继保直流操作回路在线监视及故障预警

宋振辉，马丛淦，王 钊

(国网北京市电力公司，北京 100032)

0 引言

随着社会经济的快速发展，现代化电力系统不断向超(特)高压、远距离和大容量方向发展，系统规模不断扩大，系统结构日益复杂。近年来，世界范围内大停电事故频繁发生。通过对事故进行分析统计可以发现，电力系统发生灾难性连锁故障与继电保护隐性故障导致的不正确动作有着密切关系。继电保护硬件缺陷是导致隐性故障发生、推动连锁故障发展的重要原因之一。保护装置和断路器之间的直流操作回路虽是断路器重要的控制、监视和保护回路，但它并不像微机保护那样具备自检功能，使得由直流操作回路缺陷引起的保护不正确动作占有相当高的比例。因而，对继电保护直流操作回路进行有效的在线监视与故障预警，是预防隐性故障发生、减少保护不正确动作的重要手段。

目前，继电保护直流操作回路不具备在线自检、实时监测和信息远传等功能，也不具备触点接触不良时的预警功能和故障情况下的保护功能。常规的红绿灯回路直接监视或位置继电器常闭触点串接信号回路间接监视的方法，在断路器合闸后无法监视合闸回路，跳闸后无法监视跳闸回路，即两种方法均不是全工况监视。另外，当断路器拒动或断路器辅助触点分接不良时，跳/合闸线圈或继电器等元件会因长时间流过动作电流而烧毁，操作回路缺少相应预警和保护措施，直到回路元件烧毁后才能感知回路断线情况。因此，对于直接动作于跳闸或合闸命令的直流操作回路，还没有有效的手段能够直接检测其工作状态和动作情况。文献[1]通过在线监测跳/合闸回路流过的电流来识别直流操作回路存在的接触不良、回路断线问题，同时利用时间继电器来在线监视跳/合闸回路的工作状况，实现对跳/合闸回路元件的保护，但提出的附加支路并未考虑实际走线情况。文献[2]对现有跳/合闸回路进行改进，并给出了系统中元件的选型与参数整定依据，但所提方法仅靠霍尔电流传感器的测试数值来实现跳/合闸回路的全工况监视，易受传感器测量精度影响，且无法直观给出监视结果。

下面在分析现有直流操作回路监视方法缺陷的基础上，搭建继电保护直流操作回路模型，为直流操作回路全工况在线监视方法的验证奠定基础；研究直流操作回路全工况在线监视和预警方法。

1 直流操作回路工作原理分析及建模

现有继电保护直流操作回路中合闸回路接线如图1 所示。当断路器处于跳位状态时，其常闭触点QF1 闭合，此时跳位继电器TWJ、常闭触点QF1、合闸线圈HQ 构成闭合回路，利用跳位继电器TWJ 的辅助触点能够实现断路器跳闸状态判断，同时能够判断与跳位继电器TWJ 串联的电缆、断路器常闭触点QF1 和合闸线圈HQ 等合闸回路部分元件是否完好。

图1 现有继电保护直流操作回路中合闸回路接线及原理

现有继电保护直流操作回路中跳闸回路接线如图2 所示。当断路器处于合位状态时，其常开触点QF2 闭合，此时合位继电器HWJ、常开触点QF2、跳闸线圈TQ 构成闭合回路，利用合位继电器HWJ的辅助触点能够实现断路器合闸状态判断，同时能够判断与合位继电器HWJ 串联的电缆、断路器常开触点QF2 和跳闸线圈TQ 等跳闸回路部分元件是否完好。

图2 现有继电保护直流操作回路中跳闸回路接线及原理

为避免断弧能力较差的自动与手动跳/合闸常开接点ZTJ，STJ 和ZHJ，SHJ 提前返回，断开较大的跳/合闸回路动作电流导致拉弧烧毁，并保证正常跳/合闸命令时断路器可靠动作，跳/合闸回路需串联自保持继电器TBJ，HBJ，其能保证断路器跳/合闸操作完成后由断弧能力较强的断路器辅助接点QF2 和QF1 断开回路。分析图1和图2 可知，TBJ，HBJ 也是造成断路器辅助接点QF2，QF1 拒动时跳/合闸回路元件烧毁的重要原因。由于跳/合闸回路元件是按照短时通电设计的，一旦QF2，QF1 拒动，在TBJ，HBJ 的自保持作用下回路将长时间导通，回路线圈和继电器等元件会因长时间流过动作电流而烧毁。图1 和图2 中跳/合闸位置继电器HWJ，TWJ 所在监视支路，只有在跳/合闸元件烧毁断线后才能给出回路断线信号，无法起到保护回路的作用。

