李永麗，李瑞鵬，盧 揚(yáng)，陳曉龍，張斯淇，卜立之，王子曦

（天津大學(xué) 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引言

斷路器在電力系統(tǒng)中起著保護(hù)與控制的雙重作用，是最重要的電力設(shè)備之一。斷路器故障會造成電網(wǎng)事故或擴(kuò)大事故范圍，甚至引起連鎖故障導(dǎo)致系統(tǒng)瓦解［1-3］。斷路器操作回路在切斷一次回路中起著重要的輔助作用，是斷路器重要的控制、監(jiān)視和保護(hù)回路［4-5］。相關(guān)研究指出，斷路器操作回路故障已成為斷路器故障的重要原因之一，對斷路器操作回路進(jìn)行有效監(jiān)視和預(yù)警是減少斷路器拒動、誤動，避免大停電事故發(fā)生的重要手段［6-7］。跳/合閘回路、壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)是斷路器操作回路的重要組成部分，但運(yùn)行中仍可見跳/合閘回路接觸不良、回路斷線和元件燒毀等故障，壓板狀態(tài)的不可監(jiān)測和保護(hù)出口接點(diǎn)的粘連也都給斷路器操作回路的在線監(jiān)測帶來了困難［8-11］。

為了監(jiān)視斷路器操作回路中跳/合閘回路的運(yùn)行狀態(tài)，目前現(xiàn)場常采用簡單直觀的紅綠燈回路實(shí)現(xiàn)直接監(jiān)視或跳/合閘位置繼電器常閉接點(diǎn)串聯(lián)啟動信號回路的間接監(jiān)視方法，然而，這些方法均不能實(shí)現(xiàn)全工況監(jiān)視，即斷路器跳（合）閘后合（跳）閘回路便失去監(jiān)視。此外，這些方法也不具備回路保護(hù)功能，一旦斷路器輔助接點(diǎn)拒動，跳/合閘回路將長時(shí)間流過動作電流，造成回路元件燒毀［8］。文獻(xiàn)［1］改進(jìn)了現(xiàn)有跳/合閘回路，實(shí)現(xiàn)了斷路器跳/合閘回路的全工況監(jiān)視和保護(hù)，但是該方案未考慮斷路器跳/合閘回路在保護(hù)裝置、操作箱和機(jī)構(gòu)箱的實(shí)際走線情況，僅在理論上可行。

對于超特高壓系統(tǒng)復(fù)雜的保護(hù)配置情況而言，斷路器操作回路的壓板數(shù)量較多。實(shí)際工作中壓板的投/退操作由從事繼電保護(hù)整定的操作人員手動完成，由操作人員誤投、誤退和不按順序投/退壓板造成斷路器誤動或拒動的情況時(shí)有發(fā)生。壓板狀態(tài)是斷路器操作回路的監(jiān)視盲區(qū)［10］，一旦出現(xiàn)壓板誤操作，就只能由操作人員去現(xiàn)場檢查壓板狀態(tài)，自動化水平很低。文獻(xiàn)［12］介紹了目前壓板狀態(tài)監(jiān)測的常用方法，并給出了一種利用反射式光纖傳感器監(jiān)測壓板狀態(tài)的方法，但是該傳感器抗干擾能力較差，可能誤判壓板狀態(tài)。

保護(hù)出口接點(diǎn)是串接在跳閘回路中控制斷路器動作跳閘的常開接點(diǎn)。為了防止保護(hù)出口接點(diǎn)粘死造成斷路器誤動作，有必要對保護(hù)出口接點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測［11］。文獻(xiàn)［13］設(shè)計(jì)了一種快速測量多個(gè)保護(hù)出口接點(diǎn)狀態(tài)的裝置，但是該裝置不具備智能化監(jiān)視功能。

智能變電站的主要標(biāo)志是能夠?qū)崿F(xiàn)一次設(shè)備和回路的智能化控制、監(jiān)測和保護(hù)［14-15］，斷路器操作回路的智能化監(jiān)測對推進(jìn)我國智能變電站的建設(shè)具有十分重要的意義。本文在現(xiàn)有斷路器操作回路監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，用霍爾電流傳感器監(jiān)測操作回路電流的數(shù)值變化，分析斷路器跳/合閘回路的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場數(shù)字量信息采集的斷路器操作回路智能化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了跳/合閘回路的全工況監(jiān)視和保護(hù)。通過在斷路器操作回路中裝設(shè)非接觸位置傳感器和霍爾電壓傳感器，該系統(tǒng)亦實(shí)現(xiàn)了壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)測。

