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0 引言

隔離開關(guān)作為變電站內(nèi)重要的高壓一次設(shè)備，具有隔開帶電電網(wǎng)、改變系統(tǒng)運行方式和接通或斷開小電流電路等功能。隔離開關(guān)的分、合閘關(guān)系著電力系統(tǒng)運行方式的調(diào)整，涉及到供電可靠性，如果出現(xiàn)因隔離開關(guān)二次回路故障導(dǎo)致不能正常分、合閘操作，將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定和后續(xù)作業(yè)進程。故障情況緊急，必須在盡可能短的時間內(nèi)解決此問題。

隔離開關(guān)的二次回路封裝在機構(gòu)箱內(nèi)，一方面，其元器件功能失效、接線松動等異常信息無法及時獲取，依靠作業(yè)人員周期性巡視也無法有效判斷；另一方面，當(dāng)隔離開關(guān)二次回路出現(xiàn)故障時，僅根據(jù)已有的表面現(xiàn)象不足以判斷出具體是哪個元器件故障。這種無法精準(zhǔn)定位故障點的弊端給搶修恢復(fù)工作帶來一定程度的不確定性，無法有針對性地提前準(zhǔn)備所需元器件的備品，極大地延長了故障處理時間。文獻[1]提出了一種二次回路故障辨識方法，分析各種類型故障下顯示電量的變化情況，得到正常顯示電量和故障后顯示電量的關(guān)聯(lián)函數(shù)，但只能判斷出可能發(fā)生的故障類型，無法判斷故障的具體位置。文獻[2]通過對變電站中SV（采樣值），GOOSE（面向通用對象的變電站事件）和MMS（制造報文系統(tǒng)）報文的監(jiān)測與分析，實現(xiàn)二次回路中故障的快速定位，但該方法只針對智能變電站，無法運用到常規(guī)變電站二次回路。文獻[3]研制了一種排除機構(gòu)二次回路故障裝置，可以模擬二次回路故障并進行排除，但無法快速精準(zhǔn)定位故障的具體位置。

本文提出了用于快速定位電動操作型隔離開關(guān)二次回路故障的方法和裝置，將各檢測點的實測值與標(biāo)準(zhǔn)電氣值進行對比，結(jié)合隔離開關(guān)的操作動作過程，綜合快速判斷隔離開關(guān)二次回路的故障位置，直接指導(dǎo)檢修人員精準(zhǔn)處理缺陷，不必再次重復(fù)操作，省去測量電位分析故障的步驟，從而縮短故障的處理時間，避免由于隔離開關(guān)的二次回路故障所造成的線路投運不及時或線路不得不停電檢修等操作，保障了電網(wǎng)供電可靠性。

1 隔離開關(guān)二次回路故障處理現(xiàn)狀

由于隔離開關(guān)的二次回路封裝在機構(gòu)箱內(nèi)，當(dāng)隔離開關(guān)二次回路上出現(xiàn)元器件損壞或接線松動等二次回路故障時，若隔離開關(guān)不經(jīng)過操作、僅依靠作業(yè)人員日常巡視外觀檢查無法發(fā)現(xiàn)其故障；若隔離開關(guān)經(jīng)過操作發(fā)生故障時，作業(yè)人員需要依據(jù)圖紙從頭到尾檢查整個二次回路，經(jīng)過分析判斷才能查找出二次回路發(fā)生故障的位置[4-7]。由于無法精準(zhǔn)定位隔離開關(guān)二次回路故障點的位置，將大大延長故障處理的時間。

通過現(xiàn)場調(diào)查，獲取了10 次隔離開關(guān)二次回路發(fā)生故障時現(xiàn)場的處理時間，如表1 所示。

表1 隔離開關(guān)二次回路故障現(xiàn)場處理時間統(tǒng)計

由表1 可知，平均每次現(xiàn)場處理時間達到1.484 h，遠大于全部106 類緊急缺陷處理時間的平均值。進一步分析每次處理時間，最少0.70 h，最多2.58 h，離散度較大。總結(jié)處理隔離開關(guān)二次回路緊急故障流程，可分為3 個環(huán)節(jié)：查找定位故障、精準(zhǔn)解決問題和故障驗收。分析不同人員多次處理此類隔離開關(guān)二次回路故障時，每個環(huán)節(jié)的耗時，如表2 和圖1 所示。

