斷路器分位防跳失敗原因分析與整改措施

王海波

斷路器分位防跳失敗原因分析與整改措施

王海波

（國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

針對一個一次設備采用西門子3AP1FG斷路器、二次設備采用國電南自PSL621C保護配置的110kV線路間隔防跳回路未配置就地機構分位防跳功能與遠方操作箱分位防跳功能的情況，詳細介紹防跳回路的工作原理及驗證方法，通過分析防跳繼電器動作時序發現，就地分位防跳功能缺失是由于斷路器輔助觸點變位快于防跳繼電器動作時間所致，遠方分位防跳功能缺失是由于保護操作回路中引入彈簧未儲能觸點閉鎖合閘回路所致。根據規程要求，取消保護操作箱防跳功能，遠方就地均采用機構本體防跳，試驗驗證了回路功能的正確性。

操作箱；斷路器；防跳；彈簧機構

0 引言

高壓斷路器作為電力系統中分斷負荷電流及故障電流的主要設備，保障其可靠分合閘對系統穩定運行至關重要。在進行斷路器合閘操作時，因某些原因，如合閘觸頭粘連或把手未及時松開等，導致合閘觸頭一直處于閉合狀態。這時，如果系統發生永久性故障，保護動作，斷路器跳閘，由于此時合閘脈沖仍未解除，斷路器會再次合閘，如此反復跳合，稱為斷路器的“跳躍”[1]。“跳躍”行為將導致電力系統多次受故障電流沖擊，危害系統運行，同時還會使斷路器遮斷能力下降，產生嚴重損壞甚至爆炸，危及人身及設備安全，所以必須針對斷路器“跳躍”現象采取相應的防跳措施。

針對電氣防跳，一般有操作箱防跳與機構本體防跳兩種措施[2]。由于保護裝置與斷路器的生產廠家眾多，操作箱及機構本體的控制回路設計也多有不同[3-4]，這導致在工程實踐中經常出現防跳失敗的情況。原因諸如儲能閉鎖觸點在合閘回路中的接入點不正確[5]、防跳繼電器自保持觸點返回過快[6]、遠方/就地切換觸點接入方式錯誤[7]、合閘指令時間配合不當[8]等。兩種防跳方式同時投入時也會導致分合閘指示燈同時亮、合閘回路閉鎖[9-11]等情況發生。盡管國網公司在相應的規程及反措文件[12-14]中已明確，優先考慮采用機構本體防跳，但部分老舊設備不具備整改條件，以及不同省、市供電公司對規程的理解及反措的執行有出入，導致對兩種防跳方式的取舍也產生分歧。

國網浙江省電力有限公司正開展斷路器防跳回路排查與整改工作，要求兩種防跳方式在遠方或是就地情況下只保留一種功能投入，且優先保留機構本體防跳功能。尤其是“分位防跳”概念提出后，在排查試驗過程中發現很多設備不具備該功能，包括就地與遠方兩種情況。文獻[15-16]對不同防跳方式進行比較，根據現場實際，目前比較可行的方案有兩種：一是按照規程要求，取消操作箱防跳，遠方與就地均采用機構本體防跳；二是遠方采用操作箱防跳，就地采用機構本體防跳，通過遠方/就地切換把手實現任一情況下只投入一種，而且任何時候合位防跳與分位防跳功能必須同時滿足。在排查一條采用國電南自PSL621C保護與西門子3AP1FG斷路器配置的110kV線路間隔防跳功能時，發現操作箱與機構箱控制回路的設計存在缺陷，通過分析整改及多次試驗驗證使防跳功能恢復正常，符合規程要求，滿足投運條件。

1 操作箱防跳與機構本體防跳

1.1 操作箱防跳

保護操作箱防跳針對的是當斷路器合于故障時，繼電保護動作使斷路器跳開，如果此時合閘脈沖還未解除，斷路器反復分合閘會使電氣元件多次受大電流沖擊進而擴大故障。以典型的110kV國電南自線路保護PSL621C操作回路為例，介紹操作箱防跳的實現方式[17]。PSL621C操作箱控制回路示意圖如圖1所示。

