一种断路器对地及断口绝缘故障快速监测方法

刘志学

（1.江苏省电力公司检修分公司苏州检修分部，江苏 苏州 215000；2.苏州供电公司，江苏 苏州 215000）

0 引言

高压断路器导电部分的对地绝缘及断口之间的绝缘一般通过支柱或支持绝缘子、套管、绝缘拉杆、气体或液体介质、灭弧绝缘筒或瓷套实现[1-6]。若上述部件出现缺陷，则可能造成断路器对地或断口绝缘故障。目前断路器绝缘故障的切除时间一般是保护采样数据窗时间、保护延时、断路器开断时间三者之和，此时间越长，对电网的暂态稳定、相邻设备的正常运行和人身安全的负面影响越大。本文提出了一套断路器对地及断口绝缘故障快速监测系统，其与失灵保护跳闸回路配合使用时，可在断路器发生对地或断口绝缘故障时快速作用于相邻断路器跳闸，避免保护采样数据窗时间和保护延时带来的危害。

现有文献提出的断路器绝缘监测方法很多，它们都是通过断路器的各种外部特征判断断路器的绝缘性能，如通过监测断路器内部的放电情况[9-10]、湿度和压力[11-12]或断路器灭弧室物质的化学成分[12]来判断绝缘性能。这些方法大多原理复杂，且不能在断路器发生严重绝缘故障后快速响应，即无法和二次装置配合使用以快速切除断路器绝缘故障。

文献[13]提出了一种双断口断路器对地绝缘故障监测的方法，该方法利用双断口断路器横向电磁环境对称的特点来实现对地绝缘故障的监测，进而通过继电保护装置将故障切除。该方法虽然一定程度上实现了双断口断路器对地绝缘故障较为快速的监测，但是不适用于其他类型的断路器，且没有给出双断口断路器断口绝缘故障监测的实现过程。另外该方法在判别故障时存在一定延时，且易受相邻运行设备磁场的干扰而导致误判。

参照文献[13]的双断口断路器对地绝缘故障监测的方法和文献[14]提出的绝缘子闪络监测方法，本文提出了一种断路器对地及断口绝缘故障快速监测方法。该监测系统适用面广，可用于所有类型的断路器；当断路器发生对地绝缘故障时，该系统能瞬时响应；当断路器发生断口绝缘故障时，该系统能快速响应；当断路器正常运行时，该系统不存在误判的情况。

1 实现断路器对地及断口绝缘故障快速监测的必要性

高压断路器对地或断口绝缘故障的切除一般需通过失灵保护，现有失灵保护的长延时[7-8]会对电网、设备和人身安全带来一定的负面影响，下面以单断口断路器对地绝缘故障（见图1）为例进行说明。

图1 单断口断路器对地绝缘故障的情况Fig.1 Grounding fault of mono-break breaker

假设图中线路的2套主保护均为分相电流差动保护，则有：当接地点在断口母线侧（K1点）时，母差保护动作，跳本侧母线上所有断路器，但断路器A的内部绝缘可能在接地时已经损坏，那么母差保护动作跳闸后断路器A动静触头间将会有持续不灭的电弧，此时该故障需要通过失灵保护才能切除；当接地点在断口电流互感器侧（K2点）时，由于该点属于死区范围，所以该故障仍需通过失灵保护才能切除。高压断路器绝缘故障的切除时间较长会带来两方面的危害。

a.增加断路器内部的发热。断路器的发热和故障切除时间成正比，所以故障切除时间过长会增加断路器内部的热量积聚，从而可能引起断路器爆炸事故，对相邻运行设备和现场人员的安全造成威胁。

b.对电网的暂态稳定造成负面影响。较长的故障切除时间会使系统中发电机功角特性曲线的故障切除角变大，加速面积增加，即转子在电网故障期间动能的积累增大，功角恢复稳定的时间延长。

若能实现断路器绝缘故障的快速监测，并与失灵保护的跳闸回路配合，跳开与故障断路器相邻的断路器，就可快速切除故障，避免故障切除时间较长。

2 断路器对地及断口绝缘故障快速监测系统

本文提出的断路器对地及断口绝缘故障快速监测系统原理如图2所示。

2.1 监测系统的组成

监测系统由Rogowski线圈、或非门组成的基本RS触发器、无限大增益运算放大器、电阻、双向击穿二极管、光耦、断路器辅助开关、时间继电器及其辅助开关组成。

本系统可分成对地绝缘故障瞬时判别电路和断口绝缘故障延时判别电路2个部分，它们分别实现对断路器对地绝缘击穿和断口绝缘击穿的监测功能。

2个Rogowski线圈的型号相同，分别置于断路器的2个极端，且朝向相同（如正面都朝上）。2个线圈的引出端子串联后接到对地绝缘故障瞬时判别电路中的运算放大器A1的输入端。线圈1还通过断路器辅助开关QF和断口绝缘故障延时判别电路中的运算放大器A2的输入端相连。

