盧興麗， 李彥吉， 姜　越

(北京鐵路局　石家莊供電段, 河北石家莊 050000)

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鐵路供電技術(shù)

繼電保護(hù)回路極性校驗(yàn)儀的開發(fā)應(yīng)用

盧興麗， 李彥吉， 姜越

(北京鐵路局石家莊供電段, 河北石家莊 050000)

供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)和綜合自動(dòng)化裝置對互感器的極性有不同的配置要求，在保護(hù)裝置新安裝或大修更換了互感器等后都要進(jìn)行互感器及其回路的極性校驗(yàn)、判斷極性的配置是否正確。針對現(xiàn)有測試中存在的諸多弊端和問題，提出了可以剔除和解決這些問題的多路模擬量回路極性校驗(yàn)儀項(xiàng)目，簡述了其使用效果。

PT； CT； 多回路； 極性； 無線

電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)是電力系統(tǒng)重要的電氣設(shè)備,其本體與二次布線極性的正確與否,對系統(tǒng)的保護(hù)、測量、監(jiān)察等設(shè)備的正常工作有極其重要的意義。在新安裝、大修PT、CT或更換PT、CT二次電纜及測控裝置后，利用極性試驗(yàn)法檢驗(yàn)PT、CT接線的正確性，是繼電保護(hù)工作人員必不可少的工作程序。

1　現(xiàn)狀調(diào)查

現(xiàn)場大多使用互感器校驗(yàn)儀完成伏安特性、極性的測試，但這種測試的目的是確認(rèn)互感器本體極性的正確性，對于二次連接線極性正確性檢查無能為力?，F(xiàn)階段對于從互感器的一次側(cè)到測控裝置入口處整個(gè)模擬量回路的正確性檢查手段只有1個(gè)，就是直流法的點(diǎn)極性方案。

1.1點(diǎn)極性[1]

將指針式萬用表接在互感器二次輸出繞組引至繼電保護(hù)安裝處，用萬用表直流電壓或電流最小量程檔；將1～6節(jié)干電池的負(fù)極固定在電流互感器的一次輸出導(dǎo)線上；再用干電池的正極去點(diǎn)電流互感器的一次輸入導(dǎo)線，這樣在互感器一次回路就會產(chǎn)生一個(gè)正脈沖電流；同時(shí)觀察二次回路指針萬用表的表針向哪個(gè)方向偏移，若萬用表的表針從0由左向右偏移，說明干電池正極所接電流互感器一次端子與指針式萬用表正接線柱連接的電流互感器二次電纜引入測控裝置的某端是同名端，這種接線就稱為反極性或減極性；反之稱為正極性或加極性。

1.2存在的問題

從上述過程來看，點(diǎn)極性這一過程摻雜著太多的人為因素，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、易出錯(cuò)。并且對極性校驗(yàn)的錯(cuò)誤結(jié)果不能通過設(shè)備傳動(dòng)及試運(yùn)行來發(fā)現(xiàn)和消除。

鐵路牽引供電普遍存在的牽引回流也往往對極性校驗(yàn)產(chǎn)生不利影響。在電壓互感器測試時(shí)，需對線圈先期充電，存在對操作人員電擊的危險(xiǎn)，可能由此引起其他意外。

2　極性錯(cuò)誤引起的典型事故

近幾年設(shè)備運(yùn)行中，因繼電保護(hù)回路極性錯(cuò)誤，先后多次、多地發(fā)生了非正常跳閘、計(jì)量不準(zhǔn)等問題。

2.1差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)

2012年8月7～8日京廣高速鐵路沖擊送電時(shí)，因?yàn)橹髯儔浩鞯蛪簜?cè)CT極性接反造成高邑西、邯鄲東變電所先后8次出現(xiàn)比率差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)跳閘問題。

2.2阻抗保護(hù)拒動(dòng)

2013年8月7日京廣高速鐵路姚莊變電所全并聯(lián)供電時(shí)，213阻抗I段保護(hù)動(dòng)作跳閘、但214阻抗保護(hù)沒有動(dòng)作出口，檢查發(fā)現(xiàn)214保護(hù)測量到的負(fù)荷阻抗角為174°左右、進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)電壓互感器極性接反，將YHT與YHF對調(diào)后顯示正常、保護(hù)動(dòng)作正常。

2.3計(jì)量錯(cuò)誤

從2008年10月份開始，京廣線黃粱夢變電所的損失率呈逐月增加的趨勢，最大達(dá)到15%。通過檢查發(fā)現(xiàn)4#饋線計(jì)量電度較同樣運(yùn)營條件的其他供電臂月電度差達(dá)到1萬kWh，最終發(fā)現(xiàn)214計(jì)量回路錯(cuò)誤地接入了對應(yīng)電壓[2]。

