摘要：本文主要针对高压断路器控制回路常见问题的分析和改进展开深入研究，结合断路器控制回路原理，对高压断路器控制回路的操作机构控制回路误发跳闸信号、断路器拒动不能及时断开回路等常见问题进行了深入分析。最后提出了在合闸回路中及时增设超时时间继电器，同时还要合理选择继电器的改进措施。
关键词：高压断路器；断路器控制；控制回路
引言：
断路器是电网系统变电站的一项重要电气设备，这对于接通或断开电路具有极大的帮助，特别是在牵引供电系统发生短路故障时，断路器能否迅速动作将故障点切除，与断路器的电气、机械性能有着一定的联系，还关系到其控制、保护及二次回路接线的合理性。因此，对于高压断路器控制回路，必须要制定切实可行的改进措施来保证供电系统的安全运行。
1断路器控制回路概述
1.1断路器控制回路原理
以变电站220kV电压等级的断路器控制回路为例，现阶段，断路器分、合闸二次控制回路得到了广泛的应用，断路器在合闸命令发生过程中，如果断路器辅助接点没有返回，合闸回路会一直处于导通的状态[1]。在实际运行过程中，断路器在合闸操作过程中极容易出现以下问题：首先，在断路器分、合闸过程中，断路器机构和辅助开关配合不合理问题经常出现，进而导致在分、合闸过程中，断路器分、合闸到位辅助开关触头难以断开；其次，断路器机构自身的灵活性严重缺失，卡涩现象较为常见。在断路器分、合闸操作过程中，虽然分、合闸回路导通，但是由于受到机构问题的影响，很难合上断路器。
1.2高压断路器控制回路断线原因
针对控制回路断线的信号而言，主要是由跳位继电器与合位继电器常闭触点串联构成的。不管属于哪种原因导致的跳位继电器同合位继电器同时失磁,控制回路断线的信号都会报出。而导致控制回路断线信号的因素主要有：控制保险出现熔断, 触点同时失磁。跳合闸线圈出现损坏现象, 回路不够通畅。断路器辅助接点没有闭合好,同样引起外回路不通。由开关机构箱引至控制回路的各种闭锁信号引起控制回路断线。
2高压断路器操动机构及拓扑结构
2.1高压断路器操动机构
2.1.1断路器传动机构
传动机构主要由液压推杆、铰接副、绝缘杆、推杆、喷嘴以及动静触头所组成。液压推杆与液压系统的输出活塞杆相连，实现液压系统驱动传动机构的喷头和动触头运动，实现动静触头的抱合与脱开，完成分合闸动作。操动机构的非线性动力学特性直接影响到动触头最终的运动特性，关系到分合闸可靠性和振动冲击。该传动机构组成构件多为细长杆，在高压断路器操动过程中杆件发生弹性变形，系统必将发生较强的机械振动，会对断路器分合闸过程产生影响。
2.1.2断路器液压系统
液压系统为断路器传动机构提供动力，工作油缸的输出活塞杆和传动机构的液压推杆直接相连，带动传动机构动作，实现动触头与静触头的抱合和脱开以完成断路器的分合闸操动。液压系统具有结构紧凑和输出力大等优点，操动过程中同时存在一定的压力波动，对传动机构的运动平稳性会带来一定的影响。断路器的液压系统由储能系统、控制阀和工作缸组成。压力波动既有电磁阀自身流量特性和工作缸缓冲特性的影响，还受到传动机构非线性动力学特性的影响，存在较强的耦合作用。
2.2新型高压断路器的拓扑结构
与ABB混合式直流断路器类似，该断路器同样由日常通流支路和故障断流支路组成。其中，日常通流支路包括超快速机械开关和负载转移开关;故障断流支路由多个断流单元串联构成。直流断路器中的负载转移开关和主断路器采用了增强型半桥子模块EHBSM(EnhancedHalf-BridgeSub-Module)。相比于全桥子模块，EHBSM所用的IGBT数量较少，经济性更好。下面重点分析EHBSM的开关状态和运行原理。本文采用的EHBSM由2个IGBT、4个二极管以及1个子模块电容构成。