传统的Rogowski线圈是均匀密绕在环形非磁性骨架上的空心螺线管，具有无饱和、响应速度快等特点，其输出电压能准确反映所包罗电流的导数的大小。若设i为Rogowski线圈所包罗电流，则图2 中 Rogowski线圈的输出电压为[15]：

其中，M为线圈互感，S为线圈截面积，N为线圈匝数，l为线圈总长度。由式（1）可知，Rogowski线圈的输出电压仅和所包罗的电流有关，不受外部磁场的干扰和影响。

由或非门组成的基本RS触发器功能[16]如表 1所示。

表1 基本RS触发器的功能表Tab.1 Functions of fundamental RS trigger

图2所示系统首次使用前，需对基本RS触发器进行初始化，即使FA1和FA2复归按钮先合后分，这样R（R*）端会先置1再置0。初始化后触发器输入R（R*）端、S（S*）端为 0，输出 Q（Q*）端为 0。

图2中，QF为断路器的辅助开关，断路器合闸时QF分开，断路器分闸时QF合上；双向击穿二极管VD1和VD2起到了信号过冲保护的作用。二极管反向击穿电压可防止Rogowski线圈输出信号过大而损坏电子元器件，从而提高了监测系统的可靠性；所有电阻及光耦的型号和参数可任意选择，没有限制。

图2 断路器对地及断口绝缘故障快速监测系统原理图Fig.2 Schematic diagram of rapid monitoring system for grounding and break faults of breaker

2.2 对地绝缘故障瞬时判别电路的工作过程

对地绝缘故障瞬时判别电路在断路器分、合闸时都能瞬时监测断路器内部导电部分对地绝缘击穿。

若设图2中线圈1所包罗的电流为i1，线圈2所包罗的电流为i2，断路器对地绝缘故障时短路电流为i3，则可进行如下分析。

断路器无对地绝缘故障时，A1的输入为：

此时A1的输出电压为0，光耦IC1及IC2中的发光二极管都不发光，2个光敏三极管截止；触发器的R端和S端状态恒为0，触发器不动作，即断路器无对地绝缘故障时触发器输出Q端始终为0。

若t=0时断路器发生绝缘故障，假设：接地电阻为 R，高压带电导体电压，则此时：

由于2个Rogowski线圈的输出电压仅和其所包罗的电流有关，不受相邻运行设备产生磁场的干扰和影响，所以在没有发生对地绝缘故障时本监测系统不存在误判的可能。

故障处理完毕后需使FA1按钮先合后分，让R端先置1再置0，恢复基本RS触发器的初始状态。

2.3 断口绝缘故障延时判别电路的工作过程

断口绝缘故障延时判别电路能在断路器分闸时实现断路器断口绝缘击穿的监测功能。断口绝缘故障延时判别电路和对地绝缘故障瞬时判别电路的结构相似，只是增加了断路器辅助开关QF、时间继电器J及其辅助开关。时间继电器延时为T，其辅助开关可实现延时闭合瞬时断开功能。

不难看出，断口绝缘故障延时判别电路和对地绝缘故障瞬时判别电路的工作过程类似：当断路器分闸时，开关QF合上，断口绝缘故障延时判别电路投入使用，若某时刻断口绝缘击穿，则由类比上文的分析可知S*′端立即置1，由于时间继电器的存在，S*端经延时T后置1，即Q*端会在发生断口击穿延时T后输出为1并保持。Q*端可作为开入量接入失灵保护的跳闸回路，作用于相邻断路器跳闸，快速切除故障。当断路器合闸时，辅助开关QF分开，断口绝缘故障延时判别电路退出使用。