3　解決方案

點(diǎn)極性的方案是現(xiàn)場檢查極性最為簡便易行的測試方法，繼電保護(hù)回路極性校驗(yàn)儀仍舊采用此原理。由于從互感器本體到測控裝置保護(hù)回路普遍都有70 m左右的距離，所以選用了主機(jī)加無線分機(jī)的設(shè)計(jì)方案。主機(jī)在互感器一次側(cè)注入電流，分機(jī)在互感器二次回路末端進(jìn)行采樣分析，確定其輸出極性，并能通過無線傳輸?shù)姆绞綄y試結(jié)果傳送給主機(jī)，使用原理框圖如圖1。

3.1CT測試實(shí)現(xiàn)

由于電流互感器一次線圈匝數(shù)很少，其阻抗值接近于零，所以采用在其一次側(cè)瞬間正向放電，使在其二次側(cè)感應(yīng)出電流的方式。在互感器側(cè)，主機(jī)先對大容量電容器充電，然后控制其對電流互感器一次線圈放電。分機(jī)在保護(hù)回路末端采集電流信號，收到主機(jī)通知后將采集到的數(shù)據(jù)信息以無線的方式傳回主機(jī)。主機(jī)根據(jù)接收到的信息進(jìn)行計(jì)算解碼，在液晶屏上顯示出測試結(jié)果。

3.2PT測試實(shí)現(xiàn)

與電流互感器相反，電壓互感器一次線圈匝數(shù)較多，其電流不能突變。在互感器側(cè)，主機(jī)先控制電池對一次線圈進(jìn)行充電，在電流達(dá)到一定值時(shí)，瞬間斷開充電回路，使互感器二次側(cè)產(chǎn)生一個(gè)峰值脈沖。分機(jī)通過對脈沖正向或反向的判斷，確定互感器的極性，并通過無線信號將測試結(jié)果傳回到主機(jī)。

圖1　裝置使用示意圖

3.3極性判斷

對于電流互感器，在其一次側(cè)正向瞬間放電時(shí)，會在其二次側(cè)產(chǎn)生正負(fù)兩個(gè)脈沖，對于第一個(gè)脈沖的正負(fù)的判斷是確定互感器極性的關(guān)鍵。

為防止?fàn)恳╇娤到y(tǒng)的外界干擾和回流造成測試裝置內(nèi)部元器件的燒損問題，在模擬信號進(jìn)入主機(jī)前、增加了1∶1的隔離變壓器。這樣在進(jìn)行電壓互感器試驗(yàn)時(shí)，因?yàn)榫€圈充電需要一個(gè)過程、此時(shí)在隔離變壓器的二次側(cè)檢測不到此微弱的脈沖，但在斷開充電回路的過程中會有一個(gè)較大的反向脈沖，因此對于電壓互感器采用了反向檢測的方案。

由于分機(jī)接收到的脈沖寬度較窄，特別對于互感器有多個(gè)二次線圈時(shí)，瞬間同時(shí)捕捉幾個(gè)脈沖信號將會變得比較困難。為了實(shí)現(xiàn)對脈沖的準(zhǔn)確捕捉，采用了特別設(shè)計(jì)的脈沖捕捉保持電路。在每一個(gè)二次回路的末端，都有正負(fù)兩個(gè)脈沖捕捉電路，且正負(fù)兩個(gè)電路之間互為閉鎖。任一脈沖捕捉電路捕捉到相應(yīng)的脈沖后，將閉鎖另外一支脈沖捕捉電路，使其失去捕捉功能。其原理接線如圖2所示，當(dāng)任一可控硅Q2或者Q3導(dǎo)通后，將斷開另一回路的電源，使其不能夠再導(dǎo)通，以保證一次測試只返回一個(gè)脈沖信號。

圖2　脈沖采集保持電路原理圖

3.4無線傳輸

無線傳輸采用單片射頻發(fā)射器芯片nRF24L01+，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與分機(jī)之間的通訊。它是一款工作在2.4～2.5 GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。該芯片有極低的電流消耗，在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時(shí)、電流消耗為11.3 mA，接收模式時(shí)為13.5 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。

4　裝置結(jié)構(gòu)

4.1主機(jī)裝置結(jié)構(gòu)(見圖3)

主機(jī)主要由MCU、電源、電流互感器放電回路、電壓互感器放電回路、無線傳輸單元、顯示輸出單元6個(gè)部分組成。

(1)MCU

以MICROCHIP公司的PIC16F877A單片機(jī)做為核心，實(shí)現(xiàn)CT、PT的測試控制，并對分機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，確定互感器的正負(fù)極性，對錯(cuò)誤信息進(jìn)行排除等。

(2)電源

采用12 V鋰電做為主電源，經(jīng)過DC-DC變換，產(chǎn)生3.3 V和5 V兩路電源。分別供給MCU、無線芯片和液晶屏。

(3)電流互感器放電回路

為防止鋰電池因?yàn)樗查g放電而損壞，采用電池先給電容充電，然后由電容對電流互感器一次線圈放電的方式。由4接點(diǎn)繼電器與大容量放電電容組成。繼電器的兩對常閉接點(diǎn)對電容進(jìn)行充電，兩對常開接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對電流互感器一次線圈進(jìn)行放電。這樣做的目的是實(shí)現(xiàn)主機(jī)與互感器之間的電氣隔離，防止放電回路斷開瞬間產(chǎn)生的高壓引入到主機(jī)內(nèi)部電路。

