具備自監視功能的“斷路器控制回路斷線告警”信號回路設計

楊遠航，虎嘯，解良，楊橋偉，石恒初，游昊

（云南電力調度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

斷路器是電力系統中最關鍵的設備之一,具有保護和控制雙重作用。斷路器故障會造成電網事故或擴大事故范圍，甚至引起連鎖故障導致系統解列[1-3]。斷路器控制回路是實現斷路器功能的重要部件之一，具有控制、監視和保護的作用[4-5]。相關研究表明，斷路器控制回路故障已成為斷路器故障的重要原因之一，占斷路器所有故障的50%以上[6-8]。因此，對斷路器控制回路進行有效監視和缺陷告警是減少斷路器拒動、誤動，避免大停電事故發生的重要手段[9-12]。

通常，現場采用合閘位置繼電器（HWJ）的常閉觸點和跳閘位置繼電器（TWJ）常閉接點串聯組成“控制回路斷線”信號回路對控制回路進行間接監視，也即斷路器處于合位或分位時，HWJ及TWJ常閉接點中一個打開、另一個閉合，此時“控制回路斷線”信號回路不通，表示控制回路正常；當有故障致使HWJ及TWJ同時失磁時，HWJ及TWJ常閉接點均閉合，“控制回路斷線”信號回路導通，表示控制回路斷線，此時斷路器將不能分、合閘。

然而，就常用的控制回路斷線監視方法來說，當斷路器處于合位或分位時，若存在合閘控制回路或跳閘控制回路斷線，斷線信號回路中的TWJ和HWJ常閉接點均應閉合啟動“控制回路斷線”告警，但是，由于斷線信號回路自身端子松動、接觸不良等原因，造成控制回路斷線信號未能告警，即監視回路自身異常時，斷路器跳、合閘控制回路無法得到有效監視，使得可能存在的斷線缺陷成為隱性故障而持續存在，這種隱性故障只在系統發生故障需要保護動作或調度需要操作斷路器時，才會因斷路器拒動故障而被發現，而斷路器拒動將會造成線路跳閘后重合失敗、保護失配，觸發越級跳閘現象，導致電網崩潰，進而引發電網大面積停電事故，如巴西大停電事故。

近年來，隨著云南電網規模的發展，廠站之間的電氣距離越來越短，系統對故障極限切除時間提出了更高要求，長距離、大容量、交直流并列的電網運行方式，使云南電網穩定問題更為突出。目前，網內部分220 kV廠站的極限切除時間已低于0.1 s，部分500 kV廠站的極限切除時間已低于0.12 s，一旦發生斷路器拒動或主保護拒動，將對系統穩定帶來極大的影響。因此，為防控斷路器拒動風險，提高斷路器控制回路斷線監視的可靠性，針對斷路器控制回路可能存在的隱性故障制定監測措施是十分必要的。

本文對一起220 kV斷路器操作失敗且現場及調度端后臺均無控制回路斷線告警信號的電網異常事件進行了分析，針對該事件暴露出的斷路器控制回路無法自監視的原理性缺陷，結合目前的保護邏輯和回路提出了相應的優化改進措施。

1 案例概述

某日，網內A變電站220 kV出線線路桿塔附近有山火，為確保電網安全穩定運行，調度下令將A變電站220 kV母聯斷路器由熱備用轉運行，現場進行母聯斷路器同期合環時，遙控操作失敗，經向調度申請后，將母聯斷路器轉檢修進行檢查。B相母聯斷路器操控信號傳遞過程如圖1所示。

圖1 斷路器操控信號傳遞過程

經檢查，操作失敗原因為斷路器B相儲能行程開關接觸不良，導致合閘回路中彈簧儲能接點斷開，控制回路電源未導通，造成控制回路斷線缺陷而無法操作斷路器合閘。但是，在該斷路器操作前以及開展分合閘試驗的過程中，現場及調度端后臺均無控制回路斷線告警信號。下面對該起“控制回路斷線”信號未發出的原因進行分析。

2 異常原因分析

2.1 控制回路斷線原理

目前常用的斷路器跳、合閘控制回路原理如圖2所示，+KM和-KM代表正負電源，ZTJ、STJ 和 ZHJ、SHJ代表自動與手動跳/合閘常開接點，TBJ、HBJ代表跳/合閘自保持繼電器。合閘回路中TWJ為跳閘位置繼電器，DL為斷路器常閉輔助接點，S1為彈簧儲能接點，HQ為合閘線圈；跳閘回路中HWJ為合閘位置繼電器，DL為斷路器常開輔助接點，TQ為跳閘線圈。