EHBSM主要包括导通状态和关断状态2种开关状态，具体如下所述。a．导通状态。当EHBSM中的IGBT都开通时，电流直接从IGBT或其并联二极管流过，电容器被旁路。这种开关状态称为导通状态。b．关断状态。当EHBSM中的IGBT被关断时，电流需要从电容器流过，直流电流的流通受阻碍。这种开关状态称为关断状态。可以看出，在正常运行时，负载转移开关和主断路器内部的子模块电容可带电运行。通过不同运行方式的切换，可使其快速、及时地从直流侧补充能量。该部分能量被储存在子模块电容中，通过一定形式的辅助电路向IGBT的驱动电路供电，从而实现高压直流断路器的自供能运行。根据运行场景不同，新型高压直流断路器有3种不同的工作模式，分别为启动充能模式、稳态运行模式和故障处理模式。
3断路器的功能特点
针对目前的技术发展形势，智能化水平越来越高，断路器智能化的趋势越来越明显。
3.1在线监视断路器的静止工作状态
电力系统中运行的断路器，不是处于“分位置”就是处于“合位置”，处于“合位置”的断路器是它工作的常态，断路器大部分的时间都处于这种静止的运行状态。在带电运行的场合，断路器处于分、合位置之外的其他位置是危险的。在“合位置”状态下，合格的断路器要能长期承受高电压，能长期通过额定量的电流不致导致断路器损坏。通过监视断路器正常运行时的一些物理量，可以做到对设备的健康状况心中有数。比如测量泄漏电流，探测断路器触头温度，可以对运行的断路器绝缘老化，触头接触电阻心中有数，从而判断断路器运行是否安全。这样的监测点可以有很多，根据需要进行设计，可以做到对断路器的运行状况全面了解。断路器在静止运行状态还担负着一个最重要的任务。它应时刻准备好，接到跳闸命令立刻实施跳闸。这对断路器的操动机构可靠性提出了很高要求。监视操动机构状态，监视操作能量大小，监视电气操作回路是否完好，使设备的隐患可以及时消除。这些是传统的电气回路也必须做到的事，采用智能设计，可以比传统的监视做得更好。目前对断路器的静止运行状态可进行的监视有包括以下几个方面。断路器触头温度；记录一次系统流过的电流，电压；监视断路器的位置状态；监视断路器跳闸回路的完好性；监视操动机构的储能状态，如弹簧储能、液压。
3.2监视记录断路器的动态工作过程
断路器在运行时的分、合闸操作是一个动态的过程。断路器在分合闸过程中，由于要分断接通高电压和大电流，这是断路器最容易出现故障的时刻。断路器接到跳闸命令，相当于对跳闸线圈施加了一个激励电流，这启动了操动机构，操动机构快速地将断路器的动静触头分离。在分离过程中，断路器燃弧、熄弧，电流被分断，动触头继续运动一直到分位置，辅助触电完成切换，并准备好合闸回路。一个断路器分闸的动作全过程，牵涉到许多电气和机械的转化和快速移动。如果能记录这台断路器分闸时的各相关量的动态变化过程，这对了解这台断路器的技术状态是非常有帮助的。通过对动态过程的监测，可以发现断路器的隐患，很多断路器的故障或异常是静态监测不能发现的。分、合闸操作是断路器在电力系统中最基本的功用，但由于切断电弧和操动机构的快速运动，每次动作对于电气绝缘和机械寿命都有影响。如果每次操作都记录了相关联的物理量，并能进行分析，我们对断路器的健康状态就可以做到心中有数。在电力系统中，断路器的动态过程相对来说是发生较少的；在断路器进行检修试验时，运行中进行的设备投入退出操作时，继电保护或自动装置启动某断路器的跳合闸操作时，这些场合的总次数是很有限的。可以作为记录量的有：监测跳闸过程流过跳闸线圈的激励电流；记录（监测）一次系统电流的大小；监测动触头运动位置的变化情况；传递机构的位移和震动；其他可以改善监测能力的测量点。断路器流过多大的电流，断路器的操动机构是否处于完好，气压是否运行进行分闸操作，跳闸回路是否完好等，这些要求也是普通断路器应做到的。
