断路器分位防跳失败原因分析与整改措施

王海波

断路器分位防跳失败原因分析与整改措施

王海波

（国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

针对一个一次设备采用西门子3AP1FG断路器、二次设备采用国电南自PSL621C保护配置的110kV线路间隔防跳回路未配置就地机构分位防跳功能与远方操作箱分位防跳功能的情况，详细介绍防跳回路的工作原理及验证方法，通过分析防跳继电器动作时序发现，就地分位防跳功能缺失是由于断路器辅助触点变位快于防跳继电器动作时间所致，远方分位防跳功能缺失是由于保护操作回路中引入弹簧未储能触点闭锁合闸回路所致。根据规程要求，取消保护操作箱防跳功能，远方就地均采用机构本体防跳，试验验证了回路功能的正确性。

操作箱；断路器；防跳；弹簧机构

0 引言

高压断路器作为电力系统中分断负荷电流及故障电流的主要设备，保障其可靠分合闸对系统稳定运行至关重要。在进行断路器合闸操作时，因某些原因，如合闸触头粘连或把手未及时松开等，导致合闸触头一直处于闭合状态。这时，如果系统发生永久性故障，保护动作，断路器跳闸，由于此时合闸脉冲仍未解除，断路器会再次合闸，如此反复跳合，称为断路器的“跳跃”[1]。“跳跃”行为将导致电力系统多次受故障电流冲击，危害系统运行，同时还会使断路器遮断能力下降，产生严重损坏甚至爆炸，危及人身及设备安全，所以必须针对断路器“跳跃”现象采取相应的防跳措施。

针对电气防跳，一般有操作箱防跳与机构本体防跳两种措施[2]。由于保护装置与断路器的生产厂家众多，操作箱及机构本体的控制回路设计也多有不同[3-4]，这导致在工程实践中经常出现防跳失败的情况。原因诸如储能闭锁触点在合闸回路中的接入点不正确[5]、防跳继电器自保持触点返回过快[6]、远方/就地切换触点接入方式错误[7]、合闸指令时间配合不当[8]等。两种防跳方式同时投入时也会导致分合闸指示灯同时亮、合闸回路闭锁[9-11]等情况发生。尽管国网公司在相应的规程及反措文件[12-14]中已明确，优先考虑采用机构本体防跳，但部分老旧设备不具备整改条件，以及不同省、市供电公司对规程的理解及反措的执行有出入，导致对两种防跳方式的取舍也产生分歧。

国网浙江省电力有限公司正开展断路器防跳回路排查与整改工作，要求两种防跳方式在远方或是就地情况下只保留一种功能投入，且优先保留机构本体防跳功能。尤其是“分位防跳”概念提出后，在排查试验过程中发现很多设备不具备该功能，包括就地与远方两种情况。文献[15-16]对不同防跳方式进行比较，根据现场实际，目前比较可行的方案有两种：一是按照规程要求，取消操作箱防跳，远方与就地均采用机构本体防跳；二是远方采用操作箱防跳，就地采用机构本体防跳，通过远方/就地切换把手实现任一情况下只投入一种，而且任何时候合位防跳与分位防跳功能必须同时满足。在排查一条采用国电南自PSL621C保护与西门子3AP1FG断路器配置的110kV线路间隔防跳功能时，发现操作箱与机构箱控制回路的设计存在缺陷，通过分析整改及多次试验验证使防跳功能恢复正常，符合规程要求，满足投运条件。

1 操作箱防跳与机构本体防跳

1.1 操作箱防跳

保护操作箱防跳针对的是当断路器合于故障时，继电保护动作使断路器跳开，如果此时合闸脉冲还未解除，断路器反复分合闸会使电气元件多次受大电流冲击进而扩大故障。以典型的110kV国电南自线路保护PSL621C操作回路为例，介绍操作箱防跳的实现方式[17]。PSL621C操作箱控制回路示意图如图1所示。

图1 PSL621C操作箱控制回路示意图

图1中各符号意义见表1。

表1 PSL621C操作回路各符号意义

当断路器为合闸状态时，跳闸回路中，S1闭合，此时若合闸触点粘连（SHJ或ZHJ闭合）且有跳令（STJ或TJ闭合），则跳闸回路导通，断路器跳闸，同时TBJI得电励磁，其触点TBJI1闭合可保持跳闸回路持续导通直至断路器跳开后S1打开从而断开跳闸回路，避免跳闸令时间太短，通过STJ或TJ触点断开跳闸回路导致触点拉弧烧损。同时TBJI2触点闭合，在合闸触点粘连情况下，TBJV得电励磁，其触点TBJV1闭合确保TBJV继电器持续导通；TBJV2触点打开，使合闸回路断开，无法实现合闸，从而将断路器闭锁在分闸状态，达到防跳的目的。