1 斷路器操作回路薄弱環(huán)節(jié)分析

1.1 跳/合閘回路

圖1為斷路器跳/合閘回路原理圖。根據(jù)部頒標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動裝置反事故措施要點(diǎn)》第3.4條要求，為了避免斷弧能力較差的自動與手動跳/合閘常開接點(diǎn) ZTJ、STJ和 ZHJ、SHJ提前返回，斷開較大的跳/合閘回路動作電流導(dǎo)致拉弧燒毀，并保證正常跳/合閘命令時(shí)斷路器可靠動作，跳/合閘回路需串聯(lián)自保持繼電器TBJ、HBJ，其能保證斷路器跳/合閘操作完成后由斷弧能力較強(qiáng)的斷路器輔助接點(diǎn)QF2和QF1斷開回路。分析圖1可知，TBJ、HBJ也是造成斷路器輔助接點(diǎn)QF2、QF1拒動時(shí)跳/合閘回路元件燒毀的重要原因［16］。由于跳/合閘回路元件是按照短時(shí)通電設(shè)計(jì)的，一旦QF2、QF1拒動，在TBJ、HBJ的自保持作用下回路將長時(shí)間導(dǎo)通，回路線圈和回路繼電器等元件會因長時(shí)間流過動作電流而燒毀。圖1中跳/合閘位置繼電器TWJ、HWJ所在監(jiān)視支路只有在跳/合閘元件燒毀斷線后才能給出回路斷線信號，不能提前發(fā)出預(yù)警信號，無法起到保護(hù)回路的作用。

采用跳/合閘位置繼電器TWJ、HWJ監(jiān)視跳/合閘回路的完好性，并不能實(shí)現(xiàn)回路的全工況監(jiān)視。該方法利用跳閘位置繼電器TWJ監(jiān)視合閘回路，合閘后合閘回路便失去監(jiān)視；利用合閘位置繼電器HWJ監(jiān)視跳閘回路，跳閘后跳閘回路便失去監(jiān)視，僅能達(dá)到連續(xù)監(jiān)視直流操作電源的目的，并不能滿足連續(xù)監(jiān)視跳/合閘回路的要求［1］?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》和部頒標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5136—2012《火力發(fā)電廠、變電站二次接線設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中均明確要求實(shí)現(xiàn)跳/合閘回路的全工況監(jiān)視。

圖1 斷路器跳/合閘回路原理圖Fig.1 Schematic diagram of circuit breaker’s tripping/closing circuit

1.2 壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)

按照壓板在斷路器操作回路中作用的不同，壓板可以分為功能壓板和跳閘出口壓板。功能壓板與保護(hù)裝置相連，用來投/退保護(hù)裝置；跳閘出口壓板作用于斷路器的跳閘線圈，驅(qū)動跳閘線圈將斷路器動作跳閘。壓板的投/退狀態(tài)對保護(hù)裝置保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)及斷路器動作跳閘有直接影響［12］。變電站倒閘包括一次設(shè)備操作和二次設(shè)備操作，其中二次設(shè)備操作的主要內(nèi)容是正確投/退壓板。由于壓板數(shù)量眾多并且某些壓板工作在比較惡劣的環(huán)境下，因此除了由操作人員誤操作導(dǎo)致的壓板誤操作故障外，壓板本身也可能出現(xiàn)各種各樣的內(nèi)部故障，如：壓板腐蝕生銹、螺柱老化斷裂和壓板投入不到位等。圖2為斷路器操作回路中壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)示意圖。由圖2可知，功能壓板故障將造成保護(hù)裝置不能啟動；跳閘出口壓板故障將造成跳閘線圈無法勵磁，這2種情況都將造成斷路器拒動。

圖2 斷路器操作回路中壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of platen and protection outlet contact in circuit breaker operating circuit