圖1 PSL621C操作箱控制回路示意圖

圖1中各符號意義見表1。

表1 PSL621C操作回路各符號意義

當斷路器為合閘狀態時，跳閘回路中，S1閉合，此時若合閘觸點粘連（SHJ或ZHJ閉合）且有跳令（STJ或TJ閉合），則跳閘回路導通，斷路器跳閘，同時TBJI得電勵磁，其觸點TBJI1閉合可保持跳閘回路持續導通直至斷路器跳開后S1打開從而斷開跳閘回路，避免跳閘令時間太短，通過STJ或TJ觸點斷開跳閘回路導致觸點拉弧燒損。同時TBJI2觸點閉合，在合閘觸點粘連情況下，TBJV得電勵磁，其觸點TBJV1閉合確保TBJV繼電器持續導通；TBJV2觸點打開，使合閘回路斷開，無法實現合閘，從而將斷路器閉鎖在分閘狀態，達到防跳的目的。

由上述分析可知，操作箱防跳必須由串聯于跳閘回路中的繼電器TBJI啟動，故該種防跳又稱為串聯防跳。

1.2 機構本體防跳

斷路器機構本體防跳針對的是當斷路器機構有問題（如機構脫扣位置偏移、斷路器偷跳）時，斷路器合閘回路未解除，如果此時斷路器合閘脈沖仍存在，斷路器反復分合閘，觸頭將會承受連續的合閘沖擊，從而損壞設備。彈簧操動機構由于其操作功較小、結構簡單等眾多優點，在126～252kV電壓等級中得到廣泛應用[18]。以典型的110kV西門子3AP1FG型彈簧儲能斷路器為例，介紹機構本體防跳的實現方式[19]。3AP1FG斷路器控制回路示意圖如圖2所示。

圖2 3AP1FG斷路器控制回路示意圖

圖2中與圖1相同符號的意義相同，其余符合意義：S8為遠方/就地切換開關觸點，當切至就地時常閉觸點導通；S9為就地合閘按鈕；K75為防跳繼電器。

當斷路器在合位時，S1常開觸點閉合，S8切至就地時，按下S9，則K75得電勵磁，K75-1觸點閉合，使在合閘觸點粘連時K75繼電器回路保持導通；K75-2常閉觸點打開，斷開合閘回路，實現防跳，將斷路器閉鎖在分閘狀態。由于防跳繼電器K75是與合閘回路并聯，故該種防跳又稱為并聯防跳。

2 防跳回路試驗方法

傳統的防跳概念及防跳回路驗證稱為“合位防跳”，即在斷路器合閘狀態下，驗證斷路器分閘后不會再合閘，則該回路具有防跳功能。文獻[20]對改造防跳回路試驗的不足進行探討并提出改進措施。隨著對防跳認識的加深，又提出“分位防跳”概念。兩種防跳試驗比較見表2。

表2 合位防跳與分位防跳試驗比較

對于現場就地用機構本體防跳、遠方用操作箱防跳的配合形式，除了需滿足上述就地與遠方防跳要求，還需補充一個試驗項目，本文稱之為“遠方機構防跳”試驗。

將機構切換開關切至遠方位置。

合位防跳：先短接保護屏后控制電源正101及合閘出口回路107，隨后短接控制電源正101及跳閘出口回路137，斷路器應“跳躍”。

分位防跳：先短接保護屏后控制電源正101及跳閘出口回路137，隨后短接控制電源正101及合閘出口回路107，斷路器應“跳躍”。

該試驗可以證明，控制在切遠方時，機構本體未投入，防止兩種防跳回路在切遠方時均投入導致以下后果：①斷路器在合位時，分閘指示燈亮；②機構防跳繼電器長期勵磁燒損；③合閘回路被防跳觸點斷開，斷路器拒合。這種情況可以通過在合閘監視回路中串接斷路器常閉輔助觸點與防跳繼電器常閉輔助觸點的方法予以解決[3]。

