永磁机构真空断路器防跳与继电保护的配合

张海栋，张朋飞，张 璐

(国网南阳供电公司，河南 南阳 473000)

1 断路器防跳的作用

断路器作为电力系统里重要的开关电气设备，其动作的可靠性对电力系统的安全稳定运行有着至关重要的影响。防跳机构是断路器操作机构的重要组成部分，其主要作用是防止断路器发生“跳跃”现象，进而损坏断路器。所谓“跳跃”是指开关合闸回路的遥合或手合触点由于粘连等原因，造成合闸输出回路一直有电压，当开关因故障跳开后，会马上合上，保护动作于开关会再次跳开，由于一直加有合闸电压，开关又会再次合上。故对此现象，通俗的称之为“开关跳跃”。一旦发生跳跃，轻则会导致开关损坏，严重的时候还可能会造成开关爆炸。

早期的断路器生产商一般不考虑断路器本体机构的防跳问题，而是通过继电保护厂商生产的操作箱防跳回路来进行防跳。当今的断路器防跳技术一般可分为两种:一种是断路器本体机构的防跳，其核心元件是防跳继电器，对合闸回路最终出口电压进行检测，若有异常电压立即断开合闸回路，结构简单运行可靠，具有较高的性价比;另一种是继电保护厂商生产的操作箱防跳，其不仅具有防跳功能，而且还具有位置检测、保持等功能，这种防跳操作箱功能完善，但是成本较高，结构相对复杂。

2 传统断路器开关机构与保护装置配合问题

2.1 断路器本体机构防跳原理

断路器本体机构的防跳原理很简单，基本上都是在其合闸回路上并联一个防跳继电器，通常称之为并联性防跳。下面以ZN-12(VSI)型断路器来具体说明其防跳原理。

图1 断路器本体机构防跳原理图

图1 中K 是开关机构的防跳继电器，DL 分别是开关机构断路器的常开辅助触点和常闭辅助触点。当断路器合闸后，DL 常开触点闭合，启动防跳继电器K，K 线圈开始励磁，K 辅助触点从(2)处断开，与(1)支路接通，从而切断了合闸回路。当合闸脉冲消失后，K 继电器失电返回，若回路中有异常电压则K就不会返回，此时合闸回路就会被切断，若此时断路器重合于永久性故障，则跳闸后就不会再次合闸。通过对断路器本体机构的原理分析可知，防跳继电器有保护和防跳两个作用。当合闸控制回路出现异常电压时，切断合闸回路，防止跳闸后再次合闸，这就是断路器的防跳作用。当合闸后，合闸脉冲消失前，由于防跳继电器实现了自保持，断开了合闸回路，这是断路器的保护作用。

2.2 保护装置的防跳原理

保护装置的防跳功能一般是由操作箱三相继电器为出口元件，利用操作箱的防跳回路进行防跳，是保护装置和断路器的中间环节。这里以南瑞继保公司的RCS-9611C 保护操作箱原理为例来说明防跳原理。

图2 保护装置的防跳回路

图2 中TWJ 是跳位监视继电器，HBJ 是合闸保持继电器，TBJ 是跳闸保持继电器，TBJV 是防跳继电器，HQ 是合闸线圈，TQ 是跳闸线圈，DL 是断路器辅助触点。其防跳原理为:当断路器合闸后，若出现故障，此时保护动作BTJ(保护跳闸出口继电器)常开触点闭合，接通跳闸回路。当重合于永久性故障并且此时合闸脉冲没有消失或者合闸触点HBJ 发生粘连时，TBJ 常开触点会闭合，使得防跳继电器TBJV的线圈励磁，其常闭触点断开，断开合闸回路，使断路器不能再一次合闸，从而实现防跳功能。与断路器本体机构防跳不同的是，操作箱防跳是通过在断路器跳闸时启动防跳继电器来断开合闸回路，属于跳闸闭锁合闸措施，其合闸线圈和防跳回路是串联相接，故称之为串联型防跳。

2.3 断路器本体机构与保护装置配合原理分析

在变电站现场工作中，同时保留断路器本体机构与保护装置的防跳功能。工作人员在控制断路器时发现，在给出一个持续合闸指令的同时，给出一个分闸指令，断路器会在分闸后再次合闸，并且合闸后合位指示灯和跳位指示灯都会点亮，且跳位指示灯较平常变暗。分析原因后发现是由于断路器本体机构与保护装置操作回路配合出现了寄生回路，其原理如图3 所示。

