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電力系統(tǒng)運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生跳、合閘線圈燒毀事故，*，跳、合閘線圈設(shè)計(jì)時(shí)都是按短時(shí)通電而設(shè)計(jì)的。跳、合閘線圈的燒毀，主要是由于跳、合閘線圈回路的電流不能正常切斷，至使跳、合閘線圈長(zhǎng)時(shí)間通電造成的。
作為電力系統(tǒng)重要電氣元件，在電力系統(tǒng)故障時(shí)，斷路器接受繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的跳、合閘命令，并要求以毫秒級(jí)的速度去執(zhí)行跳閘動(dòng)作，以避免事故蔓延和擴(kuò)大。
因此，要求斷路器在投運(yùn)中，能隨時(shí)處于待命狀態(tài)，并能令行禁止。尤其不允許出現(xiàn)有跳閘命令時(shí)，斷路器拒絕跳閘的現(xiàn)象。
電力部門(mén)在DL400－91繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程和NDGJ8－89火力發(fā)電廠、變電所二次接線設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定都要明確要求各斷路器的跳、合閘回路、重要設(shè)備和線路繼路器的合閘回路等等，均應(yīng)裝設(shè)監(jiān)視回路完整性的監(jiān)視裝置。
目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的斷路器二次回路完整性監(jiān)視方法有四種：一是采用簡(jiǎn)單直觀的紅（綠）燈回路直接監(jiān)視；二是采用跳（合）閘位置繼電器常閉觸點(diǎn)串聯(lián)啟動(dòng)中央信號(hào)的間接監(jiān)視；三是部分制造廠提供的操作箱中，配合有在合閘狀態(tài)下的跳閘回路完整性監(jiān)視信號(hào)燈（氖燈），四是串接高內(nèi)阻繼電器于跳閘回路。
上述四種監(jiān)視方式的分析發(fā)現(xiàn)，前三種方式存在一個(gè)共同的問(wèn)題是：斷路器合閘后合閘回路完整性失去監(jiān)視，斷路器跳閘后跳閘回路完整性失去監(jiān)視，都屬于非全工況監(jiān)視。
第四種方式的跳閘回路屬于全工況監(jiān)視，合閘回路仍屬于非全工況監(jiān)視。所以在合閘狀態(tài)下，跳閘后能否再合尚屬未知，供電可靠性將失去保證，仍然不是真正的全工況監(jiān)視。這些問(wèn)題應(yīng)引起重視，并采取必要的措施予以改進(jìn)。更重要的是，以上四種方式都不具備跳、合閘線圈的保護(hù)功能。
本文結(jié)合電力系統(tǒng)時(shí)有發(fā)生的斷路器跳閘、合閘線圈燒毀現(xiàn)象，在深入研究國(guó)內(nèi)外關(guān)于高壓斷路器二次回路控制方式的基礎(chǔ)上，提出一種解決方案，該方案同時(shí)具備跳、合閘線圈保護(hù)和跳、合閘回路全工況監(jiān)視雙重功能。
高壓斷路器二次回路保護(hù)器原理
鑒于引言中分析的原因，很有必要引入一種保護(hù)裝置，在斷路器輔助觸點(diǎn)切換不正常或者操作機(jī)構(gòu)卡死時(shí)，能夠及時(shí)地?cái)嚅_(kāi)跳、合閘線圈回路，避免跳、合閘線圈長(zhǎng)時(shí)間得電而燒線圈事故。該實(shí)現(xiàn)原理正是基于以上分析而得出。
高壓斷路器二次回路保護(hù)器原理如圖1所示，它包括如下幾部分：通信環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)、控制接點(diǎn)輸出環(huán)節(jié)。
它們各部分的作用分別如下：通信環(huán)節(jié)用于接收上位機(jī)（變電所監(jiān)控計(jì)算機(jī)）發(fā)出的命令和數(shù)據(jù)，同時(shí)也可向上位機(jī)發(fā)送斷路器的狀態(tài)信號(hào)和故障代碼等。數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)用于采集斷路器狀態(tài)信號(hào)和跳、合閘線圈回路電流信號(hào)借之了解斷路器的工作狀態(tài)。
