斷路器線圈保護功能設計與實現

段翔 張寒

[摘要]基于微機保護裝置斷路器操作回路特性，分析了操作回路的組成及工作原理，得出斷路器線圈燒毀的原因及線圈保護器設計的理論依據。以斷路器線圈保護為核心，完成線圈保護器的硬件設計及軟件實現流程，并進行了相關的可靠性測試分析。測試結果表明，當斷路器進行分、合閘操作，其輔助觸點動作不到位時，線圈保護器將自動斷開斷路器線圈及操作回路上保持繼電器回路，實現對斷路器線圈的保護。

[關鍵詞]斷路器;操作回路;線圈保護器;可靠性測試

引言

電力系統運行中經常發生跳合閘線圈燒毀事故。眾所周知，跳合閘線圈都是按照短時通電設計的。跳合閘線圈的燒毀、主要是由于跳、合閘線圈回路的電流不能正常切斷，導致跳合閘線圈長時間通電而造成的。作為電力系統中重要的電氣元件，在電力系統發生故障時，斷路器接受繼電保護及自動裝置的跳閘命令，并且要求其以毫秒級的速度去執行跳閘動作，以避免事故的蔓延和擴大。因此，要求斷路器在投運中能隨時處于待命狀態，且可以做到令行禁止。尤其不允許出現有跳閘命令時，斷路器拒絕跳閘的現象。

1微機保護操作回路原理及斷路器線圈動作特性

在當前微機繼電保護裝置中，均帶有斷路器操作回路，由防跳回路、合閘啟動保持回路、跳位監視回路、跳閘啟動保持回路、合位監視回路組成。圖1為某微機保護裝置內部斷路器操作回路的典型設計，共分為3部分。

1.1防跳回路

如圖1中的TBJ1B繼電器，在斷路器操作過程中，當合閘信號和跳閘信號同時出現，防跳回路啟動，斷開操作回路中的合閘保持驅動回路，使得斷路器處于分閘狀態。

1.2合閘保持驅動回路

如圖1中的SE出口接線，在該操作回路中接斷路器儲能常開觸點位置后，接入斷路器合閘線圈，一旦斷路器儲能電機儲能到位，其儲能常開儲能接點閉合，為合閘準備，若合閘信號HZ出現，操作電源正端→合閘觸點HZ→HBJ1A合閘保持繼電器→防跳繼電器常閉觸點TBJ1C及TBJ1F→斷路器的儲能觸點SE→斷路器合閘線圈→操作電源負端，HBJ1A得電動作，其合閘保持觸點HBJ1B及HBJ1C閉合，鎖定斷路器線圈回路接通，此時，即使合閘信號消失，線圈回路也會一直保持接通，其合閘線圈接線原理如圖2所示。當斷路器合閘到位，僅當其常閉觸點QF斷開，合閘保持回路失電斷開，否則，將燒毀合閘線圈或微機保護的保持繼電器回路。

1.3跳位監視回路

當斷路器處于分閘狀態下，如圖1中的HQ信號接線端子，接于圖2斷路器串聯的常開儲能接點SE的受電端，監視合閘回路中的斷路器處于分閘狀態時的狀態位置QF及合閘線圈HQ的導通性，當斷路器處于分閘到位，其常閉觸點QF閉合，合閘線圈QF上流過跳位監視回路上的電流，其值為mA級，可靠保證斷路器合閘線圈HQ不動作，該回路為常時間帶電回路。

2線圈保護器的設計與實現

2.1軟件體系設計

斷路器分合閘線圈狀態檢測及保護系統通過測量跳合閘線圈的直流，通過一定的邏輯對分合閘線圈回路進行保護，其主要功能分閘線圈定時限、反時限、分閘線圈有流告警，合閘線圈定時限、反時限，合閘線圈有流告警。

2.1.1分閘線圈定時限

裝置實時計算分閘線圈電流值，當分閘線圈電流大于整定定值80%時分閘線圈定時限段啟動，達到設定的時間定值，裝置出口斷開跳圈回路保護跳圈。出口動作邏輯為先合上IGBT，在斷開繼電器，最后在斷開IGBT。動作邏輯如下：圖中Itq為分閘線圈實時計算值In為分閘線圈額定電流的80%

