断路器防跳回路存在问题的及改进方法
南方电网超高压输电公司贵阳局的研究人员徐军、刘长发、袁仁彪、杨波、余超，在2017年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，断路器“防跳”功能是保证断路器安全的重要技术措施，本文综合论述了并联防跳及串联防跳这两种电气防跳回路的特点及存在的问题，并对两种防跳回路协同工作进行了试验研究，试验表明，在解决了由跳位监视回路所产生的寄生回路后，串、并联防跳回路是可以协同工作，取长补短，共同提高防跳功能可靠性的。
防跳回路是断路器控制回路中的重要回路，对保证断路器安全有重要作用。按现行的继电保护反事故措施，即只用一套防跳回路，且宜使用本体防跳回路的指导意见，在现场使用中是存在一定问题的。单独使用操作箱内的串联防跳或机构箱内的并联防跳回路，事实上都有各自的缺点且无法克服，为此，本文在分析了两种防跳回路的利弊之后，对同时投入串联防跳和并联防跳进行了试验研究，以期取长补短，提高防跳回路的可靠性。
1 目前电气防跳回路存在的问题
1.1 并联防跳回路
并联防跳，因防跳继电器的线圈并联在合闸回路上而得名。并联防跳一般用在断路器机构箱内。
图1所示为一分相操作断路器机构箱的A相合闸及防跳回路，断路器合闸后，其常开辅助接点52a/1闭合，起动防跳继电器52YA，52YA动作并自保持，其串接于合闸回路的常闭辅助接点打开，断开合闸回路，只要外部合闸指令不消失，则52YA将持续动作，使合闸回路保持在断开状态，保证了在一个合闸指令周期内只能进行一次合闸，从而起到了“防跳”的作用。
图1 并联防跳原理图
1.2 仅用并联防跳时存在的问题
1）并联防跳回路防跳功能死区问题
在并联防跳方式下，防跳继电器靠断路器常开辅助接点起动，而防跳继电器从起动到动作后断开合闸回路，有一动作延时，在此延时内，断路器将无防跳功能，也就是存在防跳功能的死区。
解决上述问题，有两方面的措施，一是减少防跳继电器动作时间；二是将起动防跳继电器的时间提前，实现此功能，可采用断路器特殊辅助接点，其动作速度快于普通辅助接点，以使防跳继电器提前动作。图1中的52a/1，即是可以提前动作的特殊辅助接点。例如，若特殊辅助接点比普通接点动作时间快10ms，在防跳继电器动作时间为20ms情况下，则无防跳功能时间将减少到20ms-10ms=10ms。
事实上，现场使用的断路器，并非所有厂家均采取了上述措施，例如，未采用特殊辅助接点或未使用快速动作的防跳继电器，这就导致防跳功能不能起作用的死区时间过长。
2）并联防跳回路与跳位监视回路失配问题
图2 并联防跳与跳位监视回路产生的寄生回路
当操作箱内跳位监视和机构箱内并联防跳回路配合不当时，会产生寄生回路。如图2虚线箭头所示，断路器合闸后，若元件参数失配，则正电源将经过跳位继电器TWJa、断路器常开辅助接点52a/1、防跳继电器辅助接点52YA、电阻R1及防跳继电器52YA形成回路，使TWJa或52YA继电器误动作。
若断路器合闸后跳位继电器TWJa持续动作而防跳继电器52YA未动作，则会造成保护误判断路器位置、监控系统误发“控制回路断线”信号；若跳位继电器TWJa未动作而防跳继电器52YA动作，则会切断合闸回路，断路器分闸后将不能再次合闸；若跳位继电器TWJa和防跳继电器52YA同时动作，则前述的异常现象将会同时发生。
仅用机构箱内的并联防跳，取消操作箱内的串联防跳，如图3所示，在合闸回路中将防跳继电器1TBUJA、2TBUJA的辅助接点短接。此方法满足规程要求的只用一套防跳的要求，但是仍然没有解决图3中虚线箭头所示的寄生回路问题。
3）并联防跳可靠性问题