3 就地機構本體分位防跳失敗原因分析及解決措施

經過工程排查發現，在使用遠方操作箱防跳時，合位防跳與分位防跳同時滿足；在使用就地機構本體防跳時，基本只具有合位防跳，在進行分位防跳試驗時會發生“跳躍”現象。

3.1 原因分析

經分析，是機構防跳回路中斷路器輔助觸點變位速度快于防跳繼電器啟動速度導致的防跳失敗，就地分位防跳動作過程示意圖如圖3所示。

結合圖2，動作過程如下：

①按下分閘按鈕。

②按下合閘按鈕。

圖3 就地分位防跳動作過程示意圖

③斷路器合閘完成，K75啟動回路中的S1觸點閉合，K75開始勵磁，同時跳閘回路導通。

④斷路器跳閘完成，K75啟動回路中的S1觸點打開，K75勵磁中斷。

⑤K75可以完成勵磁的時刻。

⑥斷路器合閘后彈簧儲能完成的時刻。

由分析可知，在斷路器跳閘完成時刻④由于S1打開導致K75未滿足動作條件，其串接在合閘回路中的防跳觸點K75-2未將合閘回路斷開，在彈簧完成儲能即S16閉合后，由于合閘按鈕一直保持，斷路器再次合閘，從而防跳失敗。

3.2 解決措施

斷路器更快的分閘速度是衡量其性能優越的重要指標，若通過延長其分閘時間使K75充分勵磁顯然與其性能要求背道而馳；若通過縮短防跳繼電器動作時間則對器件性能提出很高的要求，且隨著快分線圈的普及，防跳繼電器提升的空間有限。排除對跳閘線圈及防跳繼電器元器件的改動，考慮斷路器合閘后需要約10s的儲能時間，在此期間彈簧未儲能觸點恰好可以滿足閉合條件。如圖2中虛線部分，通過將S16與S1并聯，利用合閘后彈簧儲能的時間實現K75的可靠動作，多次試驗證明，該方法切實可行。

4 遠方操作箱分位防跳失敗原因分析及解決措施

在排查一條保護裝置為國電南自線路PSL621C，斷路器為西門子3AP1FG的110kV線路間隔斷路器遠方防跳功能時發現，在遠方采用保護操作箱防跳情況下，只有合位防跳有效，沒有分位防跳功能。

4.1 原因分析

遠方分位防跳動作過程示意圖如圖4所示。

結合圖1，分析其動作過程如下：

①按下分閘按鈕。

②按下合閘按鈕。

圖4 遠方分位防跳動作過程示意圖

③斷路器合閘完成，跳閘回路導通，TBJI開始勵磁，彈簧開始儲能，S16觸點閉合，2YJJ開始勵磁。

④TBJI1與TBJI2觸點閉合，TBJV開始勵磁。

⑤TBJV完成勵磁，TBJV1觸點閉合，TBJV2觸點打開。

⑥斷路器分閘完成，合閘回路中S1觸點閉合。

⑦2YJJ繼電器完成勵磁，合閘回路中2YJJ觸點打開，TBJV失電。

⑧TBJV1觸點打開，TBJV2觸點閉合。

⑨彈簧儲能完成，S16觸點打開，2YJJ開始失電。

⑩2YJJ延遲返回（0.3s），合閘回路導通，開始再次合閘，防跳失敗。

其中2YJJ延時動作約250ms，因為在正常運行時，也可能出現壓力瞬時降低的情況，所以，壓力低閉鎖重合閘宜帶延時，該延時一般應大于斷路器操作時壓力瞬時降低的時間。