保護(hù)出口接點(diǎn)和壓板配合，共同控制斷路器動作跳閘。正常情況下保護(hù)出口接點(diǎn)的通斷受保護(hù)裝置控制，但偶爾可能發(fā)生保護(hù)出口接點(diǎn)粘死的情況。保護(hù)出口接點(diǎn)粘死對跳閘回路的影響如圖3所示，當(dāng)斷路器處于合閘位置且發(fā)生保護(hù)出口接點(diǎn)CK粘死故障時(shí)，跳閘出口壓板的投入將會造成斷路器直接動作跳閘。保護(hù)出口接點(diǎn)具有和壓板一樣的重要性且同樣處于無監(jiān)視的狀態(tài)，應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)保護(hù)出口接點(diǎn)和壓板的狀態(tài)監(jiān)測。

圖3 保護(hù)出口接點(diǎn)粘死對跳閘回路的影響Fig.3 Influence of protection outlet contact adhesion on closing circuit

2 跳/合閘回路的全工況監(jiān)視與保護(hù)

2.1 改進(jìn)的跳/合閘回路

改進(jìn)后的跳/合閘回路原理圖如圖4所示，在文獻(xiàn)［1］的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際情況，改進(jìn)了斷路器操作箱、機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的跳/合閘回路，實(shí)現(xiàn)了回路的全工況監(jiān)視和保護(hù)。

保護(hù)：在斷路器操作箱內(nèi)用跳/合閘時(shí)間繼電器TTJ、HTJ取代常規(guī)方案中的保持繼電器 TBJ、HBJ，在滿足跳/合閘動作自保持要求的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)跳/合閘回路的保護(hù)功能。以合閘回路為例，當(dāng)斷路器自動與手動合閘接點(diǎn)ZHJ、SHJ閉合時(shí)，合閘回路導(dǎo)通，并由HTJ的常開接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)合閘動作的自保持。HTJ得電后便開始計(jì)時(shí)，若斷路器輔助接點(diǎn)QF1不能及時(shí)切斷合閘回路，則由HTJ延時(shí)接點(diǎn)切斷合閘回路，從而避免回路元件長時(shí)間流過動作電流而燒毀。

圖4 改進(jìn)后的跳/合閘回路原理圖Fig.4 Schematic diagram of improved tripping/closing circuit

全工況監(jiān)視：在斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)增加附加監(jiān)測電阻 R1、R2及斷路器輔助接點(diǎn) QF3、QF4，在斷路器操作箱出口處安裝霍爾電流傳感器HL1、HL2，能夠?qū)崿F(xiàn)跳/合閘回路的全工況監(jiān)視。其中，R1和QF3串聯(lián)構(gòu)成合閘后合閘回路的監(jiān)視支路；R2和QF4串聯(lián)構(gòu)成跳閘后跳閘回路的監(jiān)視支路；HL2、HL1用來監(jiān)測跳/合閘回路電流。以合閘回路為例，當(dāng)斷路器處于合閘狀態(tài)時(shí)，常閉輔助接點(diǎn)QF1斷開，常開輔助接點(diǎn)QF3閉合，直流母線±KM經(jīng)跳位監(jiān)視繼電器TWJ、電纜、R1、QF3和合閘線圈HQ導(dǎo)通。因?yàn)門WJ、HWJ均為高內(nèi)阻繼電器，回路將流過微小電流Is。將Is定義為合位監(jiān)視電流，一旦合位監(jiān)視電流Is小于設(shè)定的斷線報(bào)警電流值If，則可判斷合閘回路發(fā)生接觸不良或斷線故障，實(shí)現(xiàn)了合閘后合閘回路的斷線監(jiān)視。當(dāng)斷路器處于跳閘狀態(tài)時(shí)，直流母線±KM經(jīng)TWJ、電纜、QF1和HQ導(dǎo)通。與斷路器合閘狀態(tài)相比，回路中不再包括R1，回路電流是比Is稍大的電流Im。將Im定義為跳位監(jiān)視電流，實(shí)時(shí)比較跳位監(jiān)視電流Im與斷線報(bào)警電流值If，可代替常規(guī)方案中位置繼電器TWJ、HWJ常閉接點(diǎn)串接信號回路的方法監(jiān)視合閘回路，實(shí)現(xiàn)了跳閘后合閘回路的智能化監(jiān)測。