由上述分析可知，操作箱防跳必须由串联于跳闸回路中的继电器TBJI启动，故该种防跳又称为串联防跳。

1.2 机构本体防跳

断路器机构本体防跳针对的是当断路器机构有问题（如机构脱扣位置偏移、断路器偷跳）时，断路器合闸回路未解除，如果此时断路器合闸脉冲仍存在，断路器反复分合闸，触头将会承受连续的合闸冲击，从而损坏设备。弹簧操动机构由于其操作功较小、结构简单等众多优点，在126～252kV电压等级中得到广泛应用[18]。以典型的110kV西门子3AP1FG型弹簧储能断路器为例，介绍机构本体防跳的实现方式[19]。3AP1FG断路器控制回路示意图如图2所示。

图2 3AP1FG断路器控制回路示意图

图2中与图1相同符号的意义相同，其余符合意义：S8为远方/就地切换开关触点，当切至就地时常闭触点导通；S9为就地合闸按钮；K75为防跳继电器。

当断路器在合位时，S1常开触点闭合，S8切至就地时，按下S9，则K75得电励磁，K75-1触点闭合，使在合闸触点粘连时K75继电器回路保持导通；K75-2常闭触点打开，断开合闸回路，实现防跳，将断路器闭锁在分闸状态。由于防跳继电器K75是与合闸回路并联，故该种防跳又称为并联防跳。

2 防跳回路试验方法

传统的防跳概念及防跳回路验证称为“合位防跳”，即在断路器合闸状态下，验证断路器分闸后不会再合闸，则该回路具有防跳功能。文献[20]对改造防跳回路试验的不足进行探讨并提出改进措施。随着对防跳认识的加深，又提出“分位防跳”概念。两种防跳试验比较见表2。

表2 合位防跳与分位防跳试验比较

对于现场就地用机构本体防跳、远方用操作箱防跳的配合形式，除了需满足上述就地与远方防跳要求，还需补充一个试验项目，本文称之为“远方机构防跳”试验。

将机构切换开关切至远方位置。

合位防跳：先短接保护屏后控制电源正101及合闸出口回路107，随后短接控制电源正101及跳闸出口回路137，断路器应“跳跃”。

分位防跳：先短接保护屏后控制电源正101及跳闸出口回路137，随后短接控制电源正101及合闸出口回路107，断路器应“跳跃”。

该试验可以证明，控制在切远方时，机构本体未投入，防止两种防跳回路在切远方时均投入导致以下后果：①断路器在合位时，分闸指示灯亮；②机构防跳继电器长期励磁烧损；③合闸回路被防跳触点断开，断路器拒合。这种情况可以通过在合闸监视回路中串接断路器常闭辅助触点与防跳继电器常闭辅助触点的方法予以解决[3]。

3 就地机构本体分位防跳失败原因分析及解决措施

经过工程排查发现，在使用远方操作箱防跳时，合位防跳与分位防跳同时满足；在使用就地机构本体防跳时，基本只具有合位防跳，在进行分位防跳试验时会发生“跳跃”现象。

3.1 原因分析

经分析，是机构防跳回路中断路器辅助触点变位速度快于防跳继电器启动速度导致的防跳失败，就地分位防跳动作过程示意图如图3所示。

结合图2，动作过程如下：

①按下分闸按钮。

②按下合闸按钮。

图3 就地分位防跳动作过程示意图

③断路器合闸完成，K75启动回路中的S1触点闭合，K75开始励磁，同时跳闸回路导通。

④断路器跳闸完成，K75启动回路中的S1触点打开，K75励磁中断。

⑤K75可以完成励磁的时刻。

⑥断路器合闸后弹簧储能完成的时刻。

由分析可知，在断路器跳闸完成时刻④由于S1打开导致K75未满足动作条件，其串接在合闸回路中的防跳触点K75-2未将合闸回路断开，在弹簧完成储能即S16闭合后，由于合闸按钮一直保持，断路器再次合闸，从而防跳失败。

3.2 解决措施

断路器更快的分闸速度是衡量其性能优越的重要指标，若通过延长其分闸时间使K75充分励磁显然与其性能要求背道而驰；若通过缩短防跳继电器动作时间则对器件性能提出很高的要求，且随着快分线圈的普及，防跳继电器提升的空间有限。排除对跳闸线圈及防跳继电器元器件的改动，考虑断路器合闸后需要约10s的储能时间，在此期间弹簧未储能触点恰好可以满足闭合条件。如图2中虚线部分，通过将S16与S1并联，利用合闸后弹簧储能的时间实现K75的可靠动作，多次试验证明，该方法切实可行。

4 远方操作箱分位防跳失败原因分析及解决措施

在排查一条保护装置为国电南自线路PSL621C，断路器为西门子3AP1FG的110kV线路间隔断路器远方防跳功能时发现，在远方采用保护操作箱防跳情况下，只有合位防跳有效，没有分位防跳功能。