因此，可以总结得到现有继电保护直流操作回路存在如下缺陷。

(1) 现有直流操作回路仅能实现在断路器跳闸后监视合闸回路和合闸后监视跳闸回路的功能，进而达到连续监视直流操作电源的目的，但并不能满足全工况连续监视跳/合闸回路的要求。

(2) 如果断路器辅助触点QF1 或QF2 拒动，在自保持继电器TBJ 和HBJ 的自保持作用下，直流操作回路将长时间导通，回路中的跳闸或合闸线圈、自保持继电器等元件可能因长时间流过动作电流而烧毁。

在对继电保护直流操作回路进行建模时，直流母线电压Un设定为220 V，可以用+KM 端接220 V 直流电源、-KM 端接地进行模拟。另外，为了保证跳/合闸线圈TQ 和HQ 的长期热稳定性，操作箱中HWJ 和TWJ 均为高内阻继电器，其内阻取为5 kΩ。跳/合闸线圈TQ 和HQ 电阻一般很小，粗略估计取为100 Ω。自保持继电器TBJ，HBJ 则均为低内阻继电器，其内阻取为1 Ω。

2 直流操作回路全工况在线监视及故障预警方法

2.1 直流操作回路改进方法及动作行为分析

2．1．1 直流操作回路合闸回路改进方法

首先，对于现有的跳位继电器TWJ 所在支路进行改进，即在跳位继电器TWJ 所在支路串联跳位自保持继电器TBJ 常开触点，同时在该支路两端并联一条由合闸后合位继电器HHWJ 和合位自保持继电器HBJ 常开触点以及电阻Rh串联组成的支路。为实现合闸后合位继电器HHWJ 的自保持，在合位自保持继电器HBJ 常开触点两端并联连接继电器HHWJ 的常开触点。

其次，对合位自保持继电器HBJ 所在支路进行改进，即在合位自保持继电器HBJ 两端并联合位时间继电器HTJ，并与合位时间继电器HTJ 的延时断开辅助触点串联。

最后，在机构箱中对断路器常闭辅助触点QF1进行改进，即改为常开辅助触点QF2 和断路器常闭辅助触点QF1 并联，以使得断路器在跳位和合位情况下机构箱内电路均处于通路，为全工况监视提供基础连通条件。经上述改进后的直流操作回路合闸回路如图3 所示。

图3 合闸回路改进接线方案1

需要说明的是，为防止断路器在跳位和合位状态切换时合闸线圈始终保持通电状态，在断路器机构箱生产工艺中，需满足常闭辅助触点QF1 断开速度大于常开触点QF2 闭合速度，从而使得继电器HBJ 和HTJ 返回，避免将时间继电器HTJ 烧毁。

对于现有断路器机构箱，则可采用图4 所示合闸回路改进接线方案。与图3 所示方案相比，该方案对断路器不同辅助触点的动作速度大小没有要求，但需额外增加一段操作箱和机构箱的连接电缆。

图4 合闸回路改进接线方案2

2．1．2 直流操作回路跳闸回路改进方法

首先，对于现有的合位继电器HWJ 所在支路进行改进，即在合位继电器HWJ 所在支路串联合位自保持继电器HBJ 常开触点，同时在该支路两端并联一条由跳闸后跳位继电器TTWJ 和跳位自保持继电器TBJ 常开触点以及电阻Rt串联组成的支路。为实现跳闸后跳位继电器TTWJ 的自保持，在跳位自保持继电器TBJ 常开触点两端并联连接继电器TTWJ 的常开触点。