經(jīng)過圖4所示的改進(jìn)后，跳/合閘回路既能在斷路器處于跳閘位置或合閘位置時(shí)同時(shí)監(jiān)視跳/合閘回路的完好性，又能在斷路器動作跳/合閘時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測回路的工作狀況，保護(hù)回路元件。

2.2 跳/合閘回路的參數(shù)整定與元件選型

2.2.1 附加監(jiān)測電阻的整定

以合閘回路為研究對象進(jìn)行分析，用Un表示直流操作回路額定電壓，Rc表示合閘線圈HQ電阻，Rw表示跳閘位置繼電器TWJ的內(nèi)阻，R1表示附加監(jiān)測電阻，Rt表示合閘時(shí)間繼電器HTJ的內(nèi)阻，忽略電纜線阻，跳位監(jiān)視電流Im和合位監(jiān)視電流Is分別為：

用Ia表示合閘回路動作電流，如式（3）所示。

為了保證合閘線圈HQ的長期熱穩(wěn)定性，操作箱中TWJ的內(nèi)阻Rw不應(yīng)太小，可以取為5 kΩ。HQ電阻一般很小，粗略估計(jì)為100 Ω。直流母線電壓Un取為220 V。由式（1）可知，Im約為43.137 mA。由式（2）可知，附加監(jiān)測電阻R1越大，合位監(jiān)視電流Is越小。為了保證Is仍在霍爾電流傳感器測量范圍內(nèi)，附加監(jiān)測電阻R1不應(yīng)太大。

取 αIa（α 為可靠系數(shù)，0＜α＜1）作為時(shí)間繼電器的啟動電流Iq，即：

若線路保護(hù)具有自動重合功能，當(dāng)自動合閘或手動合閘到故障時(shí)，斷路器會重合閘，自動合閘與手動合閘的接點(diǎn)ZHJ、SHJ一般不會立即返回。合閘回路將經(jīng)由斷路器輔助接點(diǎn)QF3再次導(dǎo)通，此時(shí)合閘回路電流Ip為：

由式（5）可知，附加監(jiān)測電阻R1太小將造成回路電流Ip大于時(shí)間繼電器啟動電流Iq，時(shí)間繼電器HTJ將在合閘后重新得電計(jì)時(shí)，造成時(shí)間繼電器的延時(shí)接點(diǎn)反復(fù)動作而損毀，回路元件長時(shí)間流過動作電流而燒毀。為了避免這種情況的發(fā)生，此時(shí)回路電流Ip應(yīng)小于時(shí)間繼電器的啟動電流Iq，即應(yīng)滿足式（6）。

其中，0＜β＜1。

和HBJ一樣，改進(jìn)回路選擇電流型時(shí)間繼電器HTJ，Rt很小。Rw遠(yuǎn)大于 Rt，由式（5）可得：

因此，R1取值應(yīng)該滿足：

在式（8）中，當(dāng) α、β 分別取為 0.2、0.5，Rc取為100 Ω時(shí)，R1取值應(yīng)大于900 Ω。考慮到霍爾電流傳感器應(yīng)從電流數(shù)值大小上區(qū)分跳位監(jiān)視電流Im和合位監(jiān)視電流Is，R1的取值應(yīng)該和位置繼電器內(nèi)阻Rw在一個(gè)數(shù)量級上。綜上，R1可以取為1 kΩ。

由式（1）和式（2）可知，合閘回路的跳位監(jiān)視電流Im約為43.137mA，合位監(jiān)視電流Is約為36.066mA。兩者數(shù)值很接近，很難僅從數(shù)值大小上進(jìn)行區(qū)分。在斷路器合閘過程中，合閘回路監(jiān)測電流Ih從跳位監(jiān)視電流Im增大為合閘動作電流Ia，然后斷路器輔助接點(diǎn)QF1和QF2狀態(tài)轉(zhuǎn)換，回路電流減小為合位監(jiān)視電流Is，直到斷路器動作跳閘，回路電流重新變?yōu)樘槐O(jiān)視電流Im，斷路器下一次動作合閘將重復(fù)上述變化過程，如圖5所示。在合閘回路監(jiān)測電流Ih從Is變?yōu)镮m的過程中，跳閘回路監(jiān)測電流It由跳閘動作電流減小為跳位監(jiān)視電流，電流突變量ΔIt為負(fù)：