图3 断路器本体机构与保护装置配合回路图

由回路图分析，正常情况下开关在分位，当断路器合闸时，HBJ 常开触点闭合，储能电机辅助触点S1闭合。此时控制电源+110V 通过HBJ—TBJV—K—断路器本体机构(2)支路—DL 常闭触点—S2—HQ合闸线圈—-110 V 电源构成合闸回路。当开关合闸后，DL 常开触点闭合，DL 常闭触点打开，启动防跳继电器K，此时K 线圈开始励磁，K 辅助触点从(2)处断开，与(1)支路接通。此时控制电源+110 V通过绿灯—TWJ—K—断路器本体机构(1)支路—R—K 线圈—-110V 控制电源构成一条寄生回路。在此寄生回路上，元件参数选择不当时会使这条回路导通，这时就会出现“合闸后跳位灯和合位灯都点亮”的情况，同时由于TWJ、R 和K 的阻值大于HBJ和HQ 的阻值，进而造成跳位指示灯较平常变暗。另外，DL 常开触点闭合，机构防跳继电器K 会一直励磁，K 辅助触点从(2)处断开，与(1)支路接通，切断了合闸回路，产生开关分闸后不能再次合闸的现象。针对这种缺陷，在现场的保护工作中提出了一种解决办法，在合闸监视回路中串入DL 常闭触点，能有效地防止“合闸后跳位指示灯和合位指示灯都点亮”的现象的发生。因为当断路器合闸时，DL 常闭触点断开，DL 常开触点闭合，此时会使寄生回路断开，从而解决绿灯亮的问题。除了在合闸回路中串联一个DL 常闭触点外，再传入防跳继电器K 的常闭触点，然后TWJ 线圈负接至-110 V 控制电源中，此时开关分闸后不能合闸的现象得到了完美的解决。

3 永磁机构的相控单元与保护配合问题

3.1 永磁操作机构的特点

断路器作为电力系统中重要的设备，其可靠性对输配电系统的安全稳定运行有着至关重要的作用。操作机构作为断路器的核心部分，是断路器工作的驱动装置，按其工作原理可分为弹簧操动机构、液压操动机构、气动操动机构、电磁操动机构、永磁操动机构等。永磁操动机构是一种用于高压真空断路器永磁保持、电磁控制的操作机构，是一种全新的工作原理和结构。与传统操动机构相比，具有主要部件少，没有机械脱扣锁扣装置，从而故障点少，使用寿命长，可靠性高，非常适于操作频繁及可靠性要求比较高的变电站等场所应用。永磁机构克服了传统弹簧机构、液压操动机构、气动操动机构、电磁机构的不足，同时通过永磁材料实现真空断路器合、分闸位置的保持及操作，从而达到了频繁操作和恶劣环境工作场所的稳定操作、可靠操作。其有以下主要性能特点。

(1)没有机械脱扣、锁扣装置，零部件数量大大减少，故障率低，便于维护。

(2)同时控制合分闸相位，实现同步控制，进而减少过电压和涌流对系统的影响，提高了断路器开关的整体寿命。

(3)采用可靠性高的单稳态(或双稳态)操作机构设计。通过合闸控制线圈产生的电磁力控制合闸操作，合闸采用永磁保持。

(4)低操作功率。永久磁铁与分合闸线圈相结合，很好地解决了合闸时需要大功率能量的问题。

(5)具有体积小、成本低、操作能耗小、噪音低、少维护等特点，更能适应频繁操作与恶劣环境等工作场所。

3.2 永磁机构的相控单元与保护配合原理

110 kV 孔明变电站10 kV 孔容一1 开关采用德国特瑞德公司生产的ISM/TEL12-23/1250-114C 单稳态分相断路器和北京华电科能公司生产的PCU100 高压相控装置。PCU100 高压相控装置通过精确预判断路器合分闸时刻，以一个提前量启动断路器的合闸和分闸，进而实现成套开关装置在电压过零点时投入电容器组，冲击电流幅值小(小于2 倍额定峰值电流)，并通过选相切除电容器组，有效防止了断路器灭弧时电弧的重燃，降低了过电压水平。两种机构防跳配合的接线图如图4 所示。