仅用机构箱内并联防跳回路还存在另一个问题，由于机构箱均是安装在户外，运行条件较差，容易使防跳继电器的可靠性降低，例如发生继电器铁心生锈、机构卡涩等问题，影响其正确动作。
图3 取消操作箱串联防跳仍然存在的寄生回路
此外，某些厂家的断路器，其起动防跳继电器的辅助接点并未用可提前动作的特殊辅助接点，且防跳继电器的动作时间也较长，这就使断路器合闸后无防跳功能的时间过长，起不到防跳作用。
1.3 串联防跳回路
串联防跳，其防跳功能的起动由串接在跳闸回路中的防跳继电器电流起动线圈实现。串联防跳一般用在断路器操作箱内。
如图4所示，当合闸指令时间较长或合闸接点粘连，而正好合于故障时，保护动作，TJ闭合，起动跳闸回路，串接在跳闸回路中的防跳继电器电流起动继电器12TBIJa动作，起动1TBUJa，1TBUJa动作后起动2TBUJa，在合闸指令未消失的情况下，2TBUJa将自保持，其串接在合闸回路中的常闭触点将切断合闸回路，起到了防跳作用。
1.4 仅用串联防跳时存在的问题
若将断路器内的并联防跳取消，仅使用操作箱内的串联防跳，如图5所示。此方法可以解决串、并联防跳同时使用时产生的寄生回路，但是会出现以下问题：
第一，就地操作时没有防跳功能；
第二，由于串联防跳必须由跳闸（保护跳闸或手动跳闸）指令起动，在合闸信号长期存在而断路器机构合闸后不能保持的情况下，由于无电气跳闸指令，操作箱内的串联防跳将不能起动，如此会造成断路器因无防跳功能而不断分合，酿成事故；
第三，仅用操作箱串联防跳的情况下，当合闸指令长期存在，而线路单相故障，保护动作跳开故障相后，故障相串联防跳将起动，重合闸时间到后，故障相将不能重合，于是机构箱内非全相保护将动作跳开非故障相，由于机构箱内的非全相保护跳闸出口不经过操作箱，故无法起动操作箱内的串联防跳，因此非故障相将因合闸指令长期存在而再次合闸，此后又由非全相保护跳开，如此周而周而复始，造成事故。
图4 串联防跳原理图
图5 仅用操作箱内串联防跳回路
1.5 目前对防跳回路的反措条文存在的问题
根据2014年《南方电网电力系统继电保护反事故措施汇编》6.12“每个断路器应且只应使用一套防跳回路，宜采用开关本体防跳”。该反措条文较简单，在现场执行时，存在一些问题，一是未明确跳位监视回路的接线方式，以消除寄生回路，二是未考虑仅用开关本体防跳回路时存在的问题。
2 防跳回路推荐解决方案（串、并联防跳回路同时投入）
如前所述，串、并联防跳回路共存时，其主要矛盾在于操作箱内的跳位监视继电器和机构箱内的防跳回路之间会产生寄生回路，若将寄生回路消除之后，再将两套防跳回路同时投入，互相取长补短，将是一种比较理想的防跳回路解决方案。
如图6所示，串、并联回路同时投入，其前提是在跳位监视回路中串入断路器常闭辅助接点52a/1和防跳继电器常闭辅助接点52YA，以消除并联防跳回路和跳位监视回路之间可能产生的寄生回路。
但两套防跳回路能否同时工作，能否起到取长补短的作用，本文就此问题进行了相关试验。
图6 推荐的串、并联防跳同时使用回路原理图
3 串、并联防跳回路相关试验
3.1 试验设备相关参数
表1 试验所用设备及相关参数
表1试验中用到了两种断路及其操作箱，一种为三相联动操作机构，另一种为分相操作机构。
3.2 实验及分析
1）仅投机构箱并联防跳回路试验
（1）断路器合闸后立即跳闸试验
图7 试验断路器机构并联防跳回路图
试验采用了三相联动断路器及其操作箱，回路如图7所示。断路器已储能，并处在“分位”，先用短接线短接就地跳闸旋钮接点，再用分合闸手柄合上断路器，并使合闸旋钮一直处于合闸位置，模拟断路器合于故障线路后保护立即发跳闸指令。断路器合闸后立即分闸，并开始储能，待储能完成后，由于合闸旋钮一直处于合闸位置，断路器再次合闸，这说明防跳回路未能起到防跳作用。