3.3智能操控与在线诊断
对智能断路器来说，希望它的操作控制，除了可以接受电气脉冲启动控制，还可以使用接受通信命令的方法控制，即智能操控。常规断路器操动机构控制动触头的分合是靠气压、液压、弹簧储能动作，或直接用电磁力动作。由于机构运动很快，从操动机构启动开始一直到运动结束，运动的过程是不可干预的。比如跳闸时，我们希望动触头尽量快，这对熄弧有利；当确保电弧熄灭后，我们希望运动的触头速度可以减下来，减少动触头运动到终点时过大的冲量，以避免对断路器造成破坏。采用智能操作，可以做到一边操作、一边监视，根据操作过程的状态量调整操作，使操作过程做到最优[2]。电力系统的操作本质上是指断路器的分闸、合闸操作。由于电力系统中存在的储能元件，在开、合断路器时会产生操作过电压。如果分析认为，在某个电压等级产生的过电压是电力系统所不允许的，就必须采取措施，提高电网整体绝缘水平或减少操作过电压。自然，减少操作过电压是一个比较经济的方法，比如在分闸之前先预设一个小阻值电阻，断路器动触头分开时转变成经电阻分开的方法，这限制了操作过电压的数值，但给断路器的操动机构增加了一些制造难度。从电工学的原理看，只要控制分断电流或接通电流的电气角度，就可以产生最小的操作过电压。
4高压断路器控制回路常见问题分析
4.1跳闸操作箱误发跳闸信号
针对跳闸操作箱误发跳闸信号问题，值班人员必须要明确断路器跳闸的原因是因为正常操作跳闸导致的，还是事故跳闸导致的。针对这一问题，相关工作人员必须要进行深入的分析和探讨。某厂生产的分相操作箱原理接线中，在220kV和以上断路器的控制回路中得到了广泛的应用，但是在手动正常操作断路器跳闸过程中，极容易误发保护动作出口跳闸信号。比如：以A相为例，在手动操作断路器跳闸过程中，手动继电器STJa励磁，其接点STJa闭合，如果接通了跳闸回路，极容易导致断路器出现跳闸。在这个过程中，对于“防跳”继电器的自保护回路来说，接通了保护动作出口跳闸信号继电器TXIJa电流线圈回路，导致其励磁动作，进而不利于运行人员的正常操作和运行[3]。对于手动继电器STJa的接点，如果在TXIJa电流线圈两端进行了并接，在STJa发生动作时，会大大增加TXIJa电流线圈短路问题的发生概率，但是，针对TXIJa动作电流这一问题，要对断路器跳闸电流进行全方位、多角度的分析，以此来为设计提供可行的参考依据，其动作具有高度的灵活性，而且线圈直流电阻也不大。此时，STJa接点已经将其电流线圈短路，但是仍然会流经一些跳闸电流，进而存在于TXIJa电流线圈，进而使其动作。因此，结合现场实际调试经验，在TXIJa继电器选择和调试过程中，要将这种动作的灵活性保持在合理范围内，而且在保护动作出口过程中，还要确保电路器能够跳闸，并发出信号。
4.2断路器拒动不能及时断开回路
对于进线为220kV等级牵引变电所的高压断路器，大都设置了两组跳闸线圈，在手动跳闸时，所接通的跳闸线圈仅有一组，而要想满足自动装置动作跳闸的保护要求，要将两组跳闸线圈进行接通处理，旨在确保断路器动作跳闸的稳定性和可靠性，及时将故障点切除掉，避免事故范围的扩大，将电力系统故障的危害降至最低，从而促进电力系统的健康运行[4]。以330kV牵引变电所为例，在电气调试施工过程中，对于进线保护带断路器联动试验工作的开展，必须予以高度重视。在试验过程中，断路器拒动现象较为常见，也就是说，针对手动操作断路器分合闸，其运作状态是非正常的，而保护装置动作出口以后，断路器没有出现跳闸现象。基于此，反复校对和分析断路器控制回路和保护回路接线，但是并没有发现异常问题。要想充分掌握拒动的成因，相关工作人员在试验时，可以任意采用一组跳闸线圈回路断开，这时，断路器拒动现象便消失不见，如果两组跳闸线圈同时接入断路器，便会出现拒动现象[5]。经过查找和分析发现，两组跳闸线圈套在了同一铁芯上，在这两组线圈中，其匝数是相同的，保护装置在发出跳闸指示以后，流经两线圈的电流也是相同的，进而产生的磁通为Ф1=Ф2。铁芯中的合成磁通Ф=Ф1+Ф2=2Ф1，其中，产生了诸多电磁力，这远远比一组跳闸线圈工作效率要高，很难使断路器出现跳闸现象，但是针对两组跳闸线圈的实际接线，仍然需要进一步改进。
