断路器分合闸线圈状态检测及保护系统探究

汪 洋

（国网芜湖供电公司，芜湖,241100）

断路器分合闸线圈状态检测及保护系统探究

汪 洋

（国网芜湖供电公司，芜湖,241100）

设计了一种断路器分合闸线圈状态检测及保护系统，该系统通过监测及记录每次断路器分合的状态，在跳合闸过程中，有效保护由于种种原因导致跳合闸线圈拒动时的跳合闸线圈。通过霍尔传感器测量分合闸线圈回路的直流电流，根据采集到的直流电流大小计算分合闸线圈的发热量，设定达到线圈发热的极限值，通过电力电子元件器IGBT和继电器组合的回路来分开分合闸线圈回路，达到保护分合闸线圈功能。实际应用表明，该系统运行稳定，较好地实现了断路器分合闸线圈状态检测及保护。

断路器；分合闸线圈；状态检测；保护

0 引言

电力系统运行中经常发生跳合闸线圈烧毁事故。众所周知，跳合闸线圈都是按照短时通电设计的。跳合闸线圈的烧毁、主要是由于跳、合闸线圈回路的电流不能正常切断，导致跳合闸线圈长时间通电而造成的。作为电力系统中重要的电气元件，在电力系统发生故障时，断路器接受继电保护及自动装置的跳闸命令，并且要求其以毫秒级的速度去执行跳闸动作，以避免事故的蔓延和扩大。因此，要求断路器在投运中能随时处于待命状态，且可以做到令行禁止。尤其不允许出现有跳闸命令时，断路器拒绝跳闸的现象。

在电力系统的中低压变电站中，还有大量的电磁操作机构断路器在运行。实践证明，这类断路器的操作机构稳定性较差。操作过程中，时有拒分拒合或辅助触点断不开的故障发生。在常规的有人值班变店站中，人工操作断路器，当出现上述故障时，可由控制开关KK或者及时断开该路控制电源，人工切断操作电流。因此，烧毁分合闸线圈的故障较少。即使目前已大量采用的弹簧储能操作机构的断路器，特别在调试、检修中，也多次发生在机械闭锁状态下错误进行电动操作而烧线圈的事。

为此，本文针对跳合闸线圈烧毁的问题，针对性地提出一种新的跳合闸线圈监测及保护装置，以解决上述问题。

1 系统硬件体系设计

硬件体系设计如图1所示。装置采用TI的高性能DSP TMS320C6713 作为主CPU，直流电流测量采用天瑞电子的TR0202-LB系列霍尔电流传感器，线圈回路保护的继电器采用欧姆龙继电器，IGBT采用infineon的SKB15N60HS，此IGBT可耐受600V电压，通断15A电流。

2 软件体系设计

断路器分合闸线圈状态检测及保护系统通过测量跳合闸线圈的直流，通过一定的逻辑对分合闸线圈回路进行保护，其主要功能分闸线圈定时限、反时限、分闸线圈有流告警，合闸线圈定时限、反时限，合闸线圈有流告警。

2.1 分闸线圈定时限

装置实时计算分闸线圈电流值，当分闸线圈电流大于整定定值80%时分闸线圈定时限段启动，达到设定的时间定值，装置出口断开跳圈回路保护跳圈。出口动作逻辑为先合上IGBT，在断开继电器，最后在断开IGBT。动作逻辑如下：

图中Itq为分闸线圈实时计算值In为分闸线圈额定电流的80%

2.2 分闸线圈反时限

反时限动作公式为：

式中。T为分闸线圈定时限段时间定值，Ip为分闸线圈反时限启动电流，软件设定为线圈额定电流的50%，I为分闸线圈电流实测值，反时限动作出口逻辑同定时限。

分闸线圈定时限和反时限共同构成分闸线圈保护。当线圈电流等于设定的额定电流时，定时限和反时限动作时间相同。当由于分闸线圈电压偏高等原因造成分闸线圈电流大于额定电流时，分闸线圈反时限保护的动作时间将缩短，有效保护分闸线圈。

分闸线圈定时限和反时限出口相互配合，当定时限动作时先判断反时限是否已经动作，如果反时限已动作，定时限将只发动作报文，不在操作出口。当反时限动作时先判断定时限是否已经动作，如果定时限已动作，反时限将只发动作报文，不在操作出口。