表2 作業(yè)人員處理隔離開關(guān)二次回路故障每個環(huán)節(jié)耗費時間統(tǒng)計 h

圖1 作業(yè)人員處理隔離開關(guān)二次回路故障每個環(huán)節(jié)耗時分布

由表2 和圖1 可知，精準(zhǔn)解決和故障驗收環(huán)節(jié)每人的耗時較接近，而定位故障環(huán)節(jié)耗時最少為0.36 h，最長為2.12 h，導(dǎo)致整個處理過程離散度大。

查找定位故障環(huán)節(jié)時間較長的原因為：

（1）查找隔離開關(guān)二次回路故障時，需要結(jié)合隔離開關(guān)分、合閘的操作行為，不得不復(fù)現(xiàn)操作過程。

（2）定位隔離開關(guān)二次回路故障點時，需根據(jù)圖紙逐點多層級測量，并經(jīng)過邏輯判斷分析得到問題所在。

本文研制的隔離開關(guān)二次回路故障快速定位裝置，能夠減少查找定位故障環(huán)節(jié)的耗時，運行人員操作隔離開關(guān)發(fā)現(xiàn)有故障的同時，可額外得知隔離開關(guān)二次回路的故障點，直接指導(dǎo)精準(zhǔn)處理缺陷，不必再次重復(fù)操作，省去了測量電位分析故障的步驟，從而縮短該故障的處理時間。

2 隔離開關(guān)二次回路故障定位原理

2.1 隔離開關(guān)二次回路

隔離開關(guān)二次回路為隔離開關(guān)電機回路和控制回路的統(tǒng)稱，由電源開關(guān)、按鈕、切換開關(guān)、接觸器、行程開關(guān)和手動閉鎖裝置等組成，用以控制電動機正、反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機構(gòu)的分、合閘操作。電動機構(gòu)由電機回路驅(qū)動電動機，經(jīng)過減速機后輸出力矩操作隔離開關(guān)[8-12]；控制回路實現(xiàn)在滿足一系列的閉鎖與開放功能的前提下，遠方或者就地分/合隔離開關(guān)。隔離開關(guān)二次回路如圖2 所示。

圖2 的隔離開關(guān)二次回路圖以某高壓開關(guān)有限責(zé)任公司制造的CJ6A 型隔離開關(guān)為例進行說明。本文研究的快速定位隔離開關(guān)二次回路故障的方法和裝置適用于各種廠家研制的隔離開關(guān)，只需根據(jù)不同型號的端子排圖，在程序中設(shè)置對應(yīng)的節(jié)點以及對應(yīng)的正常節(jié)點電壓即可。目前，該裝置可以實現(xiàn)部分主流廠家的功能切換，通過選擇對應(yīng)的廠家型號，就能直接使用[13-15]。

2.2 二次回路電壓采集

裝置采集隔離開關(guān)二次回路中各個節(jié)點的電壓，需要在不影響原有的二次回路的前提下完成，并且各個采集電壓相互之間不能產(chǎn)生干擾，以保證采集電壓的準(zhǔn)確性和安全性。將帶螺紋的探針固定在端子排上，裝置可以通過探針對各個節(jié)點電壓進行采集，這樣不僅不影響原有的二次回路，還能保證采集的可靠性。端子排探針安裝如圖3 所示。

二次回路電壓采集原理如圖4 所示。由圖4可知，將隔離開關(guān)二次回路中各個節(jié)點的電壓通過裝置探針引到采樣母線上，裝置采用巡檢的方式從上到下依次閉合各個節(jié)點所對應(yīng)的輔助開關(guān)（J1，J2，J3，…，Jn），分別采集各個節(jié)點電壓。通過這種方式進行電壓采集時，各個采集回路之間沒有電氣聯(lián)系，每次只保證一條采集回路接通，可以避免對隔離開關(guān)二次回路造成影響，并且各個采集電壓相互之間不會產(chǎn)生干擾。