(4)電壓互感器放電回路

MCU系統(tǒng)控制繼電器利用鋰電池對一次線圈充電、當(dāng)電流達(dá)到一定數(shù)量級時(shí)、自動(dòng)斷開充電回路。

(5)無線傳輸單元

實(shí)現(xiàn)主機(jī)與分機(jī)之間的無線通訊。

(6)顯示輸出單元

采用128×64液晶屏，顯示測量、幫助信息及測量結(jié)果。

圖3　主機(jī)原理框圖

4.2分機(jī)裝置結(jié)構(gòu)(見圖4)

分機(jī)主要由MCU系統(tǒng)、電源、采樣保持電路、極性顯示電路、無線傳輸單元5個(gè)部分組成。

(1)MCU系統(tǒng)

分機(jī)同樣采用MICROCHIP公司的PIC16F877A單片機(jī)做為核心，主要控制無線芯片的收發(fā)，采集采樣電路的動(dòng)作信號，形成數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。

(2)電源

與主機(jī)一樣，采用12 V鋰電池做為主電源，經(jīng)過DC-DC變換后產(chǎn)生3.3 V電源分別供給繼電器、MCU、無線芯片等。

(3)采樣保持電路

采集互感器二次回路產(chǎn)生的脈沖信號并保持，以供MCU采集數(shù)據(jù)。

(4)極性顯示

為防止保護(hù)回路較長，無線通訊無法聯(lián)絡(luò)時(shí)、主機(jī)無法收到分機(jī)信號做出判斷，在分機(jī)上采用了LED發(fā)光二極管來指示所測回路的加、減極性。同時(shí)，作為輔助顯示與主機(jī)比較，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(5)無線傳輸部分

實(shí)現(xiàn)分機(jī)與主機(jī)間的無線通訊。

圖4　無線分機(jī)原理框圖

4.3功能設(shè)置

主機(jī)采用獨(dú)立的電流互感器與電壓互感器測試輸出端子，并配以測試選擇鍵、實(shí)現(xiàn)回路極性的測試功能；為減輕測試儀質(zhì)量，面板上裝配充電口，充電采用外接充電器的方式。

分機(jī)設(shè)有4路8只采集端子，能同時(shí)采集4個(gè)回路的脈沖信號，實(shí)現(xiàn)互感器若干次邊輸出的同時(shí)測試；并配以LED發(fā)光管顯示。同樣，分機(jī)充電也采用外接充電器的方式。

5　結(jié)束語

2014年8～11月在北京鐵路局石家莊供電段邯長線牽引變電所驗(yàn)收試驗(yàn)中，推廣使用了該裝置(見圖5)，先后發(fā)現(xiàn)了饋線阻抗保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)極性錯(cuò)誤等問題。

繼電保護(hù)回路極性校驗(yàn)儀在牽引供電系統(tǒng)高次諧波、過電壓、較大回流等外界干擾下，工作均正常、運(yùn)行穩(wěn)定。裝置集成度高，質(zhì)量不足1 kg、現(xiàn)場攜帶使用方便，測試時(shí)僅需單人操作、省時(shí)省力，一次可完成多個(gè)線圈回路的校驗(yàn)，避免了不同人員接線、聯(lián)系傳遞方面帶來的誤差。最大傳輸距離達(dá)到1 000 m，可以滿足電氣化鐵路牽引變電所任何位置的互感器回路測試的需求。裝置的應(yīng)用，極大地方便了現(xiàn)場、減輕了檢修試驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并確保了互感器一次至二次回路連接的牢固性、準(zhǔn)確性和正確性。

圖5　繼電保護(hù)回路極性校驗(yàn)儀

[1]李建明,朱康.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法[M].第2版.北京:中國電力出版社,2003.

[2]李彥吉，羅長久，王凡. 一起牽引變電所損失率超標(biāo)原因分析及處理[J].鐵道機(jī)車車輛，2010，30(3)：98-100.

Development and Application of Polarity Calibrator for Relay Protection

LUXingli,LIYanji,JIANGYue

(Shijiazhuang Power Supply Section, Beijing Railway Bureau, Shijiazhuang 050000 Hebei, China)

The power supply system’s relay protection and integrated automation device require different configuration for mutual inductors’ polarity. The polarity of mutual inductors are needed to test when the relay protection is a new installation or the mutual inductor is replaced and so on. Aiming at the disadvantages and problems existing in the test, this paper introduces the project of multi-channel analog polarity calibrator which can eliminate and solve these problems, and describes the application effect.

PT; CT; multiple circuit; polarity; wireless

1008-7842 (2016) 02-0053-03

??)女，工程師(

2015-09-30)

U224.4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.12