检查发现，整个试验过程中防跳继电器并未动作。分析原因，主要存在两方面的问题，其一是防跳回路未采用可以提前动作的特殊辅助接点；其二是防跳继电器动作时间过长，达30ms，因此无防跳功能的时间将达到30ms。
此试验模拟的是断路器合闸后保护立即发跳闸令的极端方式。现场测试试验断路器的跳闸时间为19.8ms，因此，当试验断路器合闸后，防跳继电器还未来得及动作，而断路器已跳开，因此无法起到防跳作用。
（2）断路器合闸后短延时跳闸
试验采用三相联动断路器及其操作箱，回路如图7所示。在实际的保护运行中，当合于故障时，保护是不会如前述试验中0ms即发跳闸指令的，按保护装置最快可以4ms动作（工频变化量距离）来进行试验，用保护装置来模拟跳闸，防跳功能仍然不能正常起动。
分析原因，按实验断路器的跳闸时间19.8ms计算，总的跳闸时间23.8ms，仍然小于防跳继电器30ms的动作时间。也就是说在合于故障的实际运行条件下，防跳功能仍然可能起动失败。
2）机构箱并联防跳与操作箱串联防跳回路同时投入试验
（1）跳位监视回路未使用专用监视回路试验
图8 未用专用监视回路的串、并联防跳试验回路图
试验采用了三相联动断路器及其操作箱，回路如图8所示。
如图8所示，操作箱串联防跳与机构箱并联防跳回路同时投入，但跳位监视回路未使用专用监视回路。当试验断路器合闸后，操作箱出现合位继电器HWJ和跳位继电器TWJ同时动作的异常现象。
由此可见，若跳位监视不使用专用监视回路，将会与机构箱内的并联防跳回路产生寄生回路。
（2）跳位监视回路使用专用监视回路试验时的防跳功能试验
如前所诉，仅投机构箱内并联防跳回路时，在合闸于故障而保护立即动作的极端情况下防跳功能将不起作用，为此，将操作箱内串联防跳回路同时投入，进行试验。
试验采用了三相联动断路器及其操作箱，试验回路如图9所示，虚线框内为试验断路器机构箱内回路，虚线框外为试验断路器操作箱内的控制回路。
试验时，使手合继电器SHJ和永跳继电器1TJR同时动作，模拟断路器合于故障后保护0ms立即发跳闸令的极端方式，在断路器合闸并立即跳开后，将手合继电器保持动作状态直至断路器储能完成，断路器未再合闸，防跳功能起到到了作用。整个试验过程中机构箱内的防跳继电器始终未动作，这说明是操作箱内的串联防跳回路起到了防跳作用。
此试验表明，在机构箱并联防跳功能不起作用的情况下，操作箱的串联防跳仍然起到了“防跳”作用，弥补了机构防跳的不足。
（3）合闸指令长期存在时保护单跳试验
如前所述，单独使用串联防跳时，若合闸指令长期存在，保护单跳后会出现非故障相不停分合的现象。在串、并联防跳同时投入的方式下，对此情况进行了试验。
图9 未用专用监视回路的串、并联防跳试验回路图
试验采用了分相操作断路器及其操作箱，当模拟合闸指令长期存在时，各相机构箱内的防跳继电器均已处于动作状态，因此故障相单跳后，重合闸动作后故障相合闸不成功，最后由三相不一至保护跳开非故障相，且非故障相不会出现再次合闸。
串、并联防跳同时投入，也可以解决本文中提到的仅投串联防跳时，合闸机构不能保持而产生的断路器跳跃的问题。由此可见，串、并联防跳同时使用时解决了仅投串联防跳时的隐患。
4 结论
防跳回路是断路器控制回路中的重要回路，对保证断路器安全有重要作用。单独使用操作箱内的串联防跳或机构箱内的并联防跳回路，事实证明，都是有缺陷的。
试验证明，在断路器操作箱跳位监视使用断路器机构箱提供的专用监视回路后，串、并联防跳回路是可以同时使用的，它们可以起到取长补短，共同提高防跳回路的可靠性。
基于实验结果分析，建议对反措条文修订：“对跳位监视采用专用监视回路的断路器控制回路，应将操作箱和机构箱防跳回路均投入；不具备专用监视回路的断路器，为防止寄生回路，宜使用操作箱防跳，若不存在寄生回路问题，可同时投入操作箱防跳和机构箱防跳”。