圖2 斷路器控制回路原理簡圖

當斷路器處于合閘狀態時，合閘回路中DL常閉接點閉合，彈簧儲能接點S1閉合，跳閘位置繼電器TWJ勵磁，亮分位指示燈點，反應斷路器在分閘位置，合閘回路完好。同理，當斷路器處合位時，跳閘回路中DL常開接點閉合，合閘位置繼電器TWJ勵磁，合位指示燈點亮，反應斷路器在合閘位置，跳閘回路完好。

常規斷路器控制回路斷線告警是通過控制回路中跳閘位置繼電器TWJ和合閘位置繼電器HWJ常閉接點的串聯來同時實現合閘回路和跳閘回路的監視，斷線監視原理和監視邏輯如圖3所示。由圖可知，只有當跳閘位置繼電器TWJ和合閘位置繼電器HWJ同時失磁，致使兩者常閉接點同時閉合，才能將斷線信號回路導通，并將告警信號發送至后臺。

圖3 斷路器控制回路斷線信號告警原理圖和監視邏輯

2.2 控制回路斷線未能告警原因

操作前斷路器處于分位，若控制回路正常，則跳閘回路中DL常開接點斷開，合閘位置繼電器HWJ失磁；合閘回路中DL常閉輔助接點閉合，彈簧儲能接點S1閉合，跳閘位置繼電器TWJ勵磁，控制回路斷線信號回路中TWJ常閉接點斷開，HWJ常閉接點閉合，不會發控制回路斷線告警。

本案例中，斷路器操作合閘失敗且控制回路斷線未能告警原因為斷路器B相儲能行程開關接觸不良，造成合閘回路中彈簧儲能接點S1斷開，合閘回路不通，此時跳閘位置繼電器TWJ監視回路斷線失磁，控制回路斷線回路中TWJ和HWJ常閉接點均閉合應發控制回路斷線告警，但實際并未發出。進一步檢查發現，現場斷路器控制回路斷線信號端子電源公共端兩根線芯壓接于同一個端子（如圖4所示），由于安裝調試和運行過程中相互擠壓造成信號正電源端子松動，導致斷線監視信號回路未接通，故無法將告警信號發送至測控和后臺。

圖4 斷路器控制回路斷線信號回路圖

2.3 風險分析

通過對220 kV母聯斷路器歷史操作、檢修記錄和后臺報文分析發現，在最近一次定檢結束后就已出現控制回路斷線告警信號沒有正常上送后臺情況，說明當時就已出現信號端子接線松動，在此后運行過程中，合閘回路長期存在缺陷卻未能及時發出告警，直致該變電站送出線路受山火影響情況下調度無法操作斷路器合環時，才暴露出合閘回路缺陷，延誤了電網應急處置，期間若發生送出線路永久性故障跳閘，將引發一起電力安全事件。若本案例出現在其他220 kV及以上運行斷路器，將對電網安全穩定運行造成巨大影響。因此，斷路器控制回路自身無法自監視的原理性缺陷是一個亟待解決的實際應用問題。

3 優化改進措施

3.1 優化改進經驗

結合本案例缺陷分析，目前，針對斷路器控制回路無法自監視的改進方向可分為兩類，一類是增加專用的監測裝置，依據控制回路狀態變化時回路上電信號的變化特征提出的改進措施：以控制回路合閘和分閘出口處端子的電壓變化特征為依據，判斷控制回路故障范圍[13]，進一步地，有了以控制回路斷線高風險節點間的電壓變化特征為依據，借助非接觸式電壓測量傳感器對控制回路斷線進行監視的方法[14]，但在實際應用中，控制回路斷線故障的電信號變化特征微小，監視的可靠性高度依賴于測量、采樣、計算等模塊的精度。另一類是改進現有斷路器控制回路來達到監視效果：通過在控制回路中串入了延時輔助聯動觸點[15]，或監測電阻、霍爾傳感器等[16]來達到監視回路的效果，但在實際應用中，控制回路因接入了其他器件，當該器件故障時存在引發斷路器拒動的風險。

基于上述分析，可見對斷路器控制回路斷線監視回路的改進優化，主要目標就是在盡量不影響控制回路原有功能的基礎上，實現對斷路器控制回路完好性的可靠監視。為實現此目標，本文提出了一種具備自監視功能的“斷路器控制回路斷線告警”信號回路設計方案，在不增加專用監測裝置，不影響控制回路原有控制、監視和保護功能的前提下，通過搭建附加監測回路實現斷路器控制回路斷線的自監視。

