断路器跳闸监视回路设计

摘要：断路器操作回路是断路器动作控制的重要环节，其主要作用是对断路器发出跳、合闸脉冲，防止断路器出现“跳跃”现象，对断路器跳、合闸回路进行实时在线监视。合理、可靠、完善的断路器操作回路设计能显著提高断路器动作的正确性及可靠性。首先介绍了断路器操作回路的基本要求和组成，然后以南瑞继保的智能终端PCS-222CG和ABB的SAM600 IO为例进行了分析比较，并针对ABB的SAM600 IO跳闸监视回路存在的问题提出了改进措施，对开关跳闸监视回路的设计和改进具有一定的借鉴意义。

关键词：断路器：操作回路：跳闸监视;防跳回路

0 引言

断路器是一切继电保护及自动装置二次回路逻辑的最终执行单位，即变电站内所有的微机保护和自动装置动作的最终结果是使断路器跳闸或合闸。合理、可靠、完善的断路器操作回路设计能显著提高断路器动作的正确性及可靠性。随着电子技术的不断发展，国内110 kV及以下电压等级的变电站继电保护装置大多采用保护装置和操作控制回路一体化配置方案，使得装置结构更加紧凑、调试维护更加方便。断路器操作回路设计的工作原理基本相同，跳闸回路的监视则是根据用户要求不同而有所差别。

1 控制回路的基本要求

《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》（DL/T 5136—2012）中对断路器控制回路的功能规定如下：（1）应有电源监视，并宜监视跳、合闸绕组回路的完整性;（2）应能指示断路器合闸与跳闸的位置状态，自动合闸或跳闸时应能发出报警信号;（3）合闸或跳闸完成后应使命令脉冲自动解除;（4）有防止断路器“跳跃”的电气闭锁装置，宜使用断路器机构内的防跳回路;（5）接线应简单可靠，使用电缆芯最少。

根据上述规范要求，一个完整的控制回路主要由合闸回路、跳闸回路、防跳回路、断路器操作闭锁回路、断路器位置监视回路等组成。斷路器操作回路设计可为一个单独插件与保护装置合为一体。保护插件和操作回路通过一定的电气连接，但是功能上可以完全独立，以南瑞继保的110 kV线路保护PCS-943AM的操作回路为例，其操作回路原理接线如图1所示。

2 断路器跳闸监视回路设计

2.1    跳闸监视回路设计原理

如前文所述，控制回路应有电源监视，并宜监视跳、合闸绕组回路的完整性以及指示断路器合闸与跳闸的位置状态，所以一般在控制回路设计中通过TWJ和HWJ来监视跳闸回路、合闸回路的完整性。

TWJ和HWJ的常闭接点串联发“控制回路断线”信号。当回路完好时，TWJ和HWJ必然有一个启动;当控制回路异常时，TWJ和HWJ均失电，常闭接点闭合，发“控制回路断线”信号。此外，可以利用TWJ的常开接点启动绿灯，HWJ的常开接点启动红灯。绿灯亮时，表示断路器处于分闸状态;红灯亮时，表示断路器处于合闸状态。

如图1所示，当断路器处于分位时，+KM—TWJ1—R1—52b—HC—-KM，即可监视合闸线圈，且可以监视断路器跳闸的位置。当断路器处于合位时，+KM—HWJ1—R1—52a—TC—-KM，即可监视跳闸线圈，且可作为断路器合闸指示。

上述回路也存在一定的缺陷，当断路器处于分位时，断路器常开接点52a处于分开状态，HWJ回路处于断开状态，这使得跳闸线圈TC的状态失去监视。对于国外项目，要求断路器无论处于分位还是合位，都可以连续监视跳闸线圈TC的状态，为下一次合闸和分闸做准备，避免断路器处于分位时跳闸线圈TC损坏，否则下次断路器合闸出现故障时，无法立即跳闸。2.2    国外跳闸监视回路设计原理

结合实际工程，以澳洲一个66 kV智能变电站为例，分析66 kV线路间隔的断路器跳位监视回路的设计。以南瑞继保的智能终端PCS-222CG和ABB的SAM600 IO为例进行分析比较。

（1）PCS-222CG断路器跳闸监视回路接线如图2所示。

当断路器处于合闸位置时，断路器常开辅助接点52a闭合，常闭辅助接点52b2断开，形成DC2+—BI_01（HWJ）—52a—TC—DC2-的监视回路;当断路器处于分闸位置时，断路器常闭辅助接点52b2闭合，常开辅助接点52a断开，形成DC2+—BI_01（HWJ）—R—52b2—TC—DC2-的监视回路。因此，无论断路器处于分位还是合位，都可以实时监视跳闸线圈状态。

该控制回路的电压为DC110 V，PCS-222CG的BI输入动作电压范围为70%～120%。BI_01内串接的电阻值为100 kΩ。由于采用一个BI作为跳位监视继电器，为保证断路器处于合位（52a闭合）时，在光耦BI_01短路的情况下，跳闸线圈TC不误跳，需限制回路DC2+—BI_01（HWJ）—52a—TC—DC2-的电流，所以南瑞继保在BI_01中串接了一个100 kΩ的电阻，以保证该回路电流小于跳闸线圈长期允许承受的电流。