2.1.2分閘線圈反時限

反時限動作公式為：

式中。T為分閘線圈定時限段時間定值，Ip為分閘線圈反時限啟動電流，軟件設定為線圈額定電流的50%，I為分閘線圈電流實測值，反時限動作出口邏輯同定時限。分閘線圈定時限和反時限共同構成分閘線圈保護。當線圈電流等于設定的額定電流時，定時限和反時限動作時間相同。當由于分閘線圈電壓偏高等原因造成分閘線圈電流大于額定電流時，分閘線圈反時限保護的動作時間將縮短，有效保護分閘線圈。分閘線圈定時限和反時限出口相互配合，當定時限動作時先判斷反時限是否已經動作，如果反時限已動作，定時限將只發動作報文，不在操作出口。當反時限動作時先判斷定時限是否已經動作，如果定時限已動作，反時限將只發動作報文，不在操作出口。

2.1.3分閘線圈有流告警

當分閘線圈電流大于額定電流的20%（或者0.2A，取兩者之間大值），延時分閘線圈定時限段時間定值加上5s后，報分閘線圈有流告警。其動作邏輯如下：圖中Itq為分閘線圈實時計算值，Igj為分閘線圈額定電流的20%。

2.1.4合閘線圈定時限

裝置實時計算合閘線圈電流值，當和閘線圈電流大于整定定值80%時和閘線圈定時限段啟動，達到設定的時間定值，裝置出口斷開跳圈回路保護跳圈。出口動作邏輯為先合上IGBT，在斷開繼電器，最后在斷開IGBT。動作邏輯如下：圖中Ihq為合閘線圈實時計算值，In為合閘線圈額定電流的80%。

2.2保護硬件實現

線圈保護器硬件設計原理如圖3所示。圖3中，vin+、vin-分別接圖4中的線圈HQ-1、HQ-2，vout+、vout-直接接線圈電磁鐵本體，RZ實現線圈回路的過電壓保護，D1防止線圈回路電源接反，D8實現線圈放電。R1—R4，D2—D4，C1—C4完成線圈保護器電源電壓的實現，其中，R1—R4完成電壓信號的隔離降幅，D2—D4實現電壓的幅值穩定，C1—C4實現電源電壓的低頻濾波，高頻退耦功能;電阻R5—R7及D5實現系統電壓取樣回路;R8—R12、Q1、U2、D7完成線圈保護器的兩級開出驅動，當控制器監測到采樣電壓大于154V時，驅動定時器計時，當延時到定時出口時間，驅動一級開出即PB5為高電平，Q1飽和，Q2斷開，切斷線圈回路的大電流回路，斷路器線圈返回;在一級開出的基礎上延時100ms，驅動二級開出即PB3為高電平，啟動U2模塊，繼電器動作，其常閉觸點斷開線圈保護器的mA級小電流回路，操作回路的保持驅動回路返回，其系統程序結構示意圖如圖3所示。

結束語

本文根據微機保護裝置斷路器操作回路的特性，分析斷路器分、合閘線圈燒毀的原因，設計了線圈保護器，并完成了其可靠性測試。測試結果表明，該線圈保護器不影響微機保護裝置監視回路信號采樣，不僅適用于帶微機保護的220V操作電源的斷路器，對礦井供電系統下的智能防爆開關等無操作回路的真空機械保持的斷路器線圈，當操作電壓不是220V時，只要對線圈保護器的硬件參數做適當的修改，均能滿足對線圈的可靠性保護。

參考文獻

[1]郭玄瀛，余良國，黃霖，黎嘉明，于寬義，葛旭文.斷路器分合閘線圈保護系統的設計與應用[J].科技廣場，2016（11）：176-179.

[2]巴巖青.斷路器分合閘線圈保護方案[A].北京中外軟信息技術研究院.第五屆世紀之星創新教育論壇論文集[C].北京中外軟信息技術研究院：北京中外軟信息技術研究院，2016：2.

[3]潘衛鋒，張合朋.真空斷路器合閘線圈保護的改造方案[J].水電自動化與大壩監測，2002（05）：64-65.

[4]索南加樂，宋國兵，晁勤.高壓斷路器跳合閘線圈保護原理[J].繼電器，2002（03）：27-29.

[5]季本清，王金榮.斷路器分閘線圈保護電路[J].電工技術，1999（03）：52.