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1、永磁断路器与二次系统接口来源：孔启翔(技术部) 日期： 2008-01-25 1、引言 真空断路器的驱动元件操动机构，从最初的电磁机构，发展到现在广泛应用的弹簧操作机构，以及近年来出现了永磁机构。随着永磁材料、制造技术、控制技术的进步真空永磁断路器在中低压领域特别是在频繁操作的场合获得了广泛的应用和用户的好评。但是由于真空永磁断路器本身的一些特点同弹簧操作机构的差别，在永磁断路器的推广应用过程中遇到了一些同二次系统接口方面的问题。这些问题的存在制约了永磁机构本身特点的发挥和其进一步的推广应用。必须解决好永磁断路器同二次系统地接口问题，才能更好的发挥永磁机构自身的特点和进一步的推广应用。当前永磁
2、断路器同二次系统接口存在的主要问题，实际上不是技术的问题，而是同现在广泛应用的弹簧操作机构断路器的兼容问题。从设计角度讲，永磁机构断路器简化了同二次系统地接口，但是由于二次设备生产厂家、工程设计人员、产品使用人员对于永磁断路器的特性和应用还不是特别熟悉，在认识上还不是特别清楚，总是用弹簧断路的接口方式来套永磁断路，造成一些应用上的问题，增加了故障点降低了永磁断路的整体可靠性。因此，正确认识永磁断路器同二次系统地接口问题，对于永磁断路器特点的发挥和扩大应用有着非常重要的意义。2、当前电力一次开关设备同二次系统的接口 对于一次开关设备同二次系统的接口方式可以从一次和二次设备两方面分别来说明。一次开
3、关设备对外接口主要有以下几部分：一、合、分闸控制回路；二、电流、电压变送回路；三、位置指示回路。二次系统同一次开关设备主要接口是通过微机综合保护装置来完成的，微机综合保护装置对于一次开关设备对应的接口进行相应的采集和控制，包括：一、控制开关动作；二、采集开关上的电压电流量；三、采集开关工作状态。对于一次开关设备的接口，由于弹簧机构在当前的开关设备中占据了绝对的优势，这里以弹簧开关作为例子说明一次开关设备的接口方式。图一为典型的弹簧开关二次原理图，根据该图对一次开关设备的接口进行简要说明。图中合闸回路由合闸线圈、辅助开关、防跳继电器、整流桥及有关的接点组成。合闸过程为：在开关分位，辅助开关常闭接
4、点接通，当开关接到合闸控制电压后驱动合闸线圈动作触发开关进行合闸，开关合闸完成辅助开关常闭接点断开切断合闸电流，从而完成合闸动作。防跳继电器主要是在合闸控制电压未消失前，闭锁合闸回路，防止开关跳闸后继续合闸。图中跳闸回路由跳闸线圈、辅助开关、整流桥组成。跳闸过程为：在开关合位，辅助开关常开接点接通，当开关接到跳闸控制电压后驱动跳闸线圈动作触发开关进行跳闸，开关跳闸完成辅助开关常开接点断开切断跳闸电流，从而完成跳闸动作。图中开关位置指示是通过辅助开关直接引出，通过常开、常闭接点表示开关位置。该图中没有电压电流变送回路，一般情况户外开关会根据要求添加电压电流变送回路，而户内开关由于其安装于开关柜内
5、，电压电流变送回路作为柜内元件而不作为开关元件。电压电流变送器件当前一般采用普通的电磁式变送器，输出信号一般为1A、5A、100V、220V等。对于弹簧开关来讲当前国内外从原理上、应用习惯上没有大的差别，区别仅在具体产品上的区别，因此就不再区别进行介绍了。图一 VS1开关二次原理图 电力设备二次系统同一次设备的接口国内外、国内不同厂家之间、应用于中高压设备和低压电器设备有较大的区别，下面简要的介绍一下较为常见的一些做法，作为讨论接口问题的例子。因为现在一次设备开关大部分为弹簧操作机构，故而绝大多数国内的二次设备（目前大多数采用“测量、保护、控制、信号”四合一的微机综合保护装置）的接口设计是根据
6、弹簧操作机构的要求和特点进行控制回路的设计，同时根据设备运行的情况又不断地添加了一些反事故措施造成控制回路复杂，与开关设备的某些功能重叠最典型的如防跳回路。国外的二次保护设备的接口相对比较简单，大部分为空接点输出。下面简要介绍一下各自的特点。电力二次控制保护设备同一次开关设备的接口主要涉及到：动作控制、信号采集、模拟量采集的问题。动作控制主要是二次保护设备通过输出控制电压信号来驱动开关动作。保护设备为了控制开关动作（合闸、分闸），一般要有合闸继电器（有的还分为遥控合闸和保护合闸继电器）、分闸继电器（有的还分为遥控分和保护分继电器）。由于开关设备合分闸控制需要的控制电流比较大（1A5A），电压比
