一种断路器跳闸跟随器的研究

谢建鑫

摘 要：随着我国经济水平的不断提高，推动着电力行业的迅速发展，对供电客户的供电可靠性的要求也越来越高，断路器是否能正确动作在很大程度上影响着供电可靠性。文章主要从背景、研究思路、原理等方面介绍了一种断路器跳闸跟随器的研究。

关键词：跟随器；单片机；继电器

中图分类号：TM76；TP74 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）08-0005-02

1 研究背景

变电站内高压断路器是保证安全供电的重要设备，它不仅可以切断和接通负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置可及时切断过负荷电流和短路电流，防止事故扩大也保障着电力的安全稳定运行。

对于220 V及以上电压等级的断路器，均采用双重配置的双分闸线圈，即采用了分别独立的保护装置和跳闸回路，两个分闸线圈独立操作，分闸可靠性高。对于110 kV及以下断路器，目前在设计和运用上，因为投资和和配置考虑，均采用单套配置原则，为单个的跳闸线圈结构，这种配置单分闸线圈结构简单，但安全性上远不如双重配置的设备可靠。因为运行环境原因，跳闸线圈在运行过程中，容易发生铁芯卡涩、线圈接头和导线接触不良、以及辅助接点氧化等原因造成控制回路断线的故障，这些故障导致断路器分闸拒动，使系统发生故障时无法得到及时切除，进而引起越级跳闸等严重后果。

基于上述现状，为提高单线圈断路器分闸可靠性，解决因跳闸线圈问题引起的拒动问题势在必行。

2 研究思路

在原跳闸回路并入跳闸跟随装置和另一组跳闸线圈，实现目前单分闸线圈断路器的双分闸线圈控制，以提高其分闸可靠性。当保护动作时，跳闸跟随器通过断路器辅助触点判断第一组跳闸线圈的工作情况，当第一组跳闸线圈无法正常工作时，经过整定延时由跳闸跟随装置启动第二组跳闸线圈，完成跳闸。如图1所示。

3 跟随器结构及原理

3.1 跟随器的结构

跟随器由主板及显示板两块板组成，主要包括电源模块、单片机、继电器及外围元器件，两块板则通过牛角插座连接，结构图，如图2所示。

3.2 跟随器原理

原理图，如图2所示。

①上电检测：电路上电开始初始化过程，此时电路开入1、开入2、开入3不能有任何输入，即全部继电器不动作。若上电时有任一异常开入，则3 s后单片机运行监视红灯常亮，程序锁死，需按K1按钮复位或直接重新上电。

②正常运行：装置上电电路初始化结束，检测无异常开入后，红灯闪亮，同时继电器J5动作，其常开接点闭合，当断路器在合位时，跟跳回路运行监视黄灯通过外电路接线接通常亮，表示跟跳回路正常。

③运行中当有开入1时，装置经整定延时后，J1至J4动作，开入断开后，J3-J4保持动作，直至按下复归按钮或复位K3按钮或装置掉电同样解除动作状态。

④运行中当有开入2时，为外接急紧分闸开入，当外接紧急分闸时，跟跳装置不经延时判断直接动作，开出结果同开入1。

⑤开入3外接跟跳装置动作信号复归按钮。开入3接通时，J3、J4动作返回，解除闭合状态。

⑥当跟跳装置电源故障时，继电器J5常闭接点动作，通过外接线将跟跳线圈与主分闸线圈并联工作，实现直接跟跳功能。

⑦显示板上按钮K1，当K1接通时不仅可使J3、J4动作返回，同时可使J5动作返回，即单片机程序恢复初始状态，自检正常3 s后投入。

3.3 跟随器各功能模块介绍

3.3.1 电源模块

跟随器中的单片机、继电器等都是有源元器件，均需工作电源，但其所需要的额定电压比较小，因此跟跳器中需要配置电源模块，如采用爱浦电子生产的型号为WD12-110S05B1的电源模块，将输入的DC 110 V电压转化为DC 5 V电压输出。

