhuǎn)換觸點及部分閉鎖繼電器觸點構(gòu)成閉合回路來實現(xiàn)的，其斷路器控制回路如圖1所示。圖中虛線部分代表斷路器操作機(jī)構(gòu)控制回路，43RL為斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)遠(yuǎn)方/就地轉(zhuǎn)換操作把手、JBS代表各類氣體壓力閉鎖操作繼電器、QF1為斷路器常閉輔助觸點、QF2 (QF3)為斷路器常開輔助觸點。當(dāng)整個回路的正、負(fù)控制電源接通時，回路中串接的TWJ (HWJ)會勵磁，若電路中間有觸點接觸不良而出現(xiàn)“斷路”，繼電器會失磁。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)點1

這個控制回路設(shè)計理念如下：斷路器機(jī)構(gòu)內(nèi)控制回路需要且必須串接QF1 (QF2)。原因是在斷路器合閘(分閘)完成的瞬間，整個斷路器控制回路將會瞬間流過高達(dá)數(shù)安的操作電流，在該大電流的作用下，斷路器分、合閘線圈將會獲得足夠的電磁能量完成操作，操作完成后其所剩余的電磁能量會瞬間釋放并產(chǎn)生暫態(tài)高壓。而斷路器輔助開關(guān)轉(zhuǎn)換觸點具備耐高壓、滅弧、連通或斷路的作用。斷路器輔助觸點具備滅弧能力，繼電器的動作觸點不具備該項能力。若整個回路依靠操作繼電器箱的繼電器觸點斷弧，則易燒毀繼電器。然而依據(jù)這樣的控制回路設(shè)計思路，整個合閘控制監(jiān)視回路或分閘控制監(jiān)視回路當(dāng)斷路器處于不同的狀態(tài)必然是一個連通、一個斷開，二者是互斥的。解決這種互斥的作用，即設(shè)計出分、合閘控制回路，無論斷路器處于何種狀態(tài)時，兩個回路均處于連通狀態(tài)，如此便可具備全工況監(jiān)視的功能。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)點2

進(jìn)一步對圖1分析，當(dāng)保護(hù)、測控設(shè)備發(fā)出命令對斷路器進(jìn)行操作時，操作的過程本身需要斷路器輔助觸點進(jìn)行“斷路”。若要實現(xiàn)全工況監(jiān)視，則要求本應(yīng)切斷的電路再次“連通”，原有的操作將失去意義。整個斷路器的操作回路包括較多感性儲能元件，其所儲存的電磁能量在初始被“斷路”后立即又發(fā)生連通的過程中，可能會使原有控制回路的電流方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，造成寄生回路的情況發(fā)生。同時，依靠輔助觸點的滅弧過程瞬間又再次被導(dǎo)通，將會使其失去滅弧的作用，由此造成的后果將會使本應(yīng)瞬間完成的斷路器操作過程將處于持續(xù)的動作狀態(tài)，無法可靠完成。因此，保證正常的斷路器分、合閘回路在操作過程中其相關(guān)控制回路能夠?qū)崿F(xiàn)明顯的“斷路”，不會出現(xiàn)異常，在此瞬態(tài)操作過程完成之后再將原有切斷的回路導(dǎo)通，就可以起到繼續(xù)監(jiān)視的作用，從而達(dá)到全工況監(jiān)視的目的。

圖1 斷路器控制回路

3 原理與實現(xiàn)方案

3.1 聯(lián)動輔助觸點功能要求

依據(jù)技術(shù)要點可增加具有延時特性且與斷路器輔助觸點具有聯(lián)動特性，且與聯(lián)動斷路器輔助觸點類型相反的觸點來實現(xiàn)斷路器控制回路全工況監(jiān)視功能。此點包含3層含義。

(1) 與原有的控制回路的斷路器輔助觸點具有聯(lián)動特性。聯(lián)動特性確保與斷路器輔助觸點的變化過程時刻對應(yīng)。

(2) 類型相反意味與原有常開(常閉)的輔助觸點對應(yīng)的為常閉(常開)型觸點。

(3) 延時特性。若具備了延時特性，可以使在原控制回路可靠完成“斷路”后，確保原有電路的電感元件能量完全釋放完畢后，將已切斷的“回路”再實現(xiàn)連通。由此可見，聯(lián)動和延時特性可很好地解決全工況監(jiān)視功能的關(guān)鍵技術(shù)問題。此外，應(yīng)注意該聯(lián)動觸點其相應(yīng)的返回時間也同樣具備延時，與動作時的延時應(yīng)匹配。

