基于三段式线路保护的自动控制断路器改造

党梦宇 殷高飞

摘  要：目前自动控制断路器保护三段式线路時，存在控制器检测结果不精准，开关对三段式线路的保护不够灵敏，通信装置通信不及时等问题，为此提出基于三段式线路保护的自动控制断路器改造。增加自动重合闸装置，提高断路器开关的灵敏度，缩短人为开合闸所浪费的时间;计算断路器控制器检查三段式线路的周期，设置控制器最优检查周期，提高控制器对三段式线路的保护效率;增加通信装置与控制器和三段式线路控制中心的无线通道接口，增加通信装置与控制器无线通道，提高自动控制断路器信息传递效率。

关键词：三段式;线路保护;自动控制;断路器

0    引言

目前电力的使用已经渗入社会生活的各个方面，在使用过程中，对电能质量的要求也在不断提高。但电力行业发展到现在，目前的断路器已经不能满足各行各业的用电需求，因此国内外都在积极研究自动控制断路器的改造[1]。国外对自动控制断路器的研究起步较早，研制出一种框架式自动控制断路器，可以自动测量电压、频率和功率;除此之外，还研制出一种塑壳断路器，这种断路器配置了众多电力参数测量功能，可以精准控制电力流转[2]。相比较国外，国内对自动控制断路器研究起步较晚，几十年前，国内最早研究出的是塑料外壳智能型断路器，为国内断路器的发展奠定了基础，在此后的几年间，国内先后在塑料外壳智能型断路器上进行改进，研发出可通信塑壳断路器，体积小，具有微处理等功能[3]。但是，随着电网规模的扩大化，断路器对电路的保护不再处于单一电路保护的水平，而是需要同一断路器保护多条线路。因此，此次对基于三段式线路保护的自动控制断路器改造展开了研究。

某矿现有35 kV变电站，高压室内两进线柜无断路器，操作停送电时，需要通过上级发电厂反馈至负荷柜分合断路器后才能进行。然而，该煤矿企业对电力系统供电的可靠性要求极高，通过上述操作方式检修线路故障，切换供电线路，不仅时间间隔长，而且由于人为操作中主观因素的影响，极易发生误操作，引起供电事故。所以，此次改造在进线柜内加装自动控制断路器，增加设备自投装置，实现远程监控、远程操作、自动投切功能与后台监控系统及调度的“四遥”功能，当线路出现故障后，还能够自动切换，不影响下级负荷正常运行，保证供电的可靠性。

1    基于三段式线路保护的自动控制断路器改造内容

针对三段式线路保护，自动控制断路器的主要改造内容如表1所示。

2    改造过程

根据表1中自动控制断路器改造主要内容，分析改造过程如下：

2.1    提高断路器开关灵敏度

三段式线路在运行时会出现电流流通问题，出现大规模停电，甚至造成人身安全和设备安全事故，因此在保护三段式线路时，需要优化断路器开关，提高断路器开关的灵敏度，促使断路器可以在感应到三段式线路电流流通出现问题的一瞬间，就停止三段式线路的电流流通，实现对三段式线路的保护[4]。因此，优化断路器开关，在原本的断路器开关上增加自动重合闸装置，替代人为手动闸，即在三段式线路保护前端的断路器上安装一个自动重合闸装置，如图1所示。

图1中，QF表示断路器开关，A、B、C表示三段式线路，AAR表示自动重合闸装置，1、2、3即三个断路器装置。从图1中可以看出，当A、B、C三段式线路出现任何问题时，都会自动闭合相应的断路器开关，此时，安装在断路器3上的自动重合闸装置也会瞬间控制断路器开关闭合，阻断电流的产生。当三段式线路产生的故障为暂时性故障时，断路器控制单元会及时收集三段式线路信息，自动重合闸，恢复三段式线路的正常供电，此时重合闸处于闭合状态，从而增加断路器对三段式线路的自动控制能力，缩短停电时间。增设了自动重合闸的断路器装置，应用在三段式供电线路中，当运行线路发生故障时，断路器开关会执行先跳动作。此时设备会检测三段式线路中的线路1，当线路1无电压无电流时，检测线路2，当检测发现线路2中有电压时，断路器会自动闭合开关。此时需要计算断路器自动闭合时间，即：采样判断+装置动作+跳闸指令=9 ms时，断路器自动闭合;当分闸线圈动作+断路器分闸时间（固有分闸时间+不同期时间+熄弧时间）≈60 ms时，断路器不会自动闭合;当采样判断+装置动作+合闸指令=10 ms，合闸时间≈100 ms时，判断三段式线路存在故障。此时，如果不投入重合闸，当三段式线路中的一条线路发生故障时，在0.2 s之内可以再次供电，不会对三段式线路和断路器运行设备造成任何影响，只会产生一些电压波动。如果在此时投入重合闸，需要重新计算重合闸闭合时间，即跳闸+重合闸+跳闸+备自投合闸≈0.9 s（重合闸延时0.3 s及以下时），不会影响下级断路器运行，给下级设备带来负荷，此时断路器及三段式线路都可以正常运行。