4.1 原因分析

远方分位防跳动作过程示意图如图4所示。

结合图1，分析其动作过程如下：

①按下分闸按钮。

②按下合闸按钮。

图4 远方分位防跳动作过程示意图

③断路器合闸完成，跳闸回路导通，TBJI开始励磁，弹簧开始储能，S16触点闭合，2YJJ开始励磁。

④TBJI1与TBJI2触点闭合，TBJV开始励磁。

⑤TBJV完成励磁，TBJV1触点闭合，TBJV2触点打开。

⑥断路器分闸完成，合闸回路中S1触点闭合。

⑦2YJJ继电器完成励磁，合闸回路中2YJJ触点打开，TBJV失电。

⑧TBJV1触点打开，TBJV2触点闭合。

⑨弹簧储能完成，S16触点打开，2YJJ开始失电。

⑩2YJJ延迟返回（0.3s），合闸回路导通，开始再次合闸，防跳失败。

其中2YJJ延时动作约250ms，因为在正常运行时，也可能出现压力瞬时降低的情况，所以，压力低闭锁重合闸宜带延时，该延时一般应大于断路器操作时压力瞬时降低的时间。

4.2 解决措施

由分析可以看出，操作箱远方分位防跳失败原因是压力低闭锁重合闸回路中引入了弹簧未储能触点S16，该触点引入初衷是：在采用三相重合闸线路永久性故障时，重合闸加速跳开断路器后，断路器开始储能，TWJ因合闸回路断开而返回，保护装置重合闸满足开始充电条件。在个别情况下，在储能结束前就重合闸完成充电，在储能结束后满足第二次重合闸条件，保护由于位置不对应启动重合闸，从而导致断路器反复重合于故障，对断路器及系统均造成危害。在现场只要保证保护重合闸充电时间大于断路器弹簧储能时间即可取消该触点的引入。现场实际测量，断路器弹簧储能时间为10s，保护重合闸充电时间约为20s，满足取消2YJJ回路中S16触点条件。

同时，如图2所示，考虑在机构合闸回路中已经有SF6压力低闭锁触点K10及弹簧未储能触点S16，无需再在操作箱中实现相同功能，因此可以取消2YJJ启动回路。

综上所述，设计了两种整改方案。

方案1：根据文献[9]，彻底取消操作箱防跳，远方及就地均用机构本体防跳。操作箱拆除2YJJ启动回路，断开继电器TBJV；机构箱并接S16触点，短接a、b两点，取消远方就地切换触点S8。

方案2：远方采用操作箱防跳，就地采用机构本体防跳。操作箱拆除2YJJ启动回路；机构箱并接S16触点，通过S8切换，远方断开K75，就地投入K75。

在现场按照方案1进行改造，通过就地机构本体防跳试验、“远方机构防跳”试验及远方带操作箱防跳试验后，防跳功能均满足要求。

5 结论

老旧设备投产时对断路器防跳功能仅要求具备合位防跳，但运行实践及故障经验表明，分位防跳也应是断路器必备的功能。在防跳回路排查中发现的分位防跳功能缺失的情况应根据设备实际情况进行整改，在机构本体具备改造条件的情况下，优先选用机构本体防跳功能。尽管机构本体防跳在功能上可以较好地实现防跳，但在运行中需做好运行维护并结合停电定检进行周期试验，避免由于运行环境恶劣而发生文献[21]中防跳继电器触点卡涩造成的防跳功能缺失的重大隐患。保护厂家与断路器厂家较多，不同厂家的设备防跳回路设计思想有些许不同。本文所列的国电南自PSL621C保护与西门子3AP1FG断路器配置是一种比较典型的情况，可作为厂家产品设计过程中的考虑因素，本文整改方法可供现场检修人员参考。

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Cause analysis and rectification measures for the failure of anti-bouncing of circuit breaker

WANG Haibo

(State Grid Jiaxing Power Supply Company, Jiaxing, Zhejiang 314000)

For a 110kV line bay configured with Siemens 3AP1FG circuit breaker for primary equipment and SAC PSL621C protection device for secondary equipment, there is a situation in which neither the local mechanism anti-bouncing nor the remote operation box anti-bouncing function is configured. The working principle and verification method of the anti-bouncing circuit are introduced in detail. Through the analysis of the action sequence of the anti-bouncing relay, it is found that the position of breaker auxiliary contact transfers faster than the action of the anti-bouncing relay makes the function of the local anti-bouncing lost, and spring energy storage contact is accessed to the closing circuit makes the function of the remote anti-bouncing lost. According to the standards, the protection operation box anti-bouncing function is removed and the mechanism control box anti-bouncing function is rectified. The correction of the solution is verified through test.

protection operation box; circuit breaker; anti-bouncing; spring mechanism

2022-05-05

2022-06-07

王海波（1987—），男，江苏省徐州市人，硕士，工程师，主要从事继电保护装置检修维护、继电保护二次回路设计相关工作。