3.2 延時特性聯(lián)動輔助觸點實現(xiàn)方案

3.2.1 拉伸彈簧方案

文獻(xiàn)[5-6]給出了采用扭轉(zhuǎn)彈簧實現(xiàn)延時的斷路器輔助觸點，可以借鑒，但應(yīng)改進(jìn)。文獻(xiàn)設(shè)計的是安裝于斷路器固有輔助開關(guān)本體上的扭轉(zhuǎn)彈簧。依據(jù)此彈簧，可對輔助觸點實現(xiàn)20～50 ms的延時。對于扭轉(zhuǎn)彈簧，通常情況下其延時低于1 s，不會有較長時限的延時。但拉伸彈簧具有很好的延時特性，能夠達(dá)數(shù)秒級，故可改進(jìn)為采用拉伸彈簧的設(shè)計思路。改進(jìn)后的具體設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 拉伸彈簧聯(lián)動示意

具備聯(lián)動特性的輔助開關(guān)固定于斷路器機(jī)構(gòu)當(dāng)中，其兩側(cè)均安裝有拉伸彈簧。兩側(cè)的拉伸彈簧固定于輔助開關(guān)傳動連桿轉(zhuǎn)軸上，布置于轉(zhuǎn)軸的不同側(cè)面，斷路器操作完成后，一個彈簧處于拉伸態(tài)，另一恢復(fù)至初始態(tài)。處于拉伸態(tài)的彈簧將對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生力矩，使其旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)斷路器進(jìn)行分閘操作時，斷路器機(jī)構(gòu)傳動連桿帶動拉伸彈簧L1向上拉伸，L1受到拉伸，產(chǎn)生的力矩使聯(lián)動輔助開關(guān)順時針旋轉(zhuǎn)，此時常開觸點閉合，常閉觸點斷開。分閘操作完成后，拉伸彈簧L2處于初始不受力狀態(tài)。當(dāng)斷路器進(jìn)行合閘操作時，斷路器機(jī)構(gòu)傳動連桿帶動拉伸彈簧L2向下拉伸，聯(lián)動輔助觸點完成相應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。顯然，當(dāng)斷路器合閘操作完成后，拉伸彈簧L1處于初始不受力狀態(tài)，L2處于拉伸態(tài)，為下一次的分閘操作作準(zhǔn)備。依靠連桿拉動拉伸彈簧起到了輔助轉(zhuǎn)換開關(guān)的延時功能，且該延時觸點在閉合或斷開的過程中均具備延時的特性，能滿足全工況監(jiān)視對輔助開關(guān)觸點聯(lián)動與延時的性能要求。

3.2.2 時間繼電器方案

在斷路器的輔助開關(guān)連桿上加裝拉伸彈簧，固然可以獲得具備與原有輔助觸點聯(lián)動的且具有特定延時的聯(lián)動觸點，但需要一次設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的改變，故該方案具體實施較復(fù)雜。為避免此問題，可采取第二種實現(xiàn)方案：在控制回路中采用加裝具有延時動作特性時間繼電器的方法來獲得具備延時特性的聯(lián)動觸點。此方案僅改變相關(guān)的二次控制回路，一次設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)不做調(diào)整，實施簡便。但由于二次回路將會增加相應(yīng)元件和繼電器動作觸點，整個二次控制回路變得異常復(fù)雜，動作延時和返回特性均需要特別設(shè)計，其可靠性會降低，其整體性能劣于拉伸彈簧方案，故研究采用拉伸彈簧方案實現(xiàn)全工況監(jiān)視。

3.3 具備全工況監(jiān)視功能的斷路器控制回路設(shè)計

依據(jù)設(shè)計原理與拉伸彈簧實現(xiàn)聯(lián)動延時輔助觸點方案，設(shè)計合、分閘控制回路如圖3，4所示。

圖3 全工況監(jiān)視合閘控制回路

3.3.1 合閘控制回路

增加全工況監(jiān)視TWJ-SX中間繼電器，其繼電器特性與TWJ相同，但動作電壓為直流110 V，且繼電器兩端并接了防反向擊穿的續(xù)流二極管D與限流電阻R。斷路器操作機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)計了與QF1聯(lián)動且具有延時動作與返回特性的常開聯(lián)動觸點QF1-YS。QF1-YS與電阻R1串聯(lián)。電阻R1與TWJ阻值相當(dāng)。因其主要目的是讓TWJ在斷路器處于分閘狀態(tài)時可靠不勵磁。

圖4 全工況監(jiān)視分閘控制回路

當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時，因電阻分壓的作用，TWJ繼電器因不滿足220 V的勵磁電壓而可靠不能勵磁動作，從而確保了其原有的勵磁特性，故相關(guān)功能不受影響。而全工況監(jiān)視繼電器動作電壓為110 V，故能夠可靠勵磁。