控制觸點(diǎn)輸出環(huán)節(jié)用于必要時(shí)跳開(kāi)跳、合閘線圈回路來(lái)保護(hù)線圈。該二次回路保護(hù)器自成體系，既可獨(dú)立工作，在必要時(shí)跳開(kāi)跳、合閘線圈回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈的保護(hù)；又可受控于變電所監(jiān)控機(jī)，通過(guò)通信接口接受變電所監(jiān)控機(jī)操作命令和向變電所監(jiān)控機(jī)發(fā)送斷路器狀態(tài)數(shù)據(jù)。
為實(shí)現(xiàn)以上功能，我們須對(duì)現(xiàn)有高壓斷路器二次回路作如下改進(jìn)：①增加通信功能。②增加跳、合閘動(dòng)作電流檢測(cè)電路。③在跳、合閘回路增加能夠分?jǐn)嗵⒑祥l線圈動(dòng)作電流的觸點(diǎn)。④增加跳、合閘動(dòng)作電流計(jì)時(shí)單元。
霍爾傳感器簡(jiǎn)介
由于篇幅所限，現(xiàn)僅對(duì)跳、合閘線圈回路的電流監(jiān)視原理及實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)介如下：
在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電參量的采集是首先要解決的問(wèn)題。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的霍爾傳感器技術(shù)既可以克服電磁式互感器的非理想性缺點(diǎn)，又解決了直流電參量測(cè)量時(shí)的隔離問(wèn)題。
霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)原理構(gòu)造的。
霍爾效應(yīng)是一種磁敏效應(yīng)，在圖2所示的半導(dǎo)體（或金屬）薄片的長(zhǎng)度X方向上通入控制電流IC，在厚度Z方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)調(diào)為B的磁場(chǎng)，則在寬度Y方向上會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種現(xiàn)象即稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，UH稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，其大小可表示為：
其中，RH為霍爾系數(shù)，由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定；d為半導(dǎo)體材料的厚度。
設(shè)RH／d＝K，則式（1）可以寫(xiě)為：
UH＝K·IC·B（2）
可見(jiàn)，霍爾電壓與控制電流及磁感應(yīng)強(qiáng)調(diào)的乘積成正比，K稱(chēng)為乘積靈敏度。K值越大，靈敏度就越高；半導(dǎo)體材料厚度越小，靈敏度也越高。
在式（2）中，若控制電流IC＝常數(shù)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與被測(cè)電流成正比，就可以做成霍爾電流傳感器；同理，如果B與被測(cè)電壓成正比，又可以做成霍爾電壓傳感器。
本文用霍爾傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)跳合閘線圈電流。其意義界定如下：如果是動(dòng)作電流，啟動(dòng)定時(shí)單元準(zhǔn)備對(duì)線圈進(jìn)行保護(hù)；如果是微小的監(jiān)視電流，表明跳、合閘回路完整；如果沒(méi)有電流，表明跳、合閘回路完整性被破壞。
二次回路保護(hù)器實(shí)現(xiàn)
為了既能實(shí)現(xiàn)在眾多非正常情況下對(duì)高壓斷路器跳、合閘線圈進(jìn)行保護(hù)，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)其二次回路的完整性進(jìn)行全工況監(jiān)視，在現(xiàn)有控制回路的基礎(chǔ)上構(gòu)造了一種改進(jìn)方案。