4.2 解決措施

由分析可以看出，操作箱遠方分位防跳失敗原因是壓力低閉鎖重合閘回路中引入了彈簧未儲能觸點S16，該觸點引入初衷是：在采用三相重合閘線路永久性故障時，重合閘加速跳開斷路器后，斷路器開始儲能，TWJ因合閘回路斷開而返回，保護裝置重合閘滿足開始充電條件。在個別情況下，在儲能結束前就重合閘完成充電，在儲能結束后滿足第二次重合閘條件，保護由于位置不對應啟動重合閘，從而導致斷路器反復重合于故障，對斷路器及系統均造成危害。在現場只要保證保護重合閘充電時間大于斷路器彈簧儲能時間即可取消該觸點的引入。現場實際測量，斷路器彈簧儲能時間為10s，保護重合閘充電時間約為20s，滿足取消2YJJ回路中S16觸點條件。

同時，如圖2所示，考慮在機構合閘回路中已經有SF6壓力低閉鎖觸點K10及彈簧未儲能觸點S16，無需再在操作箱中實現相同功能，因此可以取消2YJJ啟動回路。

綜上所述，設計了兩種整改方案。

方案1：根據文獻[9]，徹底取消操作箱防跳，遠方及就地均用機構本體防跳。操作箱拆除2YJJ啟動回路，斷開繼電器TBJV；機構箱并接S16觸點，短接a、b兩點，取消遠方就地切換觸點S8。

方案2：遠方采用操作箱防跳，就地采用機構本體防跳。操作箱拆除2YJJ啟動回路；機構箱并接S16觸點，通過S8切換，遠方斷開K75，就地投入K75。

在現場按照方案1進行改造，通過就地機構本體防跳試驗、“遠方機構防跳”試驗及遠方帶操作箱防跳試驗后，防跳功能均滿足要求。

5 結論

老舊設備投產時對斷路器防跳功能僅要求具備合位防跳，但運行實踐及故障經驗表明，分位防跳也應是斷路器必備的功能。在防跳回路排查中發現的分位防跳功能缺失的情況應根據設備實際情況進行整改，在機構本體具備改造條件的情況下，優先選用機構本體防跳功能。盡管機構本體防跳在功能上可以較好地實現防跳，但在運行中需做好運行維護并結合停電定檢進行周期試驗，避免由于運行環境惡劣而發生文獻[21]中防跳繼電器觸點卡澀造成的防跳功能缺失的重大隱患。保護廠家與斷路器廠家較多，不同廠家的設備防跳回路設計思想有些許不同。本文所列的國電南自PSL621C保護與西門子3AP1FG斷路器配置是一種比較典型的情況，可作為廠家產品設計過程中的考慮因素，本文整改方法可供現場檢修人員參考。

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Cause analysis and rectification measures for the failure of anti-bouncing of circuit breaker

WANG Haibo

(State Grid Jiaxing Power Supply Company, Jiaxing, Zhejiang 314000)

For a 110kV line bay configured with Siemens 3AP1FG circuit breaker for primary equipment and SAC PSL621C protection device for secondary equipment, there is a situation in which neither the local mechanism anti-bouncing nor the remote operation box anti-bouncing function is configured. The working principle and verification method of the anti-bouncing circuit are introduced in detail. Through the analysis of the action sequence of the anti-bouncing relay, it is found that the position of breaker auxiliary contact transfers faster than the action of the anti-bouncing relay makes the function of the local anti-bouncing lost, and spring energy storage contact is accessed to the closing circuit makes the function of the remote anti-bouncing lost. According to the standards, the protection operation box anti-bouncing function is removed and the mechanism control box anti-bouncing function is rectified. The correction of the solution is verified through test.

protection operation box; circuit breaker; anti-bouncing; spring mechanism

2022-05-05

2022-06-07

王海波（1987—），男，江蘇省徐州市人，碩士，工程師，主要從事繼電保護裝置檢修維護、繼電保護二次回路設計相關工作。