3.2 具備自監視功能的斷線告警信號回路優化設計

常規的斷線告警信號回路由于采用了跳閘位置繼電器TWJ和合閘位置繼電器HWJ常閉接點串聯的方式實現斷線監視，正常運行狀態下，回路處于斷開狀態，當信號回路因自身接線松動等原因造成監視異常時，控制回路存在無法自監視的原理性缺陷。針對控制回路斷線無法自監視的問題，本文提出在操作箱內增加一組跳閘位置繼電器TWJ和合閘位置繼電器HWJ常開接點并聯監視回路，如圖5所示。

圖5 具有自監視功能的斷路器控制回路斷線告警信號回路原理圖和監視邏輯

控制回路正常情況下，當斷路器處于合位或分位時，跳閘位置繼電器TWJ和合閘位置繼電器HWJ只有其中一個勵磁，TWJ和HWJ常開接點其中一個閉合，控制回路正常信號回路導通。控制回路異常情況下，跳閘位置繼電器TWJ和合閘位置繼電器HWJ同時失磁，TWJ和HWJ常開接點均斷開，控制回路正常信號回路不通。控制回路異常告警邏輯判斷如表1所示。

表1 斷路器控制回路異常告警邏輯判斷

由表1可知：

1）當控制回路斷線和正常信號均為0時，可能存在控制回路異常同時斷線信號回路不通情況（即本文中的實際案例）或控制回路實際正常同時正常信號回路異常情況，需要對相關回路進行檢查；

2）當控制回路斷線信號為1、正常信號為0時，表明控制回路出現異常，需對相關回路進行檢查處理；

3）當控制回路斷線信號為0、正常信號為1時，表明控制回路正常，為斷路器正常運行時的狀態；

4）當控制回路斷線和正常信號均為1時，可能發生控制回路異常同時正常信號回路異常情況或控制回路正常同時斷線信號回路異常情況，需要對相關回路進行檢查。

由上述分析可知，通過將斷路器控制回路斷線信號和控制回路自監視正常信號組合分析，可以對控制和監視回路完整性進行綜合判斷，可有效解決傳統斷路器控制回路無法自監視問題，提前消除本文案例中的隱患，使得監視回路的功能更加完善。

4 改進方案評價

1）設備可靠性評價

通過搭建控制回路的自監視信號回路，將斷路器分位、合位時的工況納入了監視范圍，結合原有斷線告警信號回路對跳閘和分閘工況的監視，實現了斷路器控制回路全工況監視，并且增加了斷路器控制回路斷線判據，提高了原有控制回路斷線告警信號的可用度，確保控制回路操作的可靠性，保證保護正確動作。

2）消缺效率評價

當控制回路斷線發生故障時，專業人員通過控制回路斷線告警信號和自監視回路正常信號等直觀信息，根據斷路器控制回路異常告警邏輯判斷出故障位置，有利于運維人員快速針對具體情況進行維護消缺，從而大幅度降低故障判斷的時間，提高消缺工作效率，節約人力、物力。

3）風險防控評價

本方案對現有控制回路進行改進，實現了斷路器控制回路全工況監視功能，原有相關繼電器的性能及控制功能不受影響，優化后的斷線信號回路，可以對控制和監視回路的完整性進行綜合判斷，提前發現控制回路隱患，能夠有效防控系統發生故障需要保護動作或運行需要操作斷路器時因斷路器拒動而帶來的巨大電網風險。

4）經濟性評價

在現有斷路器機構內簡單改造就可以實現斷路器控制回路自監視功能。改進過程中所需材料主要包括信號用光電耦合器一組、復位按鈕一個及電纜若干，每臺斷路器改造成本低。

5 結束語

本文針對一起斷路器控制回路斷線告警信號漏監視的實際案例進行了分析，指出了斷路器控制回路自身無法自監視的原理性缺陷，存在引發斷路器拒動的風險，對設備安全和電網穩定運行有巨大威脅，為消除斷路器控制回路這一監視盲區，提出了一種改進方案，通過在傳統操作箱中增加一組“控制回路正常”監視回路來實現控制回路自監視功能。該回路簡單可靠、實現容易，能極大提高現場對跳合閘回路的自檢能力，有效提示運行和檢修人員及時處理回路缺陷，對電網的安全穩定運行具有重要作用。