具备自监视功能的“断路器控制回路断线告警”信号回路设计

杨远航，虎啸，解良，杨桥伟，石恒初，游昊

（云南电力调度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

断路器是电力系统中最关键的设备之一,具有保护和控制双重作用。断路器故障会造成电网事故或扩大事故范围，甚至引起连锁故障导致系统解列[1-3]。断路器控制回路是实现断路器功能的重要部件之一，具有控制、监视和保护的作用[4-5]。相关研究表明，断路器控制回路故障已成为断路器故障的重要原因之一，占断路器所有故障的50%以上[6-8]。因此，对断路器控制回路进行有效监视和缺陷告警是减少断路器拒动、误动，避免大停电事故发生的重要手段[9-12]。

通常，现场采用合闸位置继电器（HWJ）的常闭触点和跳闸位置继电器（TWJ）常闭接点串联组成“控制回路断线”信号回路对控制回路进行间接监视，也即断路器处于合位或分位时，HWJ及TWJ常闭接点中一个打开、另一个闭合，此时“控制回路断线”信号回路不通，表示控制回路正常；当有故障致使HWJ及TWJ同时失磁时，HWJ及TWJ常闭接点均闭合，“控制回路断线”信号回路导通，表示控制回路断线，此时断路器将不能分、合闸。

然而，就常用的控制回路断线监视方法来说，当断路器处于合位或分位时，若存在合闸控制回路或跳闸控制回路断线，断线信号回路中的TWJ和HWJ常闭接点均应闭合启动“控制回路断线”告警，但是，由于断线信号回路自身端子松动、接触不良等原因，造成控制回路断线信号未能告警，即监视回路自身异常时，断路器跳、合闸控制回路无法得到有效监视，使得可能存在的断线缺陷成为隐性故障而持续存在，这种隐性故障只在系统发生故障需要保护动作或调度需要操作断路器时，才会因断路器拒动故障而被发现，而断路器拒动将会造成线路跳闸后重合失败、保护失配，触发越级跳闸现象，导致电网崩溃，进而引发电网大面积停电事故，如巴西大停电事故。

近年来，随着云南电网规模的发展，厂站之间的电气距离越来越短，系统对故障极限切除时间提出了更高要求，长距离、大容量、交直流并列的电网运行方式，使云南电网稳定问题更为突出。目前，网内部分220 kV厂站的极限切除时间已低于0.1 s，部分500 kV厂站的极限切除时间已低于0.12 s，一旦发生断路器拒动或主保护拒动，将对系统稳定带来极大的影响。因此，为防控断路器拒动风险，提高断路器控制回路断线监视的可靠性，针对断路器控制回路可能存在的隐性故障制定监测措施是十分必要的。

本文对一起220 kV断路器操作失败且现场及调度端后台均无控制回路断线告警信号的电网异常事件进行了分析，针对该事件暴露出的断路器控制回路无法自监视的原理性缺陷，结合目前的保护逻辑和回路提出了相应的优化改进措施。

1 案例概述

某日，网内A变电站220 kV出线线路杆塔附近有山火，为确保电网安全稳定运行，调度下令将A变电站220 kV母联断路器由热备用转运行，现场进行母联断路器同期合环时，遥控操作失败，经向调度申请后，将母联断路器转检修进行检查。B相母联断路器操控信号传递过程如图1所示。

图1 断路器操控信号传递过程

经检查，操作失败原因为断路器B相储能行程开关接触不良，导致合闸回路中弹簧储能接点断开，控制回路电源未导通，造成控制回路断线缺陷而无法操作断路器合闸。但是，在该断路器操作前以及开展分合闸试验的过程中，现场及调度端后台均无控制回路断线告警信号。下面对该起“控制回路断线”信号未发出的原因进行分析。

2 异常原因分析

2.1 控制回路断线原理

目前常用的断路器跳、合闸控制回路原理如图2所示，+KM和-KM代表正负电源，ZTJ、STJ 和 ZHJ、SHJ代表自动与手动跳/合闸常开接点，TBJ、HBJ代表跳/合闸自保持继电器。合闸回路中TWJ为跳闸位置继电器，DL为断路器常闭辅助接点，S1为弹簧储能接点，HQ为合闸线圈；跳闸回路中HWJ为合闸位置继电器，DL为断路器常开辅助接点，TQ为跳闸线圈。