7、较高（24V,110V220V，直流/交流）如果开关拒动或是回路中的辅助开关故障，就需要保护设备切断该电流，但是一般的继电器的接点容量无法完全满足上述需要，故而不同厂家采取了很多办法解决该问题。许多措施的应用保证了保护设备的可靠性，提高了系统的稳定性。但是这些措施的应用并不适合其它非弹簧操作机构的一次开关设备，是造成当前永磁操作机构在应用中同二次设备接口不匹配的主要原因。国内二次设备厂家为了解决继电器接点容量不足的问题一般采取增加跳闸插件（回路）的办法，图二为一典型的保护设备跳闸插件原理图。从图中可以看出，保护设备为了解决继电器接点容量不足的问题采取的办法是增加了控制回路的电流保持功能。简单的
8、讲就是在控制回路增加了电流型继电器（HJ、TBJ），该继电器的功能就是一但控制回路有电流流过该回路就一直接通直至电流消失，这就保证了由于继电器接点容量不足而引起的节点损坏。这样的解决办法实际上是由于国内产业分割二次保护设备和一次开关设备一般不是同一厂家供货造成的，该办法并没有从根本上解决问题，只是二次保厂家为了保证自身设备可靠性而采取的办法。如果开关设备拒动或是辅助开关粘连，未采用该办法可能烧毁控制继电器以及合分闸线圈，采用该办法的直接后果就是合分闸线圈的烧毁。同时保护设备为了保证控制的可靠性，通过合分闸回路来检测开关合分闸位置，这样就可以进行控制回路检测，因为合闸回路合分闸回路必定有一个是通
9、的如果两个回路都不通证明控制回路断线。图二 保护装置控制回路原理图二次保护设备为了同一次开关设备控制回路接口匹配、为了适应不同的控制电压（110V，220V，交流，直流）等，需要不同控制电路和参数，造成保护设备规格不一调试麻烦，没有统一的标准等，至今仍然存在好多的问题。但是国外的保护设备很少采用类似的解决办法，施耐德S80、S40、S20、ABB SPJ140系列、SEL系列、阿尔斯通MicomP系列、西门子7SJ系列都是继电器直接出口，没有相应的保持电路。信号采集主要是通过采集开关设备辅助开关的通断情况来判断开关有关的状态，如：开关合位、开关分位、储能状态等。二次保护设备采集电路主要是通过光
10、电耦合器件实现开关量的。 模拟量采集主要是通过将电压电流变送器输出的转化为AD变换电路能够识别的电平信号，通过AD变换将该电平转换为数字信号供二次保护设备CPU进行数字处理，然后确定相应的动作。3、新型永磁断路器同二次系统接口的方式 真空永磁断路器因其高可靠性、免维护性等逐渐获得了用户的喜爱，应用范围不断扩大，但是其又有本身不同于弹簧机构断路器的特点，在应用过程中遇到了很多同二次设备接口问题。为了更好的推广真空永磁断路器必须要解决好其同二次设备的接口问题。前面也提到了永磁开关其实是简化了二次保护设备对于接口的要求。永磁开关因其控制方式的不同其接口方式也有区别，当前永磁断路器主要的控制方式主要分
11、为：接触器控制方式和电子控制器控制方式。接触器控制方式永磁开关，通过接触器触点接通或断开永磁机构合分闸线圈的电流来实现合闸合分闸过程。对二次保护设备来讲合分闸回路就是接触器线圈串入相应的辅助开关，保护设备的控制电压信号通过辅助开关送给接触器线圈，开关动作到位后通过辅助开关切断接触器回路。该方式可以将接触器线圈看成是弹簧操作机构的合分闸线圈，接口方面同弹簧开关基本没有大的区别。该控制方式由于采用了接触器元件，接触器的性能、可靠性无法同永磁机构相匹配，同时还存在烧毁机构线圈的问题，另外接触器体积较大安装不方便，因此应用该控制方式的永磁断路器在永磁断路器中所占的比例较少且在逐渐减少。合闸位置检测分闸
12、位置检测手动合闸控制遥控合闸控制手动分闸控制遥控分闸控制光电隔离开入操作电压EMI抑制隔离、放大、比较逻辑判别互锁回路告警回路系统自检模入合闸输出分闸输出开关位置电压状态告警信息驱动开出工作电源电源电压变换操作电压电压变换回路供电图三开关控制器工作原理框图开关位置电压状态告警信息通讯电子驱动方式作为永磁断路器的发展方向近几年取得了长足的发展，其功能不断增加、可靠性不断增强，逐渐获得了广大用户的认可。永磁开关电子控制器作为二次控制设备同一次开关本体中间的一个设备，其实其解决的主要问题就是永磁开关对外的接口问题。永磁开关控制器的主要功能为：A、为永磁机构提供分合闸能量；B、接受控制信号；C、机构状
