哈密鑫天能源有限公司 王 奇 鄧 陽

繼電保護裝置應(yīng)具備快速切除故障的功能，斷路器是繼電保護執(zhí)行的主要單元。二次回路技術(shù)主要針對二次設(shè)備連接所形成的回路，包括控制、測量、調(diào)節(jié)等。為確保二次回路技術(shù)應(yīng)用效果，本文以某工程為案例闡述電力系統(tǒng)中的二次回路技術(shù)保護方式，使用防跳回路、控制回路，完成系統(tǒng)的監(jiān)視和保護，確保電力系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定。

1 斷路器控制回路在線監(jiān)測

1.1 采樣與模數(shù)變換

利用繼電保護技術(shù)保護二次回路，采用斷路器控制回路在線監(jiān)測技術(shù)，以“四性”為基本要求，模擬本案例工程的繼電保護數(shù)字核心結(jié)構(gòu)、模擬量、開關(guān)量、通信接口等，完成數(shù)字采集和在線監(jiān)測。設(shè)計輸入模擬信號為XA（t）。設(shè)計時間為Tn，得到模擬信號在采樣點的瞬時值，其具體序列表示如下：X（n）=XA（nTs）,n=1,2,3...輸入模擬信號后得到公式：XA（t）=Xmsin（wt+θ）、Xn=Xmsin（wnTs+θ）。

式中：Ts表示采樣周期，t表示時間內(nèi)，m表示序列，w表示信號值，θ表示常數(shù)。設(shè)定采樣頻率之后，利用基波頻率倍數(shù)表示采樣速率。為了保障采樣過程中不丟失原始信號，確保采樣率為輸入信號最高頻率的兩倍以上。在控制回路在線監(jiān)測中，使用標準單位電壓衡量電壓值，得到有限度數(shù)字值，本案例使用A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)，使得數(shù)字量更加精確。A/D轉(zhuǎn)換器分辨率會對量化誤差數(shù)值產(chǎn)生影響，且兩者之間呈現(xiàn)出反比例關(guān)系，設(shè)定滿量程電壓值為5V，使用二進制位數(shù)為12的變換器，計算所得分辨率數(shù)值為0.002V，在滿足輸入信號電壓在0.002V基礎(chǔ)上，滿足變換器的實際分辨要求[1]。

1.2 數(shù)字濾波

本廠使用數(shù)字式的繼電保護裝置，將故障信號的基頻分量為基礎(chǔ)，在電力系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，輸入的電流、電壓，除有效成分外，仍保護很多噪聲分量，其中包括衰減直流分量和高頻分量。數(shù)字濾波技術(shù)應(yīng)用起到消除噪聲的作用，利用算法完成信號的處理。使用的主要裝置為數(shù)字濾波器，可結(jié)合采樣序列，得到新的序列，并保留控制回路監(jiān)測中的有效成分，濾波器采用線性表達方法，差分公式如下：

式中：y（n）表示輸出序列，X（n）表示采樣序列，k表示常熟，A、B表示濾波器的系數(shù)，t表示時間。濾波特征則使用相應(yīng)頻率表示，經(jīng)過數(shù)字濾波處理后，信號幅值會發(fā)生光滑，則出現(xiàn)一定的位移，使用離散序列表示，則能夠得到實際的位移量。

1.3 二次回路施工

二次回路控制點使用銅芯，使用聚氯乙烯控制電纜。二次回路保護設(shè)備用于切除電力系統(tǒng)故障，斷開電源，保護設(shè)備，控制電源獨立設(shè)置，使用雙電源配置主保護供電，控制開關(guān)確保滿足二次回路額定電壓、電流和操作次數(shù)的基本要求。信號繼電器的額定電壓電流靈敏系數(shù)滿足1.4倍額定電壓的基本要求。整個二次回路施工中，為確保二次回路的質(zhì)量滿足實際要求，確定具體的二次接線參數(shù)，例如在進行屏柜安裝時，控制其具體偏差滿足表1的基本要求。安裝完二次回路之后，對相關(guān)保護裝置進行安裝和調(diào)試，做好二次回路的檢查工作，保護裝置包括線路保護、母聯(lián)保護、主變保護等。完成二次回路檢驗后，確定具體的繼電保護方案[2]。

表1 偏差允許表（mm）

2 高壓斷路器防跳躍閉鎖回路

2.1 防跳原理

繼電保護應(yīng)用微機保護裝置，在保護系統(tǒng)中，斷路器處于合閘狀態(tài)時，微機保護動作啟動，回路接通達到特定位置時，與合閘回路串聯(lián)的閉觸點斷開，回路斷開，在合閘信號存在時，則開觸點閉合。達到節(jié)點電壓線圈時，電壓啟動，完成跳閘過程。斷路器觸點節(jié)點斷開后，回路同時斷開，則電流線圈在受到影響后會復(fù)位。在此過程中，節(jié)點電壓線圈持續(xù)處于動作過程，節(jié)點內(nèi)的閉觸點保持合閘回路斷開的過程，避免在故障發(fā)生時出現(xiàn)多次合閘、跳閘的現(xiàn)象。

斷路器的防跳功能主要受合閘回路的影響，在斷路器處于合閘狀態(tài)時，閉觸點斷開，控制整個合閘回路處于切斷的狀態(tài)。在信號仍然存在的前提下，開關(guān)觸點接收到信號之后會出現(xiàn)閉合的情況，與電壓線圈的防跳回路連接。在電壓線圈啟動電壓的狀態(tài)下，節(jié)點的開觸點因保持閉合狀態(tài)，會使得電壓線圈持續(xù)處于動作的狀態(tài)，在跳閘完成之后，斷路器也會起到輔助斷開的功能，與合閘回路串聯(lián)的閉接點，則會控制斷開合閘回路，避免電力系統(tǒng)出現(xiàn)多次跳閘、合閘的現(xiàn)象。