装设时间继电器J是为了消除断路器内部电弧通断时刻和辅助开关QF分合时刻不同步带来的危害。QF合上时刻（分开时刻）和断路器内部电弧熄灭时刻（燃弧时刻）的不同步会使监测系统产生误判：当断路器分闸时，若开关QF先合上而断路器电弧后熄灭，那么这段时间内Rogowski线圈输出始终有电压，通过分析可知，S*′端会置1，如果不装设时间继电器J及其接点，那么此时判别电路会由于这个“不同步”的时间误动作，而装设了时间继电器且整定一定延时后，可以避免误动情况的发生；当断路器合闸时，对于断路器触头间先产生电弧而开关QF后分开的情况可进行相似分析。

时间继电器的延时应同时大于开关QF合位时刻与断路器触头电弧完全熄灭时刻的时间差、断路器触头产生电弧时刻与开关QF分位时刻的时间差。但延时并不是越长越好，延时越长，故障切除时间越长，对电网暂态稳定、设备及人身安全越不利。

2.4 监测系统的响应时间

基本RS触发器与其他带有时序电路的触发器相比，其动作时间不受时序电路脉冲周期的影响，仅由或非门内晶体管的传输延迟决定，此延迟极小，可达纳秒级。

断路器发生对地绝缘故障时，图2所示系统的响应时间由运算放大器的传输延迟、光耦内晶体管的传输延迟和触发器的触发时间组成，每部分的时间都仅由其内部晶体管的传输时间决定，可达纳秒级，总时间对于电力系统而言可忽略不计，即可看作是瞬时的，而断路器发生断口绝缘故障时系统的响应时间可认为仅是时间继电器的整定延时。

2.5 发生绝缘故障时相关电气量波形图

f.发生故障的时刻a满足ωa=π。

则发生断路器对地绝缘故障时的相关电气量波形图如图3所示，发生断路器断口绝缘故障时的相关电气量波形图如图 4 所示。图中，sIC1、sIC2、sIC3、sIC4

若假设：

a.a时刻断路器发生对地或断口绝缘故障；

b.b时刻监测系统手动复归；

c.相邻断路器的开断时间（分闸时间和电弧燃烧时间之和）为60 ms；

图3 断路器发生对地绝缘故障时监测系统相关波形图Fig.3 Grounding-fault-related waveforms of monitoring system

图4 断路器发生断口绝缘故障时监测系统相关波形图Fig.4 Break-fault-related waveforms of monitoring system

d.时间继电器J整定延时为10 ms；表示4个光耦的通断情况，“1”为导通，“0”为截止。

根据图3，该断路器对地绝缘故障在a时刻发生，此时接地电流 i3产生。 由式（2）、（3）可知，此时图2中运算放大器A1的输入电压u1＞0，即此时A1的输出电压为正的电源偏置电压VCC，那么这时光耦IC2内发光二极管发光，光敏三极管导通，基本RS触发器立即触发。触发器的输出Q通过故障断路器的失灵保护跳闸回路快速地向相邻断路器的跳闸线圈发跳令。待相邻的所有断路器可靠断开后（动静触头完全分开且电弧熄灭），该断路器接地绝缘故障切除。b时刻基本RS触发器手动复归，其输出Q归零。

对于图4，假设该断路器正常运行在热备用状态，而在a时刻发生断口击穿故障，击穿时产生断口电流 i1。 则类比式（1）—（3）可知，此时图 2中运算放大器A2的输入电压u2＞0，即此时运放A2的输出电压为正的电源偏置电压VCC，那么这时光耦IC4内的发光二极管发光，光敏三极管导通，S*′置高电平，经过时间继电器J的延时之后继电器辅助接点J闭合，之后S*置高电平，基本RS触发器触发。触发器的输出Q通过故障断路器的失灵保护跳闸回路给相邻断路器的跳闸线圈发跳令。待相邻的所有断路器可靠断开后（动静触头完全分开且电弧熄灭），该断路器断口绝缘故障切除。b时刻基本RS触发器手动复归，其输出Q归零。

过电压入侵也是造成断路器绝缘故障的因素之一。从上文可知，对于过电压入侵的情况，在产生绝缘击穿电流的瞬时，图2所示监测系统的动作过程与工频电压下发生绝缘故障的动作过程相似，同样可以成功响应；当过电压入侵造成断路器对地绝缘故障击穿时，图2所示系统能瞬时响应；当过电压入侵造成断路器断口绝缘击穿时，图2所示系统经延时T后能快速响应。

3 结语

本文提出了一种断路器对地及断口绝缘故障快速监测方法，当由该方法实现的监测系统与失灵保护的跳闸回路配合使用时，可以在发生断路器绝缘故障时快速切除故障，避免长时间切除故障带来的危害。