0 引言

在供配电系统中, 断路器分、合闸线圈在调试及运行过程中经常烧毁。文献[1-2]介绍了弹簧储能机构断路器的工作原理, 多角度分析了断路器合闸线圈烧毁的原因, 并通过在断路器跳合闸线圈中串联熔断器来实现线圈的过电流保护, 但未从根本上解决由于机构卡涩及动作不可靠等导致线圈回路长时间带电而烧毁的问题。文献[3-4]利用霍尔传感器对系统二次回路的完整性进行全工况监视, 并与跳、合闸回路电流监视结合起来, 虽然推动了当前微机保护中断路器操作回路的完整性, 但接线复杂, 成本较高, 对于中、低压断路器来说不易实现。文献[5]通过在合闸线圈两端并联时间继电器, 利用其辅助触点延时断开功能来保护断路器合闸线圈, 避免断路器线圈长时间带电烧毁, 但该方式易发生时间继电器辅助触点拉弧烧触点事故, 且时间继电器难以实现ms级的时间整定, 对安装空间及成本也有相应的要求。

本文结合当前中、低压微机保护操作回路的特点及断路器线圈的动作机理, 在深入分析当前微机保护中断路器操作回路的基础上, 根据文献[5]的原理提出一种解决方案, 该方案空间设计合理, 控制可靠, 成本低, 可以从根本上解决断路器线圈长时间带电而导致分、合闸线圈烧毁的问题。

1 微机保护操作回路原理及断路器线圈动作特性

在当前微机继电保护装置中, 均带有断路器操作回路, 由防跳回路、合闸启动保持回路、跳位监视回路、跳闸启动保持回路、合位监视回路组成。图 1为某微机保护装置内部断路器操作回路的典型设计, 共分为5部分。

(1)  防跳回路。如图 1中的TBJ1B继电器, 在断路器操作过程中, 当合闸信号和跳闸信号同时出现, 防跳回路启动, 断开操作回路中的合闸保持驱动回路, 使得断路器处于分闸状态。

(2)  合闸保持驱动回路。如图 1中的SE出口接线, 在该操作回路中接断路器储能常开触点位置后, 接入断路器合闸线圈, 一旦断路器储能电机储能到位, 其储能常开储能接点闭合, 为合闸准备, 若合闸信号HZ出现, 操作电源正端→合闸触点HZ→ HBJ1A合闸保持继电器→防跳继电器常闭触点TBJ1C及TBJ1F→断路器的储能触点SE→断路器合闸线圈→操作电源负端, HBJ1A得电动作, 其合闸保持触点HBJ1B及HBJ1C闭合, 锁定断路器线圈回路接通, 此时, 即使合闸信号消失, 线圈回路也会一直保持接通, 其合闸线圈接线原理如图 2所示。当断路器合闸到位, 仅当其常闭触点QF断开, 合闸保持回路失电断开, 否则, 将烧毁合闸线圈或微机保护的保持继电器回路。

(3)  跳位监视回路。当断路器处于分闸状态下, 如图 1中的HQ信号接线端子, 接于图 2断路器串联的常开储能接点SE的受电端, 监视合闸回路中的断路器处于分闸状态时的状态位置QF及合闸线圈HQ的导通性, 当断路器处于分闸到位, 其常闭触点QF闭合, 合闸线圈QF上流过跳位监视回路上的电流, 其值为mA级, 可靠保证断路器合闸线圈HQ不动作, 该回路为长时间带电回路。

(4)  跳闸启动保持回路。当微机保护跳闸命令TZ或就地手动跳闸信号ST到来时, 跳闸保持继电器TBJ1A得电导通, 其辅助触点TBJ1D处于闭合状态, 断路器跳闸线圈接线原理图如图 3所示。当断路器可靠分闸, 其常开触点QF断开, 跳闸保持继电器回路失电断开, 否则, 将烧毁跳闸线圈或微机保护的跳闸保持驱动回路。

(5)  合位监视回路。如图 1中与跳闸保持继电器并联, 检测当断路器处于合闸状态下的辅助常开触点QF及断路器线圈的导通特性。当断路器处于合闸状态时, 其常开辅助触点QF闭合, 跳闸线圈TQ通过合位监视回路的监视回路电流, 其值为mA级, 能够可靠保证断路器线圈不动作。

综上分析, 理论上微机保护装置内部的操作回路能够实现断路器线圈的控制及位置监测功能。但操作回路中的分、合闸保持继电器回路一旦导通, 必须通过断路器机构的辅助触点可靠到位来切除, 若断路器机构卡涩、触点动作不到位, 操作电源将一直施加在断路器线圈两端, 直至烧断该回路。

2 线圈保护器的设计与实现 2.1 控制原理

考虑到断路器线圈实际空间的布置、生产成本以及开关动作时的干扰工况, 本文针对断路器线圈回路设计了线圈保护器, 用于实时监测断路器的线圈回路。当线圈回路电压达到0.7倍额定电压(154 V)时开始计时, 延时100 ms后断开断路器线圈回路及操作回路的保持继电器, 线圈保护器接线原理如图 4所示。