圖中，＋、－為控制小母線和合閘小母線；M100（＋）為閃光小母線；SA為控制開(kāi)關(guān)，GN、RD為綠、紅信號(hào)燈；FU1～FU4為熔斷器；R為附加電阻；KCF為防跳繼電器；KM為合閘接觸器；YC、YT為合、跳閘線圈，HL1～HL3為霍爾傳感器?？刂齐娐返膭?dòng)作及跳、合閘回路保護(hù)與監(jiān)視原理如下：
?。?）高壓斷路器二次回路保護(hù)器功能實(shí)現(xiàn)。無(wú)論是在手動(dòng)控制還是在自動(dòng)控制位置，當(dāng)合閘線圈回路有電流流過(guò)時(shí)，霍爾傳感器將測(cè)出這一電流的大校如果電流大于某一限值，二次回路保護(hù)器將啟動(dòng)計(jì)時(shí)單元開(kāi)始計(jì)時(shí)。
如果斷路器輔助觸點(diǎn)切換不正常或者操作機(jī)構(gòu)卡死，在定時(shí)單元整定的時(shí)間內(nèi)合閘動(dòng)作電流沒(méi)有消失，二次回路保護(hù)器將發(fā)出跳閘命令使其輸出常閉觸點(diǎn)KH1打開(kāi)，跳開(kāi)合閘接觸器KM，由KM的常開(kāi)觸點(diǎn)跳開(kāi)合閘線圈回路，保護(hù)斷路器合閘線圈YC免于燒毀，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)，通知值班人員。
同理，當(dāng)跳閘線圈有動(dòng)作電流流過(guò)時(shí)，在整定的時(shí)間內(nèi)跳閘動(dòng)作電流沒(méi)有消失，保護(hù)器將發(fā)出命令使其輸出常閉觸點(diǎn)KH2打開(kāi)，跳開(kāi)跳閘線圈回路，并給出相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)。
（2）全工況監(jiān)視功能實(shí)現(xiàn)。由圖3可以看出，附加電阻R3經(jīng)斷路器常開(kāi)輔助觸點(diǎn)接入合閘回路；附加電阻R5經(jīng)斷路器常閉輔助觸點(diǎn)接入跳閘回路。電阻R3、R5為斷路器線圈的完整性監(jiān)視提供電流通路，此電阻的選擇要不影響線圈的正確動(dòng)作和熱穩(wěn)定性為前提。電阻R3、R5支路的斷路器輔助觸點(diǎn)引入是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器輔助觸點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視。在跳、合閘瞬間由動(dòng)作電流來(lái)判別回路的完整性；跳、合閘后由R3、R5支路流過(guò)的監(jiān)視電流來(lái)判別回路的完整性；跳、合閘過(guò)程中有常開(kāi)、常閉兩觸點(diǎn)瞬時(shí)都未接觸現(xiàn)象，可引入斷路器狀態(tài)信息或者用軟件判別來(lái)防止誤報(bào)。
對(duì)于時(shí)有發(fā)生的高壓斷路器跳合閘線圈燒毀現(xiàn)象，很有必要采取適當(dāng)?shù)拇胧瑢?duì)高壓斷路器跳、合閘線圈回路的電流進(jìn)行監(jiān)視，以實(shí)現(xiàn)必要時(shí)對(duì)線圈的保護(hù)。
對(duì)大容量發(fā)電機(jī)組和220kV及以上電壓等級(jí)的斷路器，應(yīng)該裝設(shè)跳閘回路完整性監(jiān)視裝置，以防止斷路器合到故障上因跳閘回路斷線出現(xiàn)斷路器拒動(dòng)現(xiàn)象。拒動(dòng)會(huì)擴(kuò)大故障，甚至造成系統(tǒng)瓦解，后果嚴(yán)重。與跳閘回路完整性相比，雖然合閘回路完整性破壞時(shí)所造成的危害要小一些，但它妨礙了供電可靠性的提高。代價(jià)不大時(shí)仍然應(yīng)該予以監(jiān)視。以提高供電可靠性和真正實(shí)現(xiàn)斷路器二次回路的全工況監(jiān)視。
由于二次回路完整性監(jiān)視和跳合閘回路電流監(jiān)視具有共性，該方案將二者結(jié)合起來(lái)一并監(jiān)視，這樣既可以提高監(jiān)視的可靠性，又可以降低成本。本方案不僅實(shí)現(xiàn)了高壓斷路器二次回路的全工況監(jiān)測(cè)，也從根本上解決了由于種種原因?qū)е碌奶祥l線圈燒毀問(wèn)題。具有一定的推廣價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
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