新VD4断路器分合闸防跳技术介绍.doc

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新VD4断路器分合闸脱扣器
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1YH8 122 109 F Rev A
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New VD4
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ABB Xiamen Switchgear Co., Ltd.
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一、 脱扣器原理简介
新VD4断路器所配的脱扣器为创新的安全型双线圈设计脱扣器，分合闸脱扣器完全相同。分合闸脱扣器皆可承受被长期通电而不会烧毁。分合闸脱扣器安装在脱扣器功能模块中，整个模块可以进行简单快速的更换，并同时保持断路器参数的稳定性。
以合闸脱扣器为例，新脱扣线圈的工作原理如下图所示：

图1 控制模块原理示意图
每个脱扣器包含有一个动作线圈（5-3端子间）和一个保持线圈（3-4端子间），并集成了一整套控制保护电路。动作线圈的额定功率为200W，保持线圈的额定功率仅为5W。
1. 在无合闸命令状态下，受IC控制的电子开关M1和M2皆处于关断状态，动作线圈和保持线圈都不被导通。
2. 如果脱扣器接受到的合闸命令小于设定的门槛电压，也就是低于60％的额定二次工作电压时，IC控制的电子开关M1和M2仍然不被导通，动作线圈和保持线圈中没有任何电流通过，脱扣器不动作。

3. 如果脱扣器接受到的合闸命令高于设定的门槛电压，也就是60％的额定二次工作电压时：
n 在前0~100ms时间内，脱扣器控制模块IC的Out 4处于高电平状态，M1导通，动作线圈得电，脱扣器启动并推动断路器机构完成合/分闸动作。此时电流流经回路为：端子5－动作线圈－端子3－M1。动作线圈功率为200W，也就是说假设脱扣器额定电压为220V时，动作线圈的阻值约为200Ω，动作电流约为1A。
n 经过100ms后，控制电路模块IC的Out 4变成低电平状态，M1关断断开动作线圈。同时IC的Out 2变成高电平状态，M2导通，保持线圈得电。此时电流被切换到新的回路：端子5－脱扣器的动作线圈－脱扣器的保持线圈－端子3－M1。保持线圈的功率仅为5W，保持电流仅为极低的数十毫安，线圈发热量极少。由于电磁铁的特性，此毫安级的电流足以使得铁心被可靠保持在吸合位置。

集成了控制电路的合闸脱扣器 分合闸脱扣器功能模块
新型脱扣器的主要优点有：
n 更高的安全性，有效保护脱扣器线圈在各种极端工况下不被烧毁，同时保证断路器动作时间更加准确
n 极大简化了合闸回路的设计，提高断路器整体可靠性
n 与机构配合，实现可靠的机械防跳功能
二、 更高的安全性
采用了以上工作原理的新型脱扣器，可有效避免以下两种不安全工况下脱扣器烧毁的可能：
1. 脱扣器被长期通电。在许多情况下，如断路器的机械闭锁未打开而电气闭锁已经解除时发出分合闸命令，脱扣器即可能被长期通电。传统脱扣器对长时间通电特别敏感，一般通电时间超过1秒即有可能被烧毁。而新VD4断路器的线圈完全可承受被长期通电，消除了在这种情况下烧毁的可能。
2. 脱扣器过低电压启动。当二次电压过低（如仅为50％额定值）时发出合闸命令，脱扣器被通电但不足以可靠推动断路器机构动作，在这种情况下断路器的动作特性极不稳定，线圈也极易被烧毁。新VD4合闸线圈由于设置了门槛，只有在接受到符合要求的合闸命令时才被通电，不仅保证了断路器的动作特性稳定，且保证了线圈自身的安全。
三、 简化的合闸回路设计
采用了以上工作原理的新型脱扣器，大大简化了断路器内部合闸回路的设计。
传统的合闸脱扣器，由于不能被长期通电，故为了确保脱扣器不会被烧毁，合闸回路中必须要串联多个辅助开关接点。如下图左所示，传统VD4断路器合闸脱扣器Y3回路中共串连有：
n K0防跳继电器接点
n 储能完成接点S1，13-14
n 断路器分闸位置接点S3，31-32
n 合闸闭锁电磁铁接点S2
n 同时S2本身还受手车位置接点S8、S9的控制

