高压断路器跳合闸线圈保护原理 摘要： 结合电力系统时有发生的高压断路器跳闸、 合闸线圈烧毁现象， 二次回路〔1〕保护器的概念被提出，并对其原理和实现方法进行了探 讨。文中给出的实现方法将高压断路器二次回路完整性监视〔2〕融入 其中，使其兼有二次回路的保护和完整性监视双重功能。 关键词：高压断路器；二次回路保护器；全工况；监视 1 引言 电力系统运行中经常发生跳、合闸线〕 。众所 周知，跳、合闸线圈设计时都是按短时通电而设计的。跳、合闸线圈 的烧毁， 主要是由于跳、 合闸线圈回路的电流不能正常切断， 至使跳、 合闸线圈长时间通电造成的。 作为电力系统重要电气元件，在电力系统故障时，断路器接受继电保 护及自动装置的跳、合闸命令，并要求以毫秒级的速度去执行跳闸动 作，以避免事故蔓延和扩大。因此，要求断路器在投运中，能随时处 于待命状态，并能令行禁止。尤其不允许出现有跳闸命令时，断路器 拒绝跳闸的现象。电力部门在 DL400－91 继电保护和安全自动装置技 术规程和 NDGJ8－89 火力发电厂、变电所二次接线设计技术规定都要 明确要求各断路器的跳、合闸回路、重要设备和线路继路器的合闸回 路等等，均应装设监视回路完整性的监视装置。 目前，国内外现有的断路器二次回路完整性监视方法有四种：一是采 用简单直观的红（绿）灯回路直接监视；二是采用跳（合）闸位置继 电器常闭触点串联启动中央信号的间接监视；三是部分制造厂提供的 操作箱中， 配合有在合闸状态下的跳闸回路完整性监视信号灯 （氖灯） ， 四是串接高内阻继电器于跳闸回路。上述四种监视方式的分析发现， 前三种方式存在一个共同的问题是：断路器合闸后合闸回路完整性失 去监视，断路器跳闸后跳闸回路完整性失去监视，都属于非全工况监 视。第四种方式的跳闸回路属于全工况监视，合闸回路仍属于非全工 况监视。所以在合闸状态下，跳闸后能否再合尚属未知，供电可靠性 将失去保证，仍然不是真正的全工况监视。这些问题应引起重视，并 采取必要的措施予以改进。更重要的是，以上四种方式都不具备跳、 合闸线圈的保护功能。 本文结合电力系统时有发生的断路器跳闸、合闸线圈烧毁现象，在深 入研究国内外关于高压断路器二次回路控制方式的基础上，提出一种 解决方案，该方案同时具备跳、合闸线圈保护和跳、合闸回路全工况 监视双重功能。 2 高压断路器二次回路保护器原理 鉴于引言中分析的原因，很有必要引入一种保护装置，在断路器辅助 触点切换不正常或者操作机构卡死时，能够及时地断开跳、合闸线圈 回路，避免跳、合闸线圈长时间得电而烧线圈事故。该实现原理正是 基于以上分析而得出。 高压断路器二次回路保护器原理如图 1 所示，它包括如下几部分：通 信环节、数据采集环节、控制接点输出环节。它们各部分的作用分别 如下：通信环节用于接收上位机（变电所监控计算机）发出的命令和 数据，同时也可向上位机发送断路器的状态信号和故障代码等。数据 采集环节用于采集断路器状态信号和跳、合闸线圈回路电流信号借之 了解断路器的工作状态。控制触点输出环节用于必要时跳开跳、合闸 线圈回路来保护线圈。该二次回路保护器自成体系，既可独立工作， 在必要时跳开跳、合闸线圈回路，实现对线圈的保护；又可受控于变 电所监控机，通过通信接口接受变电所监控机操作命令和向变电所监 控机发送断路器状态数据。 为实现以上功能，我们须对现有高压断路器二次回路作如下改进：① 增加通信功能。②增加跳、合闸动作电流检测电路。③在跳、合闸回 路增加能够分断跳、合闸线圈动作电流的触点。④增加跳、合闸动作 电流计时单元。 2．1 霍尔传感器简介 由于篇幅所限，现仅对跳、合闸线圈回路的电流监视原理及实现方法 简介如下： 在自动控制系统中，电参量的采集是首先要解决的问题。近年来发展 起来的霍尔传感器技术既可以克服电磁式互感器的非理想性缺点，又 解决了直流电参量测量时的隔离问题。 霍尔传感器是利用霍尔效应原理构造的。霍尔效应是一种磁敏效应， 在图 2 所示的半导体 （或金属） 薄片的长度 X 方向上通入控制电流 IC， 在厚度 Z 方向上施加磁感应强调为 B 的磁场，则在宽度 Y 方向上会产 生电动势 UH，这种现象即称为霍尔效应，UH 称为霍尔电势，其大小 可表示为： 其中，RH 为霍尔系数，由半导体材料的性质决定；d 为半导体材料的 厚度。 设 RH／d＝K，则式（1）可以写为： UH＝KICB（2） 可见， 霍尔电压与控制电流及磁感应强调的乘积成正比，K 称为乘积灵 敏度。 K 值越大， 灵敏度就越高； 半导体材料厚度越小， 灵敏度也越高。 在式 （2） 中， 若控制电流 IC＝常数， 磁感应强度 B 与被测电流成正比， 就可以做成霍尔电流传感器；同理，如果 B 与被测电压成正比，又可 以做成霍尔电压传感器。 本文用霍尔传感器来监测跳合闸线圈电流。其意义界定如下：如果是 动作电流，启动定时单元准备对线圈进行保护；如果是微小的监视电 流，表明跳、合闸回路完整；如果没有电流，表明跳、合闸回路完整 性被破坏。 3 二次回路保护器实现 为了既能实现在众多非正常情况下对高压断路器跳、合闸线圈进行保 护，又能实现对其二次回路的完整性进行全工况监视，在现有控制回 路的基础上构造了一种改进方案，其实现原理如图 3 所示。 图中， ＋、 －为控制小母线 （＋）为闪光小母线； SA 为控制开关，GN、RD 为绿、红信号灯；FU1～FU4 为熔断器；R 为 附加电阻；KCF 为防跳继电器；KM 为合闸接触器；YC、YT 为合、跳闸 线 为霍尔传感器。控制电路的动作及跳、合闸回路保护 与监视原理如下： （1）高压断路器二次回路保护器功能实现。无论是在手动控制还是在 自动控制位置，当合闸线圈回路有电流流过时，霍尔传感器将测出这 一电流的大小。如果电流大于某一限值，二次回路保护器将启动计时 单元开始计时。如果断路器辅助触点切换不正常或者操作机构卡死， 在定时单元整定的时间内合闸动作电流没有消失，二次回路保护器将 发出跳闸命令使其输出常闭触点 KH1 打开，跳开合闸接触器 KM，由 KM 的常开触点跳开合闸线圈回路， 保护断路器合闸线圈 YC 免于烧毁， 同时发出相应的声光报警信号，通知值班人员。同理，当跳闸线圈有 动作电流流过时，在整定的时间内跳闸动作电流没有消失，保护器将 发出命令使其输出常闭触点 KH2 打开，跳开跳闸线圈回路，并给出相 应的声光报警信号。
