断路器线圈保护功能设计与实现

段翔 张寒

[摘要]基于微机保护装置断路器操作回路特性，分析了操作回路的组成及工作原理，得出断路器线圈烧毁的原因及线圈保护器设计的理论依据。以断路器线圈保护为核心，完成线圈保护器的硬件设计及软件实现流程，并进行了相关的可靠性测试分析。测试结果表明，当断路器进行分、合闸操作，其辅助触点动作不到位时，线圈保护器将自动断开断路器线圈及操作回路上保持继电器回路，实现对断路器线圈的保护。

[关键词]断路器;操作回路;线圈保护器;可靠性测试

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，導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。

1微机保护操作回路原理及断路器线圈动作特性

在当前微机继电保护装置中，均带有断路器操作回路，由防跳回路、合闸启动保持回路、跳位监视回路、跳闸启动保持回路、合位监视回路组成。图1为某微机保护装置内部断路器操作回路的典型设计，共分为3部分。

1.1防跳回路

如图1中的TBJ1B继电器，在断路器操作过程中，当合闸信号和跳闸信号同时出现，防跳回路启动，断开操作回路中的合闸保持驱动回路，使得断路器处于分闸状态。

1.2合闸保持驱动回路

如图1中的SE出口接线，在该操作回路中接断路器储能常开触点位置后，接入断路器合闸线圈，一旦断路器储能电机储能到位，其储能常开储能接点闭合，为合闸准备，若合闸信号HZ出现，操作电源正端→合闸触点HZ→HBJ1A合闸保持继电器→防跳继电器常闭触点TBJ1C及TBJ1F→断路器的储能触点SE→断路器合闸线圈→操作电源负端，HBJ1A得电动作，其合闸保持触点HBJ1B及HBJ1C闭合，锁定断路器线圈回路接通，此时，即使合闸信号消失，线圈回路也会一直保持接通，其合闸线圈接线原理如图2所示。当断路器合闸到位，仅当其常闭触点QF断开，合闸保持回路失电断开，否则，将烧毁合闸线圈或微机保护的保持继电器回路。

1.3跳位监视回路

当断路器处于分闸状态下，如图1中的HQ信号接线端子，接于图2断路器串联的常开储能接点SE的受电端，监视合闸回路中的断路器处于分闸状态时的状态位置QF及合闸线圈HQ的导通性，当断路器处于分闸到位，其常闭触点QF闭合，合闸线圈QF上流过跳位监视回路上的电流，其值为mA级，可靠保证断路器合闸线圈HQ不动作，该回路为常时间带电回路。

2线圈保护器的设计与实现

2.1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。

2.1.1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%

2.1.2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。

2.1.3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%。

2.1.4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%。

2.2保护硬件实现

线圈保护器硬件设计原理如图3所示。图3中，vin+、vin-分别接图4中的线圈HQ-1、HQ-2，vout+、vout-直接接线圈电磁铁本体，RZ实现线圈回路的过电压保护，D1防止线圈回路电源接反，D8实现线圈放电。R1—R4，D2—D4，C1—C4完成线圈保护器电源电压的实现，其中，R1—R4完成电压信号的隔离降幅，D2—D4实现电压的幅值稳定，C1—C4实现电源电压的低频滤波，高频退耦功能;电阻R5—R7及D5实现系统电压取样回路;R8—R12、Q1、U2、D7完成线圈保护器的两级开出驱动，当控制器监测到采样电压大于154V时，驱动定时器计时，当延时到定时出口时间，驱动一级开出即PB5为高电平，Q1饱和，Q2断开，切断线圈回路的大电流回路，断路器线圈返回;在一级开出的基础上延时100ms，驱动二级开出即PB3为高电平，启动U2模块，继电器动作，其常闭触点断开线圈保护器的mA级小电流回路，操作回路的保持驱动回路返回，其系统程序结构示意图如图3所示。

结束语

本文根据微机保护装置断路器操作回路的特性，分析断路器分、合闸线圈烧毁的原因，设计了线圈保护器，并完成了其可靠性测试。测试结果表明，该线圈保护器不影响微机保护装置监视回路信号采样，不仅适用于带微机保护的220V操作电源的断路器，对矿井供电系统下的智能防爆开关等无操作回路的真空机械保持的断路器线圈，当操作电压不是220V时，只要对线圈保护器的硬件参数做适当的修改，均能满足对线圈的可靠性保护。

参考文献

[1]郭玄瀛，余良国，黄霖，黎嘉明，于宽义，葛旭文.断路器分合闸线圈保护系统的设计与应用[J].科技广场，2016（11）：176-179.

[2]巴岩青.断路器分合闸线圈保护方案[A].北京中外软信息技术研究院.第五届世纪之星创新教育论坛论文集[C].北京中外软信息技术研究院：北京中外软信息技术研究院，2016：2.

[3]潘卫锋，张合朋.真空断路器合闸线圈保护的改造方案[J].水电自动化与大坝监测，2002（05）：64-65.

[4]索南加乐，宋国兵，晁勤.高压断路器跳合闸线圈保护原理[J].继电器，2002（03）：27-29.

[5]季本清，王金荣.断路器分闸线圈保护电路[J].电工技术，1999（03）：52.