南京國(guó)電南自自動(dòng)化有限公司 馮曉華 阮青亮 吳 凱 王閏羿

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的容量和規(guī)模也在日益擴(kuò)大，近年來電力系統(tǒng)各種故障引起的連鎖事故時(shí)有發(fā)生，其主要原因是繼電保護(hù)二次設(shè)備的設(shè)計(jì)存在隱性的不夠完善的地方[1-2]。在電力系統(tǒng)中斷路器是連接電網(wǎng)設(shè)備和保護(hù)線路的重要環(huán)節(jié)，直流操作回路作為繼電保護(hù)裝置與斷路器重要的接口，其設(shè)計(jì)不夠完善導(dǎo)致的保護(hù)裝置不正確動(dòng)作占比較高，因此設(shè)計(jì)合理的直流操作回路能最大程度地保證斷路器動(dòng)作的可靠性，從而有效減少因斷路器故障導(dǎo)致的電力系統(tǒng)事故[3]。

為使繼電保護(hù)裝置更加緊湊以便于生產(chǎn)調(diào)試和工程維護(hù)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)電力設(shè)備二次廠家都將斷路器的直流操作回路設(shè)計(jì)成單插件形式，作為保護(hù)裝置的一塊插件，目前絕大部分直流操作回路都不具備在線監(jiān)控和自檢功能，而在直流操作回路常見問題中，回路接觸電阻不良導(dǎo)致跳合閘失敗是最為常見的一種故障形式，因此對(duì)操作回路中接觸電阻的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)可以有效排查和預(yù)警其功能異常而導(dǎo)致的跳合閘故障[4-5]。

1 接觸電阻檢測(cè)原理

實(shí)際跳合閘時(shí)間很短且動(dòng)作過程中整個(gè)回路中有繼電器線圈的存在，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)回路中電流變化很大難以實(shí)現(xiàn)回路電阻的準(zhǔn)確測(cè)量，另外由于各設(shè)備廠家的插件一般都采用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，直流操作插件上繼電器和功率電阻均較多，一般不會(huì)存在模擬量采集設(shè)計(jì)回路用于測(cè)量回路中的電流，因此在操作箱或操作插件中設(shè)計(jì)直接檢測(cè)回路難度較大。

本文基于測(cè)量直流操作回路中的電流來判斷回路中的接觸電阻是否異常，在控制電源正極和跳閘出口壓板正端之間并聯(lián)一個(gè)檢測(cè)電阻和檢測(cè)開關(guān)，并在直流操作回路中增加一個(gè)電流檢測(cè)點(diǎn)，通過檢測(cè)點(diǎn)電流的變化來判斷回路中接觸電阻是否異常，進(jìn)而判斷直流操作回路是否會(huì)導(dǎo)致跳閘失敗，具體原理圖如圖1，圖中TWJ為跳閘位置繼電器，HWJ為合閘位置繼電器；TBJ為跳閘保持繼電器，HBJ為合閘保持繼電器；TQ為跳閘線圈，HQ為合閘線圈；TJ為跳閘回路時(shí)間繼電器，HJ為合閘回路時(shí)間繼電器。

圖1 檢測(cè)回路原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)方案及硬件電路設(shè)計(jì)

由于直流操作回路插件上繼電器和功率電阻很緊湊，一般沒有多余的空間設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路，因此考慮將電流檢測(cè)電路置于同裝置的其他模件上，通過端子接線將檢測(cè)電路接至直流操作回路上，本文提出的設(shè)計(jì)將電流檢測(cè)回路設(shè)計(jì)在裝置的出口模件上。如圖2，需對(duì)檢測(cè)模塊中檢測(cè)回路電流進(jìn)行檢測(cè)，即流經(jīng)TBJ或HBJ回路的電流，為節(jié)省硬件資源在實(shí)際應(yīng)用中跳閘回路與合閘回路只有一路可導(dǎo)通，裝置根據(jù)TWJ及HWJ的位置判別對(duì)哪一個(gè)回路進(jìn)行檢測(cè)，由CPU驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)回路的檢測(cè)開關(guān)使檢測(cè)開關(guān)閉合，將檢測(cè)模塊串入出口壓板與+KM之間，回路中的電流通過檢測(cè)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過隔離運(yùn)放電路后通過母板進(jìn)入CPU板的ADC通道進(jìn)行采樣處理。

圖2 操作回路電流檢測(cè)原理圖

檢測(cè)回路中的電源使用操作電源+KM，該電源由保護(hù)裝置精確測(cè)量后參與回路電流的計(jì)算，從而保證所測(cè)量的回路接觸電阻精度，考慮到直接操作回路接觸電阻的檢測(cè)頻次一天按5次計(jì)算一年約2000次，松下2a型繼電器的動(dòng)作壽命至少10萬次，因此選用松下2a型繼電器作為檢測(cè)回路開關(guān)完全滿足要求。電流測(cè)量回路檢測(cè)的電流范圍設(shè)為100mA以下，回路中電流的測(cè)量最終是要到保護(hù)裝置的CPU模件上的ADC進(jìn)行測(cè)量參與運(yùn)算，因此電氣隔離就是必須考慮的一個(gè)重要參數(shù)。

本文選用TI公司的AMC1200B芯片，該芯片的電氣隔離是4250V，精度0.5%，輸入范圍是正負(fù)250mV，滿足設(shè)計(jì)要求，電流檢測(cè)回路中串入采樣電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入隔離運(yùn)放，隔離運(yùn)放的前端有RC組成的濾波電路，RC參數(shù)根據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，后端有運(yùn)放實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端輸出和RC濾波電路，輸出的模擬量可以直接進(jìn)ADC進(jìn)行模擬采樣，經(jīng)ADC采樣的信號(hào)進(jìn)入CPU參與回路接觸電阻的計(jì)算，回路電流檢測(cè)原理如圖3。

圖3 回路電流檢測(cè)原理

3 結(jié)語

直流操作回路的可靠性是保證斷路器正確動(dòng)作的重要一環(huán)，而直流操作回路最常見的接觸電阻異常是導(dǎo)致跳合閘失敗最常見的一種故障形態(tài)，因此對(duì)直流操作回路的接觸電阻在線監(jiān)測(cè)就變的異常重要。本文分析了直流操作回路接觸電阻檢測(cè)的原理，詳細(xì)介紹了接觸電阻的檢測(cè)方案和硬件檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，該方法通過在線監(jiān)測(cè)操作回路的電流來對(duì)直流操作回路工作狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下保證直流操作回路安全可靠地運(yùn)行。