2.2 功能设计 2.2.1 断路器位置监视回路

当断路器进行分、合闸操作时, 微机保护装置无法正常采集断路器操作回路中的监视信号, 发控制回路断线报警信号。

2.2.2 电源系统供电回路

负责从控制回路中取出线圈保护器所需要的运行电源, 保证线圈保护器稳定可靠运行。

2.2.3 数据采样处理

完成对线圈工作回路电压的监测处理。断路器在正常分、合闸位置下, 线圈回路中流过mA级的断路器位置监视回路的电流, 采样回路识别不到该信号, 仅在断路器分、合闸操作时, 断路器线圈两端有操作电压的情况下, 线圈保护器通过采样识别来启动延时功能。

2.2.4 延时功能

如果在定值延时范围内采样识别信号持续存在, 说明断路器机构卡涩, 触点动作不到位, 启动线圈保护器开出驱动, 断开断路器线圈回路, 完成对断路器线圈的保护; 否则, 采样识别信号消失, 定时延时自动返回。

2.2.5 开出熄弧处理功能

通过MOSFET开关断开线圈回路, 实现熄弧功能, 避免拉弧烧毁触点事故的发生。

2.3 CPU选择

CPU选择爱特梅尔公司(Atmel Corporation)的8位8引脚的低功耗ATtiny13V微控制器。该芯片有1 kB的片内Flash, 64字节Eeprom及64字节Sram, 6个通过I/O口线, 32个通用寄存器, 1个具有比较模式的8位定时器/计数器和片内振荡器, 工作电压1.8~5.5 V。

2.4 保护硬件实现

线圈保护器硬件设计原理如图 5所示。图 5中, Vin+、Vin-端分别接图 4中的线圈HQ-1、HQ-2, Vout+、Vout-端直接接线圈电磁铁本体, RZ实现线圈回路的过电压保护, D1防止线圈回路电源接反, D8实现线圈放电。R1-R4, D2-D4, C1-C4完成线圈保护器电源电压的实现, 其中, R1-R4完成电压信号的隔离降幅, D2-D4实现电压的幅值稳定, C1-C4实现电源电压的低频滤波, 高频退耦功能; 电阻R5-R7及D5实现系统电压取样回路; R8- R12、Q1、U2、D7完成线圈保护器的两级开出驱动, 当控制器监测到采样电压大于154 V时, 驱动定时器计时, 当延时到定时出口时间, 驱动一级开出即PB5为高电平, Q1饱和, Q2断开, 切断线圈回路的大电流回路, 断路器线圈返回; 在一级开出的基础上延时100 ms, 驱动二级开出即PB3为高电平, 启动U2模块, 继电器动作, 其常闭触点断开线圈保护器的mA级小电流回路, 操作回路的保持驱动回路返回, 其系统程序结构示意图如图 6所示。

3 可靠性测试

基于图 1操作回路及图 4接线原理, 对线圈保护器进行可靠性测试。选取D3、D4、D5、D7(见图 5)进行电压测试, 测试用电磁铁线圈型号为S08-10.1/C, 电压:DC220 V, 电阻:(198±10)Ω。在供配电系统中, 操作电压在额定电压范围内波动不超过±10%。为了模拟验证不同监视回路电气参数设计差异下, 线圈保护器对断路器监视回路工作的可靠性检测, 本次测试操作电压取140~250 V。

(1)  在操作回路无动作信号及操作信号的情况下, 不接断路器辅助触点, 各端点电压测试值见表 1, 其中基准电压为接在操作回路上的电源电压, 输入电压为线圈保护器Vin+、Vin-电压。从表 1看出, 断路器处于正常分、合闸状态下, 来自操作回路上的监视信号使其线圈保护器供电电源可靠, 电磁铁线圈回路可靠导通, 不影响对断路器位置的监视。

(2)  通过手动操作模拟断路器在分、合闸操作下断路器辅助触点卡涩, 线圈保护器端点电压测试值及电磁铁动作情况见表 2所示。由表 2可知, 在断路器辅助触点卡涩情况下, 线圈保护器能够可靠断开线圈回路及操作回路上的保持继电器回路, 既保护了电磁铁线圈, 也能够确保监控系统在线圈保护器二级开出动作前, 采集到断路器位置的异常情况, 可为检修提供明确的故障监测范围。

4 结论

本文根据微机保护装置断路器操作回路的特性, 分析断路器分、合闸线圈烧毁的原因, 设计了线圈保护器, 并完成了其可靠性测试。测试结果表明, 该线圈保护器不影响微机保护装置监视回路信号采样, 不仅适用于带微机保护的220 V操作电源的断路器, 对矿井供电系统下的智能防爆开关等无操作回路的真空机械保持的断路器线圈, 当操作电压不是220 V时, 只要对线圈保护器的硬件参数做适当的修改, 均能满足对线圈的可靠性保护。