其次，对跳位自保持继电器TBJ 所在支路进行改进，即在跳位自保持继电器TBJ 两端并联跳位时间继电器TTJ，并与跳位时间继电器TTJ 的延时断开辅助触点串联。

最后，在机构箱中对断路器常开辅助触点QF3进行改进，即改为常闭辅助触点QF4 和断路器常开辅助触点QF3 并联。

经上述改进后的直流操作回路跳闸回路如图5所示。

与图3 所示合闸回路改进方案要求类似，在图5 所示方案中，为防止断路器在跳位和合位状态切换时跳闸线圈始终保持通电状态，在断路器机构箱生产工艺中，需满足常开辅助触点QF3 断开速度大于常闭触点QF4 闭合速度，从而使得继电器TBJ 和TTJ 返回，避免将时间继电器TTJ 烧毁。

图5 跳闸回路改进接线方案1

对于现有断路器机构箱，则可采用图6 所示跳闸回路改进接线方案。与图5 所示方案相比，该方案对断路器不同辅助触点的动作速度大小没有要求，但需额外增加一段操作箱和机构箱的连接电缆。

图6 跳闸回路改进接线方案2

2．1．3 改进后的直流操作回路动作行为分析

当断路器接受跳闸指令而处于跳闸状态时，断路器常闭触点QF1 和QF4 闭合，跳位自保持继电器TBJ 常开触点闭合。正常情况下，直流母线±KM 经跳位继电器TWJ、跳位自保持继电器TBJ 常开触点(已闭合)、电缆、断路器常闭触点QF1 和合闸线圈HQ 构成闭合回路并导通。若电缆破损断开、断路器常闭触点QF1 拒动、合闸线圈HQ 毁坏等任何一种或几种情况发生，则跳位继电器TWJ 无法动作，表明合闸回路存在断开故障。另外，在跳闸回路中，正常情况下，直流母线±KM 经跳闸后跳位继电器TTWJ、跳位自保持继电器TBJ 常开触点(已闭合)、串联电阻Rt、电缆、断路器常闭触点QF4 和跳闸线圈TQ 构成闭合回路并导通。同样的，若电缆破损断开、断路器常闭触点QF4 拒动、跳闸线圈TQ 毁坏等任何一种情况发生，则跳闸后跳位继电器TTWJ无法动作，表明跳闸回路存在断开故障。

因此，根据改进后的直流操作回路设计方案，断路器跳闸后合闸回路和跳闸回路的运行状态均得到有效监视。

当断路器接受合闸指令而处于合闸状态时，断路器常开触点QF2 和QF3 闭合，合位自保持继电器HBJ 常开触点闭合，正常情况下，直流母线±KM 经合位继电器HWJ、合位自保持继电器HBJ 常开触点(已闭合)、电缆、断路器常开触点QF3 和跳闸线圈TQ 构成闭合回路并导通(见图3，4)。若电缆破损断开、断路器常开触点QF3 拒动、跳闸线圈TQ 毁坏等任何一种或几种情况发生，则合位继电器HWJ 无法动作，表明跳闸回路存在断开故障。另外，在合闸回路中，正常情况下，直流母线±KM 经合闸后合位继电器HHWJ、合位自保持继电器HBJ 常开触点(已闭合)、串联电阻Rh、电缆、断路器常开触点QF2 和合闸线圈HQ构成闭合回路并导通(见图5，6)。同样，若电缆破损断开、断路器常开触点QF2 拒动、合闸线圈HQ 毁坏等任何一种或几种情况发生，则合闸后合位继电器HHWJ 无法动作，表明合闸回路存在断开故障。因此，通过改进，断路器合闸后合闸回路和跳闸回路的运行状态均得到有效监视。

综上，改进后的方案能够实现直流操作回路的全工况运行状态监视。

在断路器接受跳闸指令后，直流母线±KM经跳位自保持继电器TBJ 或跳位时间继电器TTJ、跳位时间继电器延时断开触点、电缆、断路器常开触点QF3(已闭合)和跳闸线圈TQ 构成闭合回路并导通，跳位时间继电器TTJ 得电后开始计时。若断路器常开触点QF3 拒动，则经过整定时间后，由跳位时间继电器TTJ 延时断开辅助触点切断跳闸回路并发出告警信号(见图5，6)。同理，在断路器接受合闸指令后，直流母线±KM 经合位自保持继电器HBJ 或合位时间继电器HTJ、合位时间继电器延时断开触点、电缆、断路器常闭触点QF1 和合闸线圈HQ 构成闭合回路并导通，合位时间继电器HTJ 得电后开始计时。若断路器常闭触点QF1 拒动，则经过整定时间后，由合位时间继电器HTJ 延时断开辅助触点切断合闸回路并发出告警信号。