由于PCS-222CG的BI输入动作电压范围为70%～120%，当断路器处于分位（52b2闭合）时，回路DC2+—BI_01（HWJ）—R—52b2—TC—DC2-导通，由于BI串接了100 kΩ电阻，则电阻R=25 kΩ时，BI上分压为88 V，在可靠动作电压范围内，满足输入电压动作要求。

为了避免断路器处于分位时跳闸接点BO误动，回路DC2+—BO（TJ）—R—52b2—TC—DC2-导通，跳闸线圈误动，则需在该回路串联电阻且保证流过该回路的电流小于跳闸线圈TC的启动电流。当电阻R=25 kΩ时，流过该回路的电流为4.4 mA，满足电流值要求。

综上，流过R的电流I=110 V÷25 kV=4.4 mA，R上的功率P=I2R=4.42 mA×25 kΩ=0.484 W，所以选择R的阻值为25 kΩ，功率为5 W。

（2）SAM600 IO断路器跳闸监视回路接线如图3所示。

该控制回路的电压为DC110 V，SAM600 IO的BI输入动作电压范围为80%～120%。根据断路器厂家说明书，断路器跳闸线圈的电阻Ri=48 Ω，长期允许电流ILT=48 mA。

跳闸监视回路简称TCS。TCS的设计必须满足当断路器处于分闸位置时，能承受控制电源处于最大浮充电压时的电流，且光耦BI_07短路时跳闸线圈不会误跳。为限制回路DC+—R1—BI_07—52a—TC—DC-电流，在BI_07前串接电阻R1，保证该回路电流小于跳闸线圈长期允许承受的电流。

当断路器处于分位（52b闭合）时，为了避免有跳闸信号时跳闸线圈误动，通过跳闸线圈的电流应该限制在一个很小的值，线圈能长期承受该值且不动作，所以在该回路中串接电阻R2。如果上述深色线条回路没有R2，断路器处于分位时跳闸线圈会误动。若要保证回路DC+—TJ—R2—52b—TC—DC-电流很小，则电阻R2的阻值越大越好。

根据ABB SAM600 IO厂家说明书，当BI_07导通后，电流为恒定的常数，相当于一个恒流源。当BI_07的控制电源电压为DC110 V，最大额定功率P=0.2 W时，可以计算出BI_07导通后的电流I=0.2 W/110 A≈1.82 mA。

根据厂家说明书，BI_07的可靠动作电压最小值为88 V（DC110 V电压的80%），可以计算出跳闸监视回路其余部分最大分压VR=110 V-88 V=22 V，则跳闸监视回路总电阻值应满足R≤VR/I=22 V/1.82 mA ≈12 kΩ。

考虑到电压波动和裕度，最终总电阻值R选择6.6 kΩ（R=R1+R2=3.3 kΩ+3.3 kΩ）。

此时，BI的分压VBI=110 V-（1.82 mA×6.6 kΩ）≈98 V，分压比VBI=98/110≈89%，满足BI_07动作条件。

如果BI_07光耦短路，R1的选取需要满足当断路器处于合位时，回路DC+—R1—BI_07—52a—TC—DC-导通，跳闸线圈不被激励且不发热。根据66 kV断路器厂家说明书，断路器分合闸线圈电阻Ri=48 Ω。

当R1=3.3 kΩ，该监视回路一旦导通，BI将该回路电流限制为恒定值I=1.82 mA<48 mA。

此时R1的功率PR1=I2R1=1.822 mA×3.3 kΩ≈10.9 mW。

综上所述，R1参数选择（3.3 kΩ，5 W）满足要求。

当断路器处于分位（52b闭合）时，为了避免有跳闸信號时跳闸线圈误动，通过跳闸线圈的电流应该限制在一个很小的值，线圈能长期承受该值且不动作，通过电阻R2限制回路DC+—TJ—R2—52b—TC—DC-的电流。

当R2=3.3 kΩ，该监视回路电流I=110 V/3.3 kΩ≈33 mA<48 mA。

R2的功率PR2=I2R2=332 mA×3.3 kΩ≈3.6 W。

（3）SAM600 IO断路器跳闸监视回路改进设计。

鉴于电阻R2的参数选择（3.3 kΩ，5 W），电阻的额定功率为5 W，虽然电阻不会被烧坏，但如果非电量信号具有自保持功能，电阻长期运行会发热，电阻功率选择太大则体积会太大。对图3跳闸监视回路进行改造，改造后的跳闸监视回路接线如图4所示。

当保护跳闸输出信号包含自保功能，增加反向阻断二极管时，回路DC+—TJ—R2—52b—TC—DC-无法导通，则不会出现R2电阻发热的问题。

3 结语

断路器操作回路的稳定可靠性关系到断路器动作的可靠性，从而关系到电网的稳定性，因此断路器跳闸监视回路设计具有非常重要的意义。本文以南瑞继保的智能终端PCS-222CG和ABB的SAM600 IO为例进行了分析比较，提出了断路器跳位监视回路电阻值的计算依据及方法，使监视回路能实时监视断路器并反映断路器运行状态。针对ABB的SAM600 IO跳闸监视回路存在的问题，提出了改进措施，对国外项目的开关跳位监视回路设计和改进具有一定的借鉴意义。

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收稿日期：2020-06-02

作者简介：杨雷雷（1988—），女，安徽滁州人，工程师，从事输变电工程设计工作。