图2 断路器控制回路原理简图

当断路器处于合闸状态时，合闸回路中DL常闭接点闭合，弹簧储能接点S1闭合，跳闸位置继电器TWJ励磁，亮分位指示灯点，反应断路器在分闸位置，合闸回路完好。同理，当断路器处合位时，跳闸回路中DL常开接点闭合，合闸位置继电器TWJ励磁，合位指示灯点亮，反应断路器在合闸位置，跳闸回路完好。

常规断路器控制回路断线告警是通过控制回路中跳闸位置继电器TWJ和合闸位置继电器HWJ常闭接点的串联来同时实现合闸回路和跳闸回路的监视，断线监视原理和监视逻辑如图3所示。由图可知，只有当跳闸位置继电器TWJ和合闸位置继电器HWJ同时失磁，致使两者常闭接点同时闭合，才能将断线信号回路导通，并将告警信号发送至后台。

图3 断路器控制回路断线信号告警原理图和监视逻辑

2.2 控制回路断线未能告警原因

操作前断路器处于分位，若控制回路正常，则跳闸回路中DL常开接点断开，合闸位置继电器HWJ失磁；合闸回路中DL常闭辅助接点闭合，弹簧储能接点S1闭合，跳闸位置继电器TWJ励磁，控制回路断线信号回路中TWJ常闭接点断开，HWJ常闭接点闭合，不会发控制回路断线告警。

本案例中，断路器操作合闸失败且控制回路断线未能告警原因为断路器B相储能行程开关接触不良，造成合闸回路中弹簧储能接点S1断开，合闸回路不通，此时跳闸位置继电器TWJ监视回路断线失磁，控制回路断线回路中TWJ和HWJ常闭接点均闭合应发控制回路断线告警，但实际并未发出。进一步检查发现，现场断路器控制回路断线信号端子电源公共端两根线芯压接于同一个端子（如图4所示），由于安装调试和运行过程中相互挤压造成信号正电源端子松动，导致断线监视信号回路未接通，故无法将告警信号发送至测控和后台。

图4 断路器控制回路断线信号回路图

2.3 风险分析

通过对220 kV母联断路器历史操作、检修记录和后台报文分析发现，在最近一次定检结束后就已出现控制回路断线告警信号没有正常上送后台情况，说明当时就已出现信号端子接线松动，在此后运行过程中，合闸回路长期存在缺陷却未能及时发出告警，直致该变电站送出线路受山火影响情况下调度无法操作断路器合环时，才暴露出合闸回路缺陷，延误了电网应急处置，期间若发生送出线路永久性故障跳闸，将引发一起电力安全事件。若本案例出现在其他220 kV及以上运行断路器，将对电网安全稳定运行造成巨大影响。因此，断路器控制回路自身无法自监视的原理性缺陷是一个亟待解决的实际应用问题。

3 优化改进措施

3.1 优化改进经验

结合本案例缺陷分析，目前，针对断路器控制回路无法自监视的改进方向可分为两类，一类是增加专用的监测装置，依据控制回路状态变化时回路上电信号的变化特征提出的改进措施：以控制回路合闸和分闸出口处端子的电压变化特征为依据，判断控制回路故障范围[13]，进一步地，有了以控制回路断线高风险节点间的电压变化特征为依据，借助非接触式电压测量传感器对控制回路断线进行监视的方法[14]，但在实际应用中，控制回路断线故障的电信号变化特征微小，监视的可靠性高度依赖于测量、采样、计算等模块的精度。另一类是改进现有断路器控制回路来达到监视效果：通过在控制回路中串入了延时辅助联动触点[15]，或监测电阻、霍尔传感器等[16]来达到监视回路的效果，但在实际应用中，控制回路因接入了其他器件，当该器件故障时存在引发断路器拒动的风险。

基于上述分析，可见对断路器控制回路断线监视回路的改进优化，主要目标就是在尽量不影响控制回路原有功能的基础上，实现对断路器控制回路完好性的可靠监视。为实现此目标，本文提出了一种具备自监视功能的“断路器控制回路断线告警”信号回路设计方案，在不增加专用监测装置，不影响控制回路原有控制、监视和保护功能的前提下，通过搭建附加监测回路实现断路器控制回路断线的自监视。