因此，改进方案能够避免回路元件长时间流过动作电流而烧毁，使得直流操作回路具备故障预警和保护功能。

2.2 相关参数的整定方法及元件选型

在前述改进方法中，为了区分合闸后和跳闸后的合闸回路状态监视以及合闸后和跳闸后的跳闸回路状态监视，需要对相应的继电器设置不同的启动电流。

对于实现跳闸后合闸回路和合闸后跳闸回路状态监视的合位继电器HWJ、跳位继电器TWJ，其分别与断路器辅助触点QF1 和QF3 所在支路相连，回路中并未串接有电阻Rh和Rt，流过这两个继电器的电流为动作电流，记为Ia。因此这两个继电器的启动电流分别设置为合闸回路和跳闸回路动作电流Ia的k(0＜k＜1)倍。对于实现合闸后合闸回路和跳闸后跳闸回路状态监视的合位继电器HHWJ、跳位继电器TTWJ，其分别与断路器辅助触点QF2和QF4 所在支路相连，回路中串接有电阻Rh和Rt。与前述两个继电器相比，流过这两个继电器的电流值较小，将该电流记为监视电流Im。因此这两个继电器的启动电流分别设置为合闸回路和跳闸回路监视电流Im的k(0＜k＜1)倍。为了使得继电器能够长时间流过监视电流同时明显区分监视电流和动作电流，因此将回路中串接的电阻Rh和Rt的阻值设为1 kΩ。

另外，与原有直流操作回路相比，改进后的直流操作回路还增加了时间继电器。时间继电器的选择要考虑继电器的触点容量和整定时间。普通时间继电器触点不能可靠切断跳/合闸回路动作电流，因而可选择带中间继电器的时间继电器，其触点容量大，能可靠切断跳/合闸回路动作电流。

在时间继电器整定时间方面，按照断路器的实际运行状况进行确定。实际高压断路器跳/合闸动作时间包括断路器固有跳/合闸时间与辅助触点电弧燃烧时间，一般不超过0．2 s，同时，断路器跳/合闸线圈及继电器元件能承受动作电流时间不超过2 s。为保证断路器完成跳闸或合闸操作后再切断动作电流，时间继电器整定时间应略大于断路器固有的跳闸或合闸时间与辅助接点电弧燃烧时间之和，留有一定裕度，可将时间继电器的断开延时设置为400 ～600 ms。

3 仿真验证

3.1 实验准备

按照第1 节中建模参数，在PSCAD 软件中搭建原有继电保护直流操作回路见图7，继电器触点和断路器触点的开关控制由仿真软件中的时序元件和开关元件配合实现。

图7 原有继电保护直流操作回路仿真模型

用Un表示直流操作回路额定电压，Rc表示合闸线圈HQ 和跳闸线圈TQ 电阻(取为100 Ω)，Rw表示跳闸位置继电器TWJ 和合闸位置继电器HWJ 的内阻(取为5 kΩ)，Rb表示合位自保持继电器HBJ 和跳位自保持继电器TBJ 的内阻(取为1 Ω)，忽略电缆线阻，则跳/合位监视电流Im和跳/合位动作电流Ia分别为：

3.2 原有跳/合闸回路电流仿真

根据1．1 中对原有继电保护直流操作回路动作特性的分析以及相关继电器参数的设计，当断路器由跳位变为合位和由合位变为跳位时，原有继电保护直流操作回路跳/合闸回路电流变化示意如图8所示。

结合所建模型，对原有继电保护直流操作回路进行跳合闸仿真，得出跳/合闸回路电流波形与图8 所示电流变化示意图吻合。其中，跳/合闸回路的跳位监视电流Im为43．14 mA，跳/合闸回路的动作电流Ia为2．18 A，符合实际直流操作回路电流情况。同时，由示意图和波形图也能看出，断路器处于跳位时跳闸回路监视电流和合位时合闸回路监视电流均为0 A，无法实现直流操作回路的全工况在线监视。