传统VD4断路器合闸回路 新VD4断路器合闸回路
以储能完成接点S1的功能为例，当断路器储能未完成时，断路器的机械闭锁使得机构无法合闸；如果此时线圈接到错误发出的合闸命令，线圈得电但无法完成合闸动作，由于一般综保的接点不会主动切断合闸信号，Y3线圈将会持续得电最终被烧毁。因此，必须在合闸回路中串接S1接点，使得当储能未完成、机械闭锁未接触时，合闸回路不导通，合闸线圈接受不到合闸命令。其他串联接点的功能与S1类似。
以上所有串连接点保证断路器Y3合闸线圈不会在错误的时候接到合闸命令。
但是，由于串联电路的连接方式，以上任何一个接点如果发生接触不良等故障，都必定会导致断路器拒合的结果！
新VD4的脱扣器的创新设计使其具有安全耐受长期通电的特性，利用这个特性，新VD4断路器的合闸回路设计异常简洁可靠。如上图所示，整个合闸回路中仅有脱扣器本身一个元件，没有串联任何其他接点，合闸回路的彻底避免了接点接触不良的故障可能，安全性和可靠性大大提高。
省去所有辅助开关接点的新VD4断路器具有完整的机械闭锁机构，合闸回路完全没有有误动作的可能。
仍以储能功能为例，当新VD4的储能未完成时，如果此时新VD4线圈接到错误发出的合闸命令，线圈将会吸合被一直通电保持，但断路器的机械闭锁会使得机构无法动作，断路器不会被合闸。由于线圈完全可以承受长期的通电，因此整台断路器无论机械还是电气系统都是安全的。
更进一步，在上述假设中当我们考虑储能完成后的断路器的动作时，我们可发现新VD4的设计比传统设计具备更佳的安全特性：
当综合保护继电器在断路器正在储能（未完成）的情况下发出合闸命令后，无论是传统的串联接点电气闭锁设计，还是新VD4的设计，断路器都可靠闭锁不会错误合闸。而根据大多数综保继电器的工作原理，如果发出命令后断路器未动作，这个合闸命令都将会被一直保持。假设如果合闸命令持续存在的情况下，当储能继续进行直到完成后：
n 传统设计的断路器操动机构的机械闭锁接除、合闸回路中S1闭合、合闸线圈得电，断路器立即合闸！对用户而言，这是一个非预期的合闸。
n 新VD4的设计使得合闸脱扣器一直保持在吸合位置，由于脱扣器铁心不返回，操动机构机械闭锁无法完全接除。断路器不会合闸！只有当外界合闸命令取消并重新发出后，断路器才会被合闸。
不仅是储能闭锁的功能如此，新VD4的其他如手车闭锁、合闸闭锁电磁铁等闭锁都有相同的更安全的动作特性。
四、 机械防跳功能
利用合闸线圈可被长期通电的特性，新VD4断路器巧妙的实现了机械防跳功能。
防跳功能是指一个合闸命令，无论保持的时间有多长，都只能使断路器合闸一次。第二次合闸必须在前一个合闸命令消失之后，由重新发出的第二个合闸命令触发。
简单说来，传统断路器的防跳功能是靠一个自保持的继电器回路实现的。在传统VD4上，这个继电器是合闸回路中的K0。一个长期存在的合闸命令将使K0继电器在断路器合闸到位后动作，切断合闸线圈回路，使得断路器避免跳跃合闸。K0线圈由合闸命令本身自保持供电。只有当前一个合闸命令消失后K0才会返回并接通合闸回路，为第二次合闸作好准备。
自保持继电器回路的设计安全可靠，但实际运行中由于外界综保的设计的多样性，常有部分综保和断路器防跳回路存在参数冲突的现象。在这种情况下断路器的防跳继电器需要被拆除。
在新VD4上，没有电气防跳的K0回路，防跳功能完全由脱扣器本身和操动机构机械配合实现：当一个合闸命令持续存在时，在驱动断路器动作一次后脱扣器将被持续保持在吸合位置。在这种情况下，即便是断路器分闸并储满能量，保持在吸合位置的脱扣器也使操动机构无法复位到准备合闸的条件。只有当合闸命令消失，脱扣器铁心返回后操动机构才能复位，从而实现了防跳的功能。
与电气防跳相比，机械防跳的优点突出：
n 从原理可以看出，机械防跳与外界综保的电气回路永远不产生任何冲突。新VD4的实际运行经验也显示了这一点。
n 新VD4机械防跳的设计使得操动机构对手动合闸操作也具有防跳功能，也就是说，一个手动合闸操作也只能使得断路器合闸一次。新VD4更安全的保护了运行人员的安全。
n 机械防跳本身没有电气防跳继电器断线、接点接触不良等风险，更加可靠。
机械脱扣功能的详细原理介绍可见厦门ABB相关技术公告。
新VD4机械防跳机构
五、 新VD4脱扣器与综保的配合
在额定工作条件下，新VD4分合闸脱扣器的具体技术参数如下表：
经过了优化设计的新型脱扣器能与市场上所有已知的综合保护继电器可靠配合，包括与各种综保的断线监视回路可靠配合。
断线监视回路的工作原理有多种，最常见的一种其原理图如下，在综保的合闸回路中并联了一个高阻值的中间继电器TWJ，为合闸线圈提供一个持续的毫安级小电流。如果合闸线圈断线，则这个小电流被截断，中间继电器TWJ无法吸合，综保继电器报警。

一种典型国内综保的监视回路
为了保证断路器的安全运行，ABB要求断线监视装置提供的监视电流为：
n 110V及以下工作电压，监视电流小于20mA
n 220V工作电压，监视电流小于10mA
在小电流条件下新VD4分合闸脱扣器的典型伏安特性如下：
线圈额定电压
测量电压DC（V）
电流值（mA）
等效电阻值（k）
220V AC/DC
15
≥7.5
≤2.0
110V AC/DC
8
≥12
≤0.7
只要监视电流符合规定，新VD4可和各种继保配合良好。

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