2.3 二次回路故障定位

將采集得到的隔離開關(guān)二次回路中各個節(jié)點的電壓與該節(jié)點正常狀態(tài)時的電壓進行對比，當(dāng)該環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，該節(jié)點電壓會發(fā)生較大偏移，從而定位發(fā)生二次回路故障的位置節(jié)點。

式中：ΔVi為第i 個節(jié)點發(fā)生故障時和正常狀態(tài)時的節(jié)點電壓差；i 為節(jié)點編號（i=1，…，n）；為第i 個節(jié)點正常狀態(tài)時的節(jié)點電壓；Vi為第i個節(jié)點發(fā)生故障時的節(jié)點電壓；δ 為節(jié)點電壓差閾值。

2.4 隔離開關(guān)二次回路故障定位流程

綜合2.1—2.3 小節(jié)分析，可以通過比較各個節(jié)點電壓的偏移量來判斷二次回路發(fā)生故障的位置，隔離開關(guān)二次回路故障定位流程如圖5 所示。

裝置通過巡檢的方式依次對隔離開關(guān)二次回路各個節(jié)點電壓進行比較分析，可以判斷出發(fā)生短路或斷路的節(jié)點位置，但目前裝置只能判斷單點發(fā)生故障的情況，若多處同時發(fā)生故障，裝置首先判斷出位置靠前的節(jié)點，當(dāng)該節(jié)點恢復(fù)正常后，才能判斷后續(xù)另一處故障。

3 裝置模塊設(shè)計及測試

3.1 啟停模塊

根據(jù)隔離開關(guān)五防閉鎖邏輯條件值，以及倒閘操作時手動啟停的情況，設(shè)計出啟停模塊電路圖，并測算了各元器件的參數(shù)值，如圖6 所示。

圖5 隔離開關(guān)二次回路故障定位流程

圖6 啟停模塊電路

圖6 中，RXD 為接收數(shù)據(jù)輸出；NSLP 為睡眠控制輸入；NWAKE 為本地喚醒輸入；TXD 為發(fā)送數(shù)據(jù)輸入；INH 為控制外部電壓調(diào)節(jié)器的電池相關(guān)抑制輸出；BAT 為電池電源；LIN 為LIN總線輸入/輸出；GND 為模塊電源地。

模擬改變線路間隔斷路器、接地閘刀的位置狀態(tài)，在滿足五防邏輯條件和不滿足五防邏輯條件2 種情況下，以及手動觸發(fā)操作時，測試啟停模塊的功能，如表3 所示。

3.2 采樣模塊

設(shè)計電壓采樣模塊電路圖，測算元器件參數(shù)值，編寫電壓采樣模塊單元的程序，驗證輸出結(jié)果正確率。利用電阻分壓原理設(shè)計電壓采樣電路圖，并測算元器件參數(shù)值，如圖7 所示。

表3 啟停模塊功能測試表

圖7 電壓采樣電路

運用Altium Designer 軟件進行仿真測試，在50 組不同的交流電壓值下，采樣模塊均能夠有效實現(xiàn)采集功能。運用keil uVision3 軟件平臺編寫電壓采樣模塊單元的程序，仿真測試結(jié)果表明，該程序運行效率高，能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)數(shù)據(jù)電壓模擬量的采樣功能，并正確轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。分別輸入不同的交流測試電壓，測試采樣結(jié)果如表4 所示。