为保证电源模块输入端电压及输出端电压的稳定，在输入端、输出端配置了熔断器、稳压二极管、热敏电阻、电抗器及电容器等元件，提高抗干扰能力，增强了电压的稳定性。

3.3.2 单片机——跟跳逻辑信息处理模块

单片机作为跳闸跟随装置的核心元件，用于装置动作的逻辑判断，实现跳闸跟随装置的全部功能。可采用STC生产的一种低耗能、高性型号为89C52RC单片机，拥有灵活的8位CUP和在系统可编程Flash，运行速度快，存储空间大。

89C52RC单片机的P2.2、P3.6、P2.4引脚分别为无源电压、有源电压及紧急分闸的开入，当其任意一引脚有高电位开入时，才会使P2.5、P2.6引脚输出控制分闸、闭锁重合闸信号，进而控制分闸线圈二导通及闭锁重合闸回路；单片机的P2.3引脚为信号复归的开入，当有高电位开入时，使P2.7、P2.1引脚输出控制继电器J3、J4动作返回；单片机的P3.0、P3.1引脚为单片机程序读写端口。

3.3.3 继电器——驱动模块

跟随器可配置了J1至J5五个继电器，型号及厂家尽可能相同。

各继电器均有一对常开接点和一对常闭接点组成，其功能分别为：J1是跟跳分闸功能；J2是闭锁重合闸功能；J3是自保持作用；J4是自保持及发跟跳信号作用；J5是单片机自检监视、跟跳回路监视及跟跳装置电源故障时直接跟跳功能。

3.3.4 其他外围元器件

①JP1、JP2双选择插座，根据功能选择接入方向。

JP1为开入1的无源电压和有源电压的开入选择，当保护装置有备用开入空接点时，通过JP1短路帽选择“1-2”接入5 V无源开入，当保护装置没有备用开入空接点时，通过JP1短路帽选择“2-3”接入110 V有源开入。当开入1为110 V有源开入时，需经EL357N（C）型的光电耦合器件作用，输出满足单片机要求的5 V开入，原理如下：

JP2为选择跟跳装置时间延时是否可调，其选择方式如下图，当JP2的短路帽接“2-3”时，可以通过K1和K2按钮调整跟跳时间延时；当JP2的短路帽接“1-2，跟跳时间延时不可调整。在运行中，JP2短路帽应接“1-2”，避免运行人员误修改已经设置好的跟跳装置的延时时间。

②K1、K2、K3 为按钮，功能分别：K1是单片机程序复位，可使J3、J4动作返回，同时使J5动作返回单片机程序恢复初始状态；K2是调整时间（+）；K3是调整时间（-）。

③数码显示屏显示整定的延时跟跳时间，显示范围是0～9.99 s，时间调整的步长为0.01 s。

④灯1至灯3为指示灯，功能分别是：跟跳装置动作信号灯（绿色）、单片机运行监视灯（红色）、跟跳回路运行监视灯（黄色）。

⑤牛角插座是装置主板与显示板连接桥梁；插拔式端子是跟跳装置与外部件连接桥梁。

4 结 语

本断路器跳闸跟随器以单片机为核心元件，C语言编程控制继电器输入输出，并实现完成：带延时整定的跳闸跟随功能，跳闸跟随动作时闭锁重合闸功能，紧急时手动分闸功能，装置软件自检，装置分闸线圈通断自检及装置电源故障时直接跟跳等八大功能。装置可应用到所有单分闸线圈的断路器中，成功解决断路器长时间运行中易引起的拒动问题，此外装置远跳控制更可靠，尤其适合无人值班变电站，应用前景广大。

参考文献：

[1] 规划设计总院编.电力系统设计手册[M].北京：中国电力出版社，1998..

[2] 郭占伟，原爱芳，张长彦，等.断路器操作回路详述[J].继电器，2004，（19）.

[3] DL/T 5136—2001，火力发电厂、变电所二次接线设计技术规程[S].