圖5 斷路器跳/合閘回路電流變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of current variation in circuit breaker tripping/closing circuit

根據(jù)跳閘回路監(jiān)測電流突變量ΔIt的正負(fù)和合閘回路監(jiān)測電流Ih的數(shù)值大小可區(qū)分合閘回路處于合位狀態(tài)還是跳位狀態(tài)。

2.2.2 電流監(jiān)測元件的選擇與參數(shù)整定

本文采用穿孔式磁平衡霍爾電流傳感器作為跳/合閘回路的電流監(jiān)視元件。將霍爾電流傳感器安裝在操作箱內(nèi)跳/合閘回路電纜出口處，跳/合閘回路導(dǎo)線穿過電流傳感器的通孔。采用霍爾電流傳感器監(jiān)測回路電流時(shí)不需要斷開回路，不會對回路正常運(yùn)行造成影響，其具有體積小、安裝方便、測量范圍寬、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［17］。

根據(jù)式（3），斷路器跳/合閘回路動作電流一般在2～3 A范圍內(nèi)。為了研究斷路器在跳/合閘動作時(shí)其跳/合閘線圈動作電流信號中蘊(yùn)含的斷路器機(jī)械狀態(tài)信息，霍爾電流傳感器應(yīng)該在2～3 A數(shù)值范圍內(nèi)具有較高的測量精度［1-2］。跳/合閘監(jiān)視電流是40 mA左右的斷線監(jiān)視電流，為了判斷回路是否斷線，系統(tǒng)只需判斷監(jiān)視電流的有無，不需要得到監(jiān)視電流的細(xì)節(jié)信息，系統(tǒng)對斷線監(jiān)視電流沒有太高的精度要求。因此，本系統(tǒng)選擇測量范圍為20 mA～5 A的霍爾電流傳感器，為了減輕霍爾電流傳感器選型的困難，可以要求其保證100 mA～5 A的精度，放寬為20～100 mA的精度要求。

2.2.3 時(shí)間繼電器的選擇

選擇時(shí)間繼電器時(shí)，需要考慮繼電器的接點(diǎn)容量及整定時(shí)間［8］。普通時(shí)間繼電器接點(diǎn)不能可靠切斷動作電流，可選擇帶大容量接點(diǎn)中間繼電器的時(shí)間繼電器。為了保證斷路器完成跳/合閘操作后再切斷動作電流，時(shí)間繼電器整定時(shí)間應(yīng)略大于斷路器固有跳/合閘時(shí)間與輔助接點(diǎn)電弧燃燒時(shí)間，這段時(shí)間一般不超過200 ms。又考慮到斷路器操作回路元件最長只能承受2 s的動作電流，可選擇最大延時(shí)400 ms的時(shí)間繼電器。

3 壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)測

電感式接近開關(guān)［18］和霍爾電壓傳感器被選擇用于監(jiān)測壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)狀態(tài)，并將壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量實(shí)時(shí)上傳，不必更換原有壓板，具有抗干擾性能好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

考慮到保護(hù)柜壓板投/退操作的實(shí)際情況，為了提高壓板狀態(tài)識別的準(zhǔn)確性，本文選擇非接觸位置傳感器中的圓柱形電感式接近開關(guān)。

安裝電感式接近開關(guān)后的壓板投/退示意圖如圖6所示，電感式接近開關(guān)安裝在壓板投入位置正下方保護(hù)屏柜表面的開孔處并將圓形監(jiān)測端面置于屏柜表面。壓板投入時(shí)，壓板金屬面位于檢測端面前方，接近開關(guān)輸出壓板投入信號；壓板退出時(shí)，檢測端面前方無金屬，接近開關(guān)輸出壓板退出信號。

圖6 安裝電感式接近開關(guān)后的壓板投/退示意圖Fig.6 Schematic diagram of platen on/off status after installing inductive proximity switch