3.3 邏輯分析模塊

設(shè)計邏輯分析模塊電路圖，測算元器件參數(shù)值，編寫邏輯分析模塊單元的程序，驗證輸出結(jié)果正確率。邏輯分析模塊利用單片機實現(xiàn)對輸入采樣值的數(shù)據(jù)運算，得到故障定位結(jié)果。邏輯分析模塊電路如圖8 所示。其中，AREF 為A/D 模擬基準(zhǔn)輸入；RESET 為復(fù)為輸入；X1 為反向振蕩放大器輸入；X2 為反向振蕩放大器輸出；VCC為模塊電源正；端口A（PA0-PA7）為A/D 轉(zhuǎn)換器模擬輸入；端口B（PB0-PB7）為8 位雙向I/O 口；端口C（PC0-PC7）為8 位雙向I/O 口；端口D（PD0-PD7）為8 位雙向I/O 口。

圖8 邏輯分析模塊電路

利用keil uVision3 軟件平臺，編寫邏輯分析模塊單元的程序，將不同組合的電壓值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入至單片機采樣口。測試可知，邏輯分析模塊能夠正常判別結(jié)果，正確輸出控制命令。測試輸出結(jié)果如表5 所示。

3.4 電氣執(zhí)行模塊

設(shè)計電氣執(zhí)行模塊電路圖，測算元器件參數(shù)值，驗證電氣執(zhí)行模塊動作時間。根據(jù)裝置功能要求，每個測試點需要一個執(zhí)行繼電器，電路圖如圖9 所示。

依次試驗導(dǎo)通各測試點電壓采樣回路中執(zhí)行元器件，并重復(fù)30 次，測試執(zhí)行元器件的動作情況，均正確動作。

3.5 結(jié)果顯示模塊

設(shè)計結(jié)果顯示模塊電路圖，測算元器件參數(shù)值，編寫結(jié)果顯示模塊單元的程序，驗證輸出結(jié)果正確率。由單片機控制的液晶屏，構(gòu)成結(jié)果顯示電路，如圖10 所示。其中，VL 為驅(qū)動電壓輸入端；RS 為指令數(shù)據(jù)選擇；RW 為讀寫選擇；E為讀寫使能信號；D0-D7 為數(shù)據(jù)總線；CS1 和CS2 為低電平選通；RST 為復(fù)位；BL+為背光源正極；BL-為背光源負(fù)極。

表5 邏輯分析模塊測試

圖9 電氣執(zhí)行模塊電路

圖10 結(jié)果顯示電路

利用keil uVision3 軟件平臺，編寫結(jié)果顯示模塊單元的程序。在輸出顯示程序中添加代碼，根據(jù)判斷結(jié)果使單片機控制液晶屏顯示“控制電源空開故障”“急停按鈕開關(guān)故障”“合閘繼電器故障”“分閘繼電器故障”等。測試可知，LCD12864液晶屏能夠正確顯示測試文字。測試輸出結(jié)果如表6 所示。

表6 結(jié)果顯示模塊測試

4 現(xiàn)場實施效果

2019 年4 月30 日—10 月30 日，將隔離 開關(guān)二次回路故障快速定位裝置安裝應(yīng)用在3 座220 kV 變電站的各20 個線路隔離開關(guān)上，隔離開關(guān)發(fā)生二次回路故障的現(xiàn)場定位故障時間統(tǒng)計情況如表7 所示。

5 結(jié)語

本文針對目前電力系統(tǒng)中作業(yè)人員無法直接精準(zhǔn)判斷出隔離開關(guān)二次回路故障位置，而導(dǎo)致因重復(fù)操作從而延長了故障處理時間、降低了電網(wǎng)供電可靠性的問題，基于二次回路節(jié)點電壓實測值與標(biāo)準(zhǔn)電氣值對比的思路，提出了用于快速定位電動操作型隔離開關(guān)二次回路故障的方法和裝置。詳細(xì)闡述了二次回路故障定位原理、裝置模塊設(shè)計及測試，以及現(xiàn)場實施效果。實際應(yīng)用結(jié)果表明，采用該裝置能夠快速定位隔離開關(guān)二次回路的故障位置，為作業(yè)人員現(xiàn)場處理故障提供幫助，保障了電網(wǎng)供電可靠性。

表7 隔離開關(guān)二次回路故障現(xiàn)場定位故障時間統(tǒng)計