图4 永磁机构的相控单元与保护配合

由图4 分析其防跳回路和分闸合闸回路，发现主要由三部分组成。第一部分是分合闸监视回路，主要由继电器HWJ(合位监视继电器)、TWJ(跳位监视继电器)和发光二极管组成。合闸检测回路和分闸监视回路导通，使相应的二极管发光，从而实现指示断路器合分闸位置和向测控装置发出开关位置遥信的作用。第二部分是合分闸自保持和防跳回路，其核心元件是TWJ、HWJ、TBJV(防跳)继电器。当断路器合闸时，HBJ 的电流线圈得电，其常开辅助触点闭合，通过HBJ 线圈为断路器合闸线圈提供电源。断路器合闸后其常闭辅助接点断开切断合闸回路，HBJ 断流返回，从而起到合闸自保持作用。当断路器分闸时，断路器分闸线圈与TBJ 线圈串联通电，其常开辅助触点闭合，通过TBJ 线圈对断路器分闸线圈提供持续电源。断路器分闸后其常闭辅助触点断开，切断分闸回路，TBJ 断流返回，从而起到分闸自保持的作用。防跳回路:当断路器分闸时，TBJ 动作，此时其串联于合闸回路常闭触点断开，切断合闸回路;串联于防跳回路中的常开触点闭合，接通TBJV 继电器，使TBJV 带电实现自保持，持续闭锁合闸回路，若此时重合于永久性故障，则断路器跳闸后不会再次合闸。第三部分是通过保护合分闸入口回路，对断路器进行合分闸控制。

3.3 永磁机构的相控单元与保护配合引发的问题

与传统的电磁操动机构相比，永磁式操动机构的合分闸触发通常都在50 ms 以内，因此合分闸控制的保持问题就不需要再考虑。这是因为如果串联于线圈回路中的辅助触点发生粘连，合分闸回路指令发出后，合分闸保持回路的自保持会因为其触点粘连不返回，此时若重合于永久性故障，断路器就会不断重复跳闸、合闸的动作，进而烧毁分合闸线圈。

当这两种防跳装置并存时，有时会发生冲突，从而出现断路器合闸后不能再次合闸的现象。在现场工作中，通过对永磁操作机构断路器防跳回路和继电保护装置的防跳回路分析可知，断路器只能合闸一次是因为永磁操作机构的断路器防跳回路中合分闸指示灯的存在产生了寄生回路。分闸指示灯串联接入断路器的合闸回路中起监视断路器合闸回路通断的作用。在断路器合闸后，合闸脉冲消失前，防跳继电器得电励磁，其线圈与分闸指示灯相连。当合闸控制电压消失后，分闸指示灯会与防跳继电器线圈构成一个分压电路。如果元件的参数匹配不好，防跳继电器释放电压过低，此时就会出现防跳继电器不返回自保持的情况，从而一直断开合闸回路，出现合闸后不能再次合闸的现象。针对两种防跳配合产生的问题提出了一种解决办法，考虑到在合分闸监视回路中，合闸状态监视分闸回路，分闸状态监视合闸回路，把合闸监视回路和分闸状态指示灯从原电路中分离出来，串入断路器的一个常闭辅助触点后再与断路器合闸回路相连，这时断路器辅助触点就会将合闸回路监视与分闸指示灯隔离，监视回路的正电源就不能通过指示灯向防跳继电器提供电源通路，从而解决了该问题。

4 结论

(1)永磁操动机构作为一种用于高压真空断路器永磁保持、电磁控制的操作机构，其在动作元件和零部件数目显著减少的情况下，可靠性仍大大提高，值得推广应用，尤其适用于频繁操作及可靠性要求比较高的变电站等场所。

(2)与传统的电磁操动机构相比，永磁式操动机构的合分闸触发一般都在50 ms 以内，因此没有必要考虑合分闸控制的保持问题。继电保护装置与操作箱控制回路监视功能和遥信功能会重复，因此可对操作箱功能进行优化，只考虑其防跳功能，其它功能由继电保护装置实现，这样就能保证防跳回路的适应性和经济性。

(3)永磁机构开关断路器和继电保护装置可以有一定的分工合作。在分工方面，永磁开关机构断路器的控制、防跳技术已经非常成熟，结构简单、控制可靠，继电保护的操作箱可由断路器生产厂商完成，这样可以充分利用断路器机构箱的大空间。在合作方面，永磁开关机构断路器本身的稳定与可靠性，已能够满足防跳上的需求，因此可以取消保护装置外附的操作箱，直接在断路器操作箱和继电保护装置之间建立可靠规范的联系。

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