图1两组跳闸线圈错误接线
由图1可以了解到，两组跳闸线圈产生的磁通Ф1和Ф2数值是相同的，但是方向上是不相同的，所以，铁芯中合成磁通Ф=Ф1-Ф2=0，所产生的电磁力也是0，进而造成保护装置动作出口跳闸，断路器拒动。对于这种错误的接线方式，必须要予以高度重视。
5高压断路器控制回路改进措施
5.1合闸回路中增设超时时间继电器
在断路器分、合闸回路中，对于分、合闸超时时间继电器SJ的增设是至关重要的。在断路器合闸过程中，在开启合闸线圈以后，要启动超时时间继电器SJ，其正常合闸时间并不长，极容易导致超时返回继电器SJ延时触点动作出现滞缓现象[6]。在合闸回路中，如果存在故障问题，如果合闸保持时间与断路器正常操作时间存有差异，则开关辅助接点出现断开现象的概率较高。超时闭合触点SJ-1动作将中间继电器ZJ开启，开启以后，其闭合触点ZJ-1断开合闸回路，ZJ-2断开超时继电器SJ启动回路，避免在控制回路中烧坏各个元件，其保护作用十分显著[7]。在SJ启动过程中，开入量回路中ZJ继电器的一对常开触点的运作状态是闭合的，借助硬接点信号向监控后台发送故障信号。
5.2合理选择继电器
对于时间继电器来说，继电器必须要保证较高的精准度，而且也要避免由于时间继电器的接入，进而使分、合闸回路参数的准确性难以保证，从而导致分、合闸线圈的动作电压和功率降低，要结合控制回路电压等级来确定时间继电器的电压等级。
结语：
综上所述，针对高压断路器控制回路的常见问题要予以高度重视，并制定配套可行的改进措施，最大程度地避免分、合闸回路电器元件和保护装置元器件出现烧坏现象，将变电所维护费用控制在合理范围内，落实好节约化原则，并为设备的安全运行创造良好的条件，以满足变电所的内在需求。其中，对于保护装置生产厂家，还要合理化设计断路器控制回路，进而满足用户需求。
参考文献：
[1]李锋.高压断路器辅助和控制回路的维护保养[J].电气制造,2014(10):84-87.
[2]慈超超,程志秋.高压断路器的控制回路[J].科技视界,2014(22):277+299.
[3]秦晓波,刘锋,张宸铭,韩娟,李志强.高压断路器分合闸线圈及操作板的保护[J].河南科技,2014(07):151-152.
[4]郑剑辉.高压断路器控制回路技术问题及改进措施[J].机电一体化,2014,20(03):70-72+76.
[1]赵书涛,朱继鹏,王波,马莉.断路器控制线圈电流特征诊断故障的技术分析及展望[J].华北电力大学学报(自然科学版),2018,45(05):70-77.
[2]高群伟,金光耀,谷君,张一茗,宋亚凯,范才武.高压断路器分闸时间控制方法研究[J].高压电器,2018,54(09):58-66.
[3]甘凌霄,朱剑宇,卢兴福,陈世丹,李小璐.基于DSP的高压断路器控制回路智能防烧模块的研制[J].电力大数据,2018,21(06):58-62.
论文作者:傅欣
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
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