2.2    设置控制器信息收集周期

断路器的核心部件是控制器，可以实时收集线路的参数，并根据线路参数变化及时做出调整，给出相应的控制信息，从而实现电力线路的远程管理[5]。因此，设信号直流分量为A0，基波频率为w，谐波次数为n，且n为自然数，第n次谐波的正弦分量幅值为an，第n次谐波的余弦分量幅值为bn，则有：

f（t）=A0+■（ansin nwt+bncos nwt）                 （1）

式中：f（t）为断路器收集三段式线路参数的周期函数;t为收集三段式线路参数的周期时间。

此时得到的f（t）为断路器收集三段式线路参数的最优周期。经过设置后，控制器会在最优周期内循环检查三段式线路，其检查周期流程如图2所示。

从图2可以看出，控制器在检测三段式线路过程中，会不断初始化上一周期检测到的信息，重复如图2所示的检查流程，检查三段式线路可能存在的问题。当图2的流程出现问题时，控制器会自动停止检查，断绝电流，保护三段式线路，并将故障信息通过通信装置传递给三段式线路维护人员。若没有发现故障，控制器会刷新上一次检测结果，重新循环检测三段式线路。

2.3    增加通信裝置与控制器无线连接通道

在断路器中，除了控制器外还有通信装置，用于在发现三段式线路存在问题时，及时将故障信息传递给三段式线路检修人员。因此，针对断路器通信装置进行改造，通过增加通信装置与控制器的无线连接通道，改善通信装置与控制器通信的及时性。在断路器通信装置原有的接口上，增加通信装置与控制器的无线通道接口，与此同时，增加断路器的通信装置与三段式线路维修控制中心的无线通道接口，提高信息的快速传递能力，从而形成同控制器与控制中心的双链接通信形式。在此基础上，增加以太网连接接口，抑制外界信号干扰，保障通信过程中数据的稳定传输。

3    结语

综上所述，此次自主控制断路器改造，从断路器开关、控制器和通信装置三个方面着手，增加自主控制断路器对三段式线路检查的灵敏度、对电流控制的有效性以及对故障问题传递的及时性。但此次改造未考虑断路器的电源、运行时长和断路器本身可能存在的故障问题，因此，在今后的研究中，还需从断路器本身着眼，提高断路器运行的稳定性及其对三段式线路的保护效率。

[参考文献]

[1] 翟士述.CRH5A型动车组主断路器控制环路改造[J].郑州铁路职业技术学院学报，2020，32（1）：12-13.

[2] 苏文，穆靖宇，胡茂亮，等.电流互感器死区故障及断路器失灵分析与优化研究[J].电世界，2020，61（3）：4-7.

[3] 朱光宇，庞艳君，原通文，等.断路器自动装配检测生产线上RFID应用模式研究[J].制造业自动化，2020，42（6）：1-3.

[4] 李劲彬，夏天，黄烁，等.基于XGBoost的集成式隔离断路器状态评估[J].高电压技术，2020，46（5）：1800-1806.

[5] 孙浩，张志远，徐天启.输电线路三段式电流保护的MATLAB仿真与分析[J].数字技术与应用，2018，36（5）：98-99.

收稿日期：2020-06-28

作者简介：党梦宇（1982—），男，陕西杨陵人，工程师，从事机电专业工作。

殷高飞（1990—），男，陕西洛南人，助理工程师，从事矿井建设工作。