3.2 具备自监视功能的断线告警信号回路优化设计

常规的断线告警信号回路由于采用了跳闸位置继电器TWJ和合闸位置继电器HWJ常闭接点串联的方式实现断线监视，正常运行状态下，回路处于断开状态，当信号回路因自身接线松动等原因造成监视异常时，控制回路存在无法自监视的原理性缺陷。针对控制回路断线无法自监视的问题，本文提出在操作箱内增加一组跳闸位置继电器TWJ和合闸位置继电器HWJ常开接点并联监视回路，如图5所示。

图5 具有自监视功能的断路器控制回路断线告警信号回路原理图和监视逻辑

控制回路正常情况下，当断路器处于合位或分位时，跳闸位置继电器TWJ和合闸位置继电器HWJ只有其中一个励磁，TWJ和HWJ常开接点其中一个闭合，控制回路正常信号回路导通。控制回路异常情况下，跳闸位置继电器TWJ和合闸位置继电器HWJ同时失磁，TWJ和HWJ常开接点均断开，控制回路正常信号回路不通。控制回路异常告警逻辑判断如表1所示。

表1 断路器控制回路异常告警逻辑判断

由表1可知：

1）当控制回路断线和正常信号均为0时，可能存在控制回路异常同时断线信号回路不通情况（即本文中的实际案例）或控制回路实际正常同时正常信号回路异常情况，需要对相关回路进行检查；

2）当控制回路断线信号为1、正常信号为0时，表明控制回路出现异常，需对相关回路进行检查处理；

3）当控制回路断线信号为0、正常信号为1时，表明控制回路正常，为断路器正常运行时的状态；

4）当控制回路断线和正常信号均为1时，可能发生控制回路异常同时正常信号回路异常情况或控制回路正常同时断线信号回路异常情况，需要对相关回路进行检查。

由上述分析可知，通过将断路器控制回路断线信号和控制回路自监视正常信号组合分析，可以对控制和监视回路完整性进行综合判断，可有效解决传统断路器控制回路无法自监视问题，提前消除本文案例中的隐患，使得监视回路的功能更加完善。

4 改进方案评价

1）设备可靠性评价

通过搭建控制回路的自监视信号回路，将断路器分位、合位时的工况纳入了监视范围，结合原有断线告警信号回路对跳闸和分闸工况的监视，实现了断路器控制回路全工况监视，并且增加了断路器控制回路断线判据，提高了原有控制回路断线告警信号的可用度，确保控制回路操作的可靠性，保证保护正确动作。

2）消缺效率评价

当控制回路断线发生故障时，专业人员通过控制回路断线告警信号和自监视回路正常信号等直观信息，根据断路器控制回路异常告警逻辑判断出故障位置，有利于运维人员快速针对具体情况进行维护消缺，从而大幅度降低故障判断的时间，提高消缺工作效率，节约人力、物力。

3）风险防控评价

本方案对现有控制回路进行改进，实现了断路器控制回路全工况监视功能，原有相关继电器的性能及控制功能不受影响，优化后的断线信号回路，可以对控制和监视回路的完整性进行综合判断，提前发现控制回路隐患，能够有效防控系统发生故障需要保护动作或运行需要操作断路器时因断路器拒动而带来的巨大电网风险。

4）经济性评价

在现有断路器机构内简单改造就可以实现断路器控制回路自监视功能。改进过程中所需材料主要包括信号用光电耦合器一组、复位按钮一个及电缆若干，每台断路器改造成本低。

5 结束语

本文针对一起断路器控制回路断线告警信号漏监视的实际案例进行了分析，指出了断路器控制回路自身无法自监视的原理性缺陷，存在引发断路器拒动的风险，对设备安全和电网稳定运行有巨大威胁，为消除断路器控制回路这一监视盲区，提出了一种改进方案，通过在传统操作箱中增加一组“控制回路正常”监视回路来实现控制回路自监视功能。该回路简单可靠、实现容易，能极大提高现场对跳合闸回路的自检能力，有效提示运行和检修人员及时处理回路缺陷，对电网的安全稳定运行具有重要作用。