图8 原有继电保护直流操作回路电流变化示意

3.3 改进后的跳/合闸回路电流仿真模型

当处于跳位的断路器接收到合闸指令却又拒动时，根据原有直流操作回路的合闸回路电流波形可知，合闸回路将持续流过大于2 A 的动作电流，合闸线圈以及合闸回路中的继电器将长时间流过动作电流而可能烧毁，原有直流操作回路并不具备保护和故障预警能力。

按照2．1 和2．2 中提出的继电保护直流操作回路改进方法和元件参数整定方法，在PSCAD 仿真软件中对原有继电保护直流操作回路模型进行改进，改进后的直流操作回路仿真模型见图9。

3.4 改进后回路正常时跳/合闸回路电流仿真

改进后的继电保护直流操作回路正常运行时的合闸回路和跳闸回路电流仿真波形与原波形相比，无论断路器处于跳闸状态还是合闸状态，在任何时刻，直流操作回路中的合闸回路和跳闸回路均有电流流过。其中断路器处于跳位时合闸回路和跳闸回路的监视电流分别为85．2 mA 和36．8 mA，断路器处于合位时合闸回路和跳闸回路的监视电流分别为36．8 mA 和85．2 mA，在断路器合闸过程中合闸回路和跳闸回路电流分别为2．19 A 和61．5 mA，在断路器跳闸过程中合闸回路和跳闸回路电流分别为61．5 mA 和2．19 A。

图9 改进后的继电保护直流操作回路仿真模型

在任何时刻直流操作回路均有电流流过的原因在于，对于跳闸后合闸回路、跳闸后跳闸回路、合闸后合闸回路和合闸后跳闸回路这4 种直流操作回路状态，均有对应的HWJ，TTWJ，HHWJ 和TWJ 继电器通电启动，可以利用这4 个继电器的辅助触点和对应指示灯相连，实现直流操作回路的全工况在线监视。另外，若操作回路安装有霍尔元件，则可根据霍尔元件的电流值判断上述4 种状态时对应的直流操作回路运行状态。

3.5 改进回路异常时跳/合闸回路电流仿真

改进后的继电保护直流操作回路安装有时间继电器，当操作回路长时间流过动作电流时，时间继电器将动作，断开操作回路，进而实现直流操作回路保护，并且其辅助触点可以与指示灯相连，实现直流操作回路故障预警。当接收到合闸指令并且断路器辅助触点拒动时，根据合闸回路电流仿真波形可知：当合闸回路流过动作电流400 ms 后，合闸回路电流恢复到监视电流值，能够实现自我保护和故障预警功能。

4 结论

以上所提方案在原有继电保护直流操作回路基础上，添加和原有合位和跳位继电器相同型号的继电器，并充分合理利用继电器辅助触点，实现了继电保护直流操作回路全工况运行状态监视，元件选型简单，能够全工况在线监视跳闸或合闸状态下跳闸回路和合闸回路是否存在接触不良、断线等问题。同时，利用时间继电器监视跳闸回路和合闸回路流过动作电流的时间，起到直流操作回路保护作用，避免回路元件长时间流过动作电流而烧毁。

上述改进能够有效避免因为继电保护直流操作回路硬件故障而造成的保护拒动或误动，为消除继电保护直流操作回路这一监视盲区、实现该回路的自我保护及故障预警提供了有益思路，保证了电力系统的安全可靠运行。

此外，直流操作回路中的跳/合闸线圈电流蕴含着大量断路器机械状态信息，基于监测跳/合闸线圈回路电流的霍尔传感器的电流信息，能够进一步识别断路器操作机构和二次回路多种故障类型，实现断路器运行状态实时监测；结合断路器自身的机械震动、行程曲线、温度等非电量信息，最终能够更加准确地实现断路器隐性故障和状态评估等。因此，如果将本研究内容结合霍尔传感器，可进一步充分挖掘和利用直流操作回路电流信息，为操作回路和断路器运行状态的智能评估奠定基础。