13、态监测功能；D、通过逻辑判断进行分合闸操作。辅助功能有：A、操作电压监视；B、防跳功能；C、通讯功能；D、告警功能等。图三为永磁开关控制器工作原理图。根据图中所示控制开关动作通过开入的方式将控制电压信号送入开关控制器的开入回路即可。控制器的开入属于电压驱动型对于电流的需求很小，最普通的继电器接点容量都可以满足其需求。同时开关控制器由于内置了CPU，可以非常方便的增加所需要的功能。因此，采用电子控制器的永磁断路器可以非常方便的实现智能化，符合开关进一步发展的趋势。 采用电子控制方式的永磁开关同二次保护设备的接口相对比较简单，由于电子控制器承担了逻辑控制、回路闭锁、回路检测、输出控制等功能，对于保
14、护设备来讲只要通过出口继电器给出合分闸信号即可，简化了二次保护设备控制回路的复杂性。同时控制其将检测到的开关状态（开关位置、控制回路状态、控制电压状态等）通过继电器接点的方式送给二次保护设备使得运行人员能够正确地处理问题。 采用电子控制方式的永磁开关位置检测一般采用非接触式接近开关来检测开关的位置，该方法具有精度高、无机械磨损、寿命长的特点。控制器采集到开关位置后，通过继电器接点的方式输出给二次保护设备。但是该方式也存在一定的缺点，即使当控制器失电后其继电器接点的状况不能真实反映开关的实际位置，因此有的以永磁开关采用接近开关同辅助开相结合的方式输出开关位置状态。永磁断路器具体采取何种电压电流变
15、送器实际上同永磁机构是无关的，但是用于多数的永磁断路器采用了电子控制方式内置了CPU，因此更方便实现开关的智能化。所以，采用电压电流传感器方式的（CVT电压传感器、电阻分压型电压传感器、轻载线圈电流传感器、罗氏线圈电流传感器）永磁断路器成为开关智能化发展的一个重要方向。4、永磁断路器与二次系统接口存在的问题及解决方案 根据前面的论述可以发现正如引言中提到的：“当前永磁断路器同二次系统接口存在的主要问题，实际上不是技术的问题，而是同现在广泛应用的弹簧操作机构断路器的兼容问题。”采用接触器控制方式的永磁断路器在同二次保护接口方面同弹簧操作断路器区别不大可以直接替代。但是接触器本身的性能造成永磁机构
16、的优势得不到充分的发挥，制约了该方式的应用。采用电子控制方式的永磁断路器在同二次系统接口方面存在的问题，一方面是人的认识问题、一方面是改造工程中同原有设备的兼容问题。采用电子控制方式的永磁断路器在同国外二次保护设备配合方面没有大的问题，可以非常方便连接，不存在相互匹配的问题，但是国内的二次保护设备由于前面提到跳闸插件（控制回路）的问题造成了同永磁断路器在接口方面存在一定的问题。其实，可以非常简单的解决，就是去掉保护设备中的跳闸插件（控制回路）。但是由于一些人的认识问题，在工程设计施工中还保留了该回路，由于二次设备和一次设备厂家沟通不足，造成在设备调试中出现了许多不应该出现的问题。对于永磁断路器
17、于二次系统接口问题的处理应该根据实际情况来处理。如果工程为新建工程我认为应该加强沟通，用户、设计单位、一次设备生产商、二次设备生产商之间应该清楚永磁断路器相对于弹簧断路器其实是简化了对二次保护的要求，可以降低二次保护装置的成本、简化二次保护装置的设计、增加了其可靠性而不是相反。因此，对于新建工程设计过程中直接采用二次保护设备的出口继电器去控制永磁断路器的合分闸控制开入即可，而没有必要要求永磁断路器再去增加不必要的合分闸电阻。例如：图一中直接采用YKH、HJ1继电器控制合闸；直接采用YKT、TJ1继电器控制分闸即可，回路保持继电器HJ、TBJ、回路监视继电器HWJ、TWJ都可以省掉。对于改造工程
18、如果有条件更改的话尽量去掉比保护设备不必要的控制回路，如果确实无法更改可以采用在永磁控制回路增加电阻的方式来满足保护设备对于控制回路电流的需求和回路检测的要求。但是这样的解决方案同样存在该电阻的可靠性问题。5、结论 通过前面的论述我们可以说：当前永磁断路器同二次系统接口存在的主要问题，实际上不是技术的问题，而是同现在广泛应用的弹簧操作机构断路器的兼容问题。正确的处理好该问题主要是加大永磁断路器的普及宣传，让工程设计人员、设备使用人员、二次设备设计制造人员了解永磁断路器的特点、原理和接口方式。减少不必要的接口环节，提高设备的可靠性、降低设备的成本，进一步提高永磁断路器的占有率，使得永磁断路器的优点得以充分发挥