當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時，QF1斷開，而QF1-YS閉合，此時，TWJ未勵磁，但TWJ-SX勵磁動作，從而實現(xiàn)了合閘狀態(tài)時合閘控制回路的監(jiān)視功能。TWJ-SX回路中串接TWJ觸點就是當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時，TWJ監(jiān)視合閘回路狀態(tài)，故TWJ-SX無需再勵磁動作。延時時間整定應(yīng)考慮躲過斷路器重合閘及非全相的動作時間，并留有一定的裕度。

3.3.2 分閘控制回路

增加全工況監(jiān)視HWJ-SX，其繼電器特性與HWJ相同，但動作電壓為直流110 V，且繼電器兩端并接了防反向擊穿的續(xù)流二極管D與限流電阻R。斷路器操作機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)計了與QF2聯(lián)動且具有延時動作與返回特性的常閉聯(lián)動觸點QF2-YS。QF2-YS與電阻R1串聯(lián)。電阻R1與HWJ阻值相當(dāng)。因其主要目的是讓HWJ在斷路器處于分閘狀態(tài)時可靠不勵磁。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時，因電阻分壓的作用，HWJ繼電器因不滿足220 V的勵磁電壓而可靠不能勵磁動作，從而確保了其原有的勵磁特性，故相關(guān)功能不受影響。而全工況監(jiān)視繼電器動作電壓為110 V，故能夠可靠勵磁。當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時，QF2斷開，而QF2-YS閉合，此時，HWJ未勵磁，但HWJ-SX勵磁動作，實現(xiàn)了分閘狀態(tài)時分閘控制回路的監(jiān)視功能。HWJSX回路中串接HWJ觸點就是當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時，HWJ監(jiān)視合閘回路狀態(tài)，故HWJ-SX無需再勵磁動作。延時時間整定應(yīng)考慮躲過斷路器重合閘及非全相的動作時間，并留有一定的裕度。

4 設(shè)計回路的仿真驗證

使用MATLAB的Simulink仿真系統(tǒng)，搭建相關(guān)電路模型，通過仿真檢測其暫態(tài)過電壓情況。電路中的各電氣元件取典型值，即位置、監(jiān)視繼電器的取值R=8 000 Ω，L=50 H。斷路器分、合閘線圈取恒定值R=100 Ω，L=2 H。時序過程如下：保護(hù)動作時間取30 ms，斷路器輔助觸點分閘時間取30 ms，聯(lián)動延時動作輔助觸點延時取2 s，初始狀態(tài)設(shè)定為1 s。搭建的電路如圖5所示。

圖5 仿真電路

暫態(tài)電壓監(jiān)測點：電壓1為斷路器線圈處的暫態(tài)電壓;電壓2為位置繼電器處的暫態(tài)電壓。分析暫態(tài)電壓監(jiān)測點的仿真波形可知，整個過程依照參數(shù)設(shè)置后，其波形平穩(wěn)，不會出現(xiàn)過壓情況。其次，該仿真條件下參數(shù)設(shè)定為2 s，實際上可將仿真時間再加長，其暫態(tài)過程的影響就更小。因此，該控制回路設(shè)計方案不會出現(xiàn)暫態(tài)過電壓導(dǎo)致元器件損壞的情況，方案可行。

5 結(jié)束語

針對當(dāng)前因斷路器合閘控制回路“斷線”而造成重合失敗的事故，分析了事故成因，指出了當(dāng)前斷路器控制回路設(shè)計思路的缺陷，提出了采用具備延時特性的與斷路器輔助觸點具有聯(lián)動特性、接點類型相反的輔助觸點的設(shè)計思路，此設(shè)計思路清晰，可解決斷路器控制回路全工況監(jiān)視的問題。同時對具備延時特性的聯(lián)動觸點給出了2種具體可行的實現(xiàn)方案。其一是提出將安裝于輔助開關(guān)中的扭轉(zhuǎn)彈簧方案改進(jìn)為安裝于斷路器操作連桿與輔助轉(zhuǎn)換開關(guān)之間的拉伸彈簧，良好的解決了延時時長較短的問題。其二是斷路器控制回路加裝延時時間繼電器。

最終采用拉伸彈簧方案，所設(shè)計的方案通過仿真軟件分析，確定了整個電路的動態(tài)過程不會出現(xiàn)過電壓造成元件損壞的情況，從而明確了方案的可行性。方案的提出將會對原控制回路中增加了具備全工況監(jiān)視功能的器件，原有相關(guān)繼電器的性能及控制功能不受影響，同時設(shè)計方法能夠避免因控制回路斷線而造成斷路器重合失敗，或熱備用斷路器合閘于故障而出現(xiàn)斷路器拒跳的事故發(fā)生。