采用非接觸位置傳感器，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測壓板的投/退狀態(tài)，但無法判斷壓板本身是否發(fā)生腐蝕、損壞、虛接等導(dǎo)致壓板電阻增大的內(nèi)部故障?；魻栯妷簜鞲衅餮b設(shè)位置示意圖如圖7所示，以跳閘出口壓板為例，在跳閘出口壓板靠近母線-KM的B端安裝霍爾電壓傳感器B，當(dāng)保護(hù)出口接點(diǎn)閉合、跳閘出口壓板投入后，若霍爾電壓傳感器B輸出電壓值比母線+KM電壓小很多，說明跳閘出口壓板內(nèi)阻增大，判斷跳閘出口壓板可能發(fā)生內(nèi)部故障。

圖7 霍爾電壓傳感器裝設(shè)位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of installation position of Hall voltage sensors

為了監(jiān)測保護(hù)出口接點(diǎn)狀態(tài)，在圖7所示跳閘出口壓板靠近母線+KM的A端裝設(shè)霍爾電壓傳感器A。若霍爾電壓傳感器A輸出母線電壓，判斷保護(hù)出口接點(diǎn)處于閉合狀態(tài)，系統(tǒng)給出接點(diǎn)位置狀態(tài)信號，避免操作人員誤操作造成斷路器動作跳閘。

在跳閘出口壓板A端裝設(shè)霍爾電壓傳感器還能實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的校驗(yàn)。繼電保護(hù)裝置需要定期校驗(yàn)其保護(hù)功能是否正常，校驗(yàn)中重要的一環(huán)是試驗(yàn)保護(hù)裝置能否出口跳閘。每校驗(yàn)一種保護(hù)功能，斷路器需要實(shí)際跳/合閘一次，這樣校驗(yàn)很容易損壞斷路器。在跳閘出口壓板A端裝設(shè)霍爾電壓傳感器，可以根據(jù)出口壓板A端是否有正電壓突變實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的校驗(yàn)，而不需要斷路器實(shí)際動作跳閘，避免了校驗(yàn)保護(hù)功能時(shí)因頻繁開合斷路器而降低其使用壽命。

4 斷路器操作回路智能化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跳/合閘回路的非全工況監(jiān)視、壓板及保護(hù)出口接點(diǎn)存在監(jiān)視盲區(qū)是斷路器操作回路的薄弱環(huán)節(jié)。在斷路器操作回路的智能化監(jiān)測系統(tǒng)中運(yùn)用前文所提改進(jìn)的跳/合閘回路、壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)視方法，實(shí)現(xiàn)了跳/合閘回路的全工況監(jiān)視和回路保護(hù)、壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障后的報(bào)警。相比文獻(xiàn)［1］所提只能實(shí)現(xiàn)對跳/合閘回路的全工況監(jiān)視與保護(hù)且未考慮工程實(shí)際情況的在線監(jiān)測與預(yù)警方法，本文所提的智能化監(jiān)測系統(tǒng)的功能更多，監(jiān)測范圍也更廣，應(yīng)用于實(shí)際工程中的意義也更大。

斷路器操作回路由保護(hù)裝置、操作箱和機(jī)構(gòu)箱組成。其中保護(hù)裝置和操作箱組成保護(hù)屏柜，位于保護(hù)小室內(nèi)。機(jī)構(gòu)箱位于戶外斷路器開關(guān)的下方，通過電纜溝里的電纜與操作箱相連。考慮現(xiàn)場情況，將斷路器操作回路智能化監(jiān)測系統(tǒng)置于保護(hù)小室內(nèi)。斷路器操作回路智能化監(jiān)測系統(tǒng)如圖8所示，該系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器、電感式接近開關(guān)及霍爾電壓傳感器等底層傳感器采集斷路器操作回路現(xiàn)場信息，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)采集信號的處理和上傳，采用LabVIEW編寫系統(tǒng)后臺應(yīng)用程序。該系統(tǒng)的主要功能有跳/合閘回路全工況監(jiān)視與保護(hù)，壓板和保護(hù)出口接點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)測，壓板誤操作和內(nèi)部故障報(bào)警，保護(hù)出口接點(diǎn)故障報(bào)警，狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲及人機(jī)交互等。

圖8 斷路器操作回路智能化監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of intelligent monitoring system for circuit breaker operating circuit

5 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD對本文所提斷路器操作回路全工況監(jiān)視與保護(hù)方案進(jìn)行建模分析，根據(jù)圖4搭建改進(jìn)后的跳/合閘回路并按照2.2節(jié)分析結(jié)果選擇回路元件的參數(shù)。