2.3 分闸线圈有流告警

当分闸线圈电流大于额定电流的20%（或者0.2A,取两者之间大值），延时分闸线圈定时限段时间定值加上5s后，报分闸线圈有流告警。其动作逻辑如下：

图中Itq为分闸线圈实时计算值，Igj为分闸线圈额定电流的20%。

2.4 合闸线圈定时限

装置实时计算合闸线圈电流值，当和闸线圈电流大于整定定值80%时和闸线圈定时限段启动，达到设定的时间定值，装置出口断开跳圈回路保护跳圈。出口动作逻辑为先合上IGBT，在断开继电器，最后在断开IGBT。动作逻辑如下：

图中Ihq为合闸线圈实时计算值，In为合闸线圈额定电流的80%

2.5 合闸线圈反时限

图1 系统硬件架构图

图2 分闸线圈定时限动作逻辑图

合闸线圈定时限和反时限共同构成合闸线圈保护。当线圈电流等于设定的额定电流时，定时限和反时限动作时间相同。当由于合闸线圈电压偏高等原因造成合闸线圈电流大于额定电流时，合闸线圈反时限保护的动作时间将缩短，有效保护合闸线圈。

合闸线圈定时限和反时限出口相互配合，当定时限动作时先判断反时限是否已经动作，如果反时限已动作，定时限将只发动作报文，不在操作出口。当反时限动作时先判断定时限是否已经动作，如果定时限已动作，反时限将只发动作报文，不在操作出口。

2.6 合闸线圈有流告警

当合闸线圈电流大于额定电流的20%（或者0.2A,取两者之间大值），延时合闸线圈定时限段时间定值加上5s后，报合闸线圈有流告警。其动作逻辑如下：

图中Ihq为合闸线圈实时计算值，Igj为合闸线圈额定电流的20%。

3 系统技术性能指标

断路器分合闸线圈状态检测及保护装置满足以下技术指标。

（1）分、合闸线圈回路直流测量

直流测量范围：0A-20A；

直流测量精度：＜3%。

（2）分、合闸线圈保护

电流精度：＜3%；

时间精度：1.2倍定值下 速度动作时间小于40ms，其余动作时间要求为小于2%或者小于40ms。

（3）装置开入量

装置开入量为220V/110V；

开入量要求在70%电压时可靠动作，55%电压时可靠不动作。

（4）装置提供以太网通讯接口

可以与后台监控通讯。

4 结论

本文设计的系统装置能监测及记录每次断路器分合的状态（通过线圈的电流、分合的时间、分合次数等），并能在跳合闸过程中由于种种原因导致跳合闸线圈拒动时能有效保护跳合闸线圈（此功能能够投退，并且不影响原操作回路特性）。。与现有技术及系统相比，本问提出的基于断路器分合闸线圈状态检测及保护系统经实际运行，具有以下优势：

（1）为分、合闸线圈提供保护，让分、合闸线圈烧毁现象减少；能有效提高变电站安全运行能力，减少现场维护工作量以及维护费用。

（2）通过对分、合闸线圈回路电流的测量和记录，为分析分、合闸线圈回路烧毁原因、断路器分合闸线圈拒动的原因提供理论依据。。

（3）通过对断路器分、合闸次数记录，为断路器检修提供数据支持。

[1] 张元敏，方如举．低压断路器合闸线圈保护的研究[J]．电力系统保护与控制，2010(03)：122-124．

[2] 崔勇，王川，洪浩等．断路器合闸回路保护装置及相应的断路器合闸回路[P]．中国专利，CN201220495828.5．

[3] 高世伟，胡曙明，郝春兵．高压断路器合闸线圈防烧毁自动保护装置[P]．中国专利，，CN201320295650.4．

[4] 胡浩，刘玉海，李元安．断路器合闸线圈烧毁原因分析与改进[J]．山东电力技术，2014(02)：52-54．

The State Detection and Protection System of Circuit Breaker Off-Closing Coil

Wang Yang
（Wuhu Power Supply Company of State Grid Company of China,Wuhu,241100）

A circuit breaker closing coil state detection and protection system is presented. The offclosing state is keeping by the monitoring and recording of each circuit breaker tripping. The off-closing coil of maloperation is protected in the process of shunt trip for circuit breaker.The DC current of offclosing coil is measured by Holzer sensor.Based on the heating quantity of off-closing coil calculation by the measured DC current,the coil heating value is set.Through the power electronic components IGBT and relay circuit to separate the closing coil loop,to achieve protection tripping and closing coil function. The actual application shows that,the system run stably,which can better realize the closing coil state detection and protection circuit breaker.

Circuit breaker;Off-closing coil;State detection;Protection

图3 分闸线圈有流告警动作逻辑图

图4 合闸线圈定时限动作逻辑图

图5 合闸线圈有流告警动作逻辑图

汪洋（1982-），男，工学硕士，工程师，主要从事高电压试验技术、农电工程管理等方面的研究工作。