以合閘回路為例，對所提方案的跳/合閘回路全工況監(jiān)視功能進(jìn)行校驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中在合閘回路串接電阻模擬回路的斷線故障，根據(jù)上文分析可知，合閘回路的跳位監(jiān)視電流Im約為43.137 mA，合位監(jiān)視電流Is約為36.066 mA，若跳閘后合閘回路監(jiān)測電流小于40 mA，或合閘后合閘回路監(jiān)測電流小于33 mA，即可認(rèn)為發(fā)生回路斷線故障，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號。

記錄斷路器動作跳/合閘后合閘回路的監(jiān)測結(jié)果，分別如表1和表2所示。

表1 跳閘后合閘回路監(jiān)視結(jié)果Table 1 Monitoring results of closing circuit after tripping

表2 合閘后合閘回路監(jiān)視結(jié)果Table 2 Monitoring results of closing circuit after closing

以合閘回路為例，對所提跳/合閘回路保護(hù)功能進(jìn)行校驗(yàn)。斷路器正常合閘和輔助接點(diǎn)QF1拒動時(shí)合閘回路監(jiān)視電流Ih曲線分別如圖9、圖10所示。

圖中t1時(shí)刻斷路器動作合閘，t2時(shí)刻斷路器輔助接點(diǎn)QF1動作斷開合閘回路，合閘回路監(jiān)視電流Ih由動作電流降為合位監(jiān)視電流。對比圖9和圖10可知，斷路器輔助接點(diǎn)拒動將造成合閘回路長時(shí)間流過動作電流，非常容易造成合閘線圈燒毀。根據(jù)圖4對合閘回路進(jìn)行改造，將時(shí)間繼電器延時(shí)時(shí)間整定為0.4 s。時(shí)間繼電器延時(shí)接點(diǎn)動作合閘回路監(jiān)視電流曲線如圖11所示，當(dāng)斷路器輔助接點(diǎn)QF1拒動時(shí)由時(shí)間繼電器延時(shí)接點(diǎn)在t3時(shí)刻動作斷開動作電流。

以上結(jié)果表明，改進(jìn)后的斷路器操作回路全工況監(jiān)視與保護(hù)方案在實(shí)現(xiàn)全工況監(jiān)視跳/合閘回路工作狀況的同時(shí)能有效實(shí)現(xiàn)對跳/合閘回路元件的保護(hù)。

圖9 斷路器正常合閘時(shí)合閘回路監(jiān)視電流曲線Fig.9 Monitoring current curve of closing circuit when circuit breaker closes normally

圖10 斷路器輔助接點(diǎn)拒動時(shí)合閘回路監(jiān)視電流曲線Fig.10 Monitoring current curve of closing circuit when auxiliary switch refuses to operate

圖11 時(shí)間繼電器作用時(shí)合閘回路監(jiān)視電流曲線Fig.11 Monitoring current curve of closing circuit when time relay operates

6 結(jié)論

本文分析了斷路器操作回路的工作原理，結(jié)合回路的薄弱環(huán)節(jié)，提出了一種斷路器操作回路的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，所提結(jié)論如下。

a.該系統(tǒng)改進(jìn)了跳/合閘回路，用時(shí)間繼電器取代跳/合閘保持繼電器，實(shí)現(xiàn)了回路元件的保護(hù)；設(shè)計(jì)了全工況監(jiān)視支路并給出了回路的元件選型與參數(shù)整定標(biāo)準(zhǔn)，在斷路器操作箱內(nèi)跳/合閘回路出口處安裝霍爾電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測回路電流，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)回路是否發(fā)生接觸不良、斷線等故障，實(shí)現(xiàn)了跳/合閘回路的全工況監(jiān)視。

b.該系統(tǒng)針對斷路器操作回路中壓板、保護(hù)出口接點(diǎn)狀態(tài)無監(jiān)視的不足，提出了配合使用電感式接近開關(guān)和霍爾電壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測壓板、保護(hù)出口接點(diǎn)狀態(tài)的方法，并給出了傳感器的具體安裝位置，能夠?qū)崿F(xiàn)壓板誤操作報(bào)警和保護(hù)出口接點(diǎn)故障報(bào)警，還能簡化斷路器保護(hù)功能的校驗(yàn)。

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