在同時使用微機保護和斷路器保護過程中，會產(chǎn)生共存“防跳”的現(xiàn)象。兩者均能夠完成防跳的基本功能。但對兩者的防跳的基本原理分析，由于控制回路不同，會影響到電力系統(tǒng)的故障分析結(jié)果。例如，本案例中，斷路器跳閘后，控制回路發(fā)送斷線信號，無法判斷是否由斷路器本體作用導(dǎo)致。因此，為避免此類問題對故障分析產(chǎn)生的影響，在微機防跳運轉(zhuǎn)中，將斷路器的線圈拆除。選擇斷路器本體失效，則拆除微機保護裝置電流線圈，以滿足兩者之間的共存要求，使得回路的“防跳”功能良好。

2.2 實際工程控制回路改進

某公司在同時安裝斷路器和繼電微機保護裝置后，在實際工程應(yīng)用過程中出現(xiàn)了誤差問題，致使出現(xiàn)跳閘與合閘二次回路耐壓下降的情況。因此，使用斷路器本體防跳的回路控制方案，將微機保護裝置取消，在此基礎(chǔ)上分析防跳回路中存在的問題，加以改進和優(yōu)化。在正常合閘并解除的情況下，斷路器的常閉觸點端口，保持回路，開觸點閉合，防跳回路無法接通。在開觸點預(yù)先閉合時，合閘回路處于接通狀態(tài)，會到配置線圈保持動作，無法切除和合閘。為確保繼電保護實現(xiàn)對二次回路的保護，避免跳閘后無法恢復(fù)的情況，需要在回路中添加動作觸點，在開觸點預(yù)先閉合的情況下，斷開合閘，使用繼電器的自保持回路。在開接點有限閉觸點動作的情況下，則合閘自保持回路持續(xù)運轉(zhuǎn)，增加動作觸點后，在保持一段時間之后，會斷開，使得斷路器可正常跳閘、合閘。

3 高壓斷路器控制回路監(jiān)視保護

3.1 高壓斷路器監(jiān)視方案

高壓斷路器主要負責(zé)保護電力系統(tǒng)的正常運行，故障發(fā)生時，會根據(jù)繼電保護的要求，快速切除故障，實現(xiàn)對二次回路的保護。在斷路器跳閘、合閘監(jiān)視過程中，包括并聯(lián)輔助回路紅綠燈監(jiān)視、跳合閘位置繼電器監(jiān)視、串聯(lián)監(jiān)視燈監(jiān)視以及串接高內(nèi)阻繼電器監(jiān)視燈?，F(xiàn)有的四種監(jiān)視方法，均無法實現(xiàn)完整性監(jiān)視，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，斷路器可能會產(chǎn)生拒絕跳閘的情況，無法及時切除故障，甚至?xí)沟迷O(shè)備損壞。在故障排除之后，也可能會產(chǎn)生斷路器拒絕合閘的情況，影響電力系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。

在斷路器實際運行過程中，某公司經(jīng)常發(fā)生跳閘、合閘過程中線圈燒毀的情況，由于設(shè)定線圈動作為短時間通電，斷路器在出現(xiàn)卡死或者觸點切換不正常情況時，長時間通電會導(dǎo)致線圈燒毀。因此，在二次回路跳合閘線圈保護過程中，多采用人工的方法，觀察跳合閘位置的指示燈變化情況，在異常現(xiàn)象發(fā)生時采取相應(yīng)的措施，無法實現(xiàn)對二次回路繼電保護中跳合閘線圈的有效保護。

3.2 高壓斷路器控制回路監(jiān)視保護方案選擇

本案例將220kV變控制回路作為研究對象，結(jié)合實際工程探討跳合閘保護控制問題?！胺捞被芈肥褂谜婵諗嗦菲?，將繼電保護裝置內(nèi)部防跳裝置拆除，使用導(dǎo)線短接常閉節(jié)點。在控制回路跳合閘動作過程中，采用斷路器手動控制方案，在跳閘之后，閉觸點閉合，電流從正電源流過，經(jīng)由合閘電磁鐵、閉觸點等，流通到負電源，當(dāng)指示燈綠燈亮起時，合閘回路完整。在跳閘時，利用觸點的切換功能，在閉合接通合閘位置設(shè)置監(jiān)測回路，合閘位置繼電器動作后，觸點斷開合位監(jiān)測回路，繼電器反饋。在此過程中，中央信號回路不啟動，表明合閘狀態(tài)完整，中央信號報警，則表明回路狀態(tài)不完整。

對跳閘回路完整性監(jiān)測過程中，建立仿真模型，模型構(gòu)建應(yīng)用MATLAB軟件。斷路器未跳閘之前，則利用合位監(jiān)視回路起到監(jiān)視的功能，在跳閘操作期間，觸點動作，連接點保持閉合。完成跳閘之后，斷路器開節(jié)點斷開，提取整個動作過程中的電流波形變化情況。在跳閘回路未受到監(jiān)視的過程中，無法了解跳閘回路是否良好，在合閘結(jié)束后，可輔助利用觸點的切換功能，保持監(jiān)視回路處于接通的狀態(tài)。但在合閘過程中如果出現(xiàn)故障問題，則跳閘回路完整性也會受到影響。因此，在監(jiān)視方案中，將跳閘完畢后的回路納入監(jiān)視體系之中，避免合閘故障對二次回路的影響持續(xù)擴大。

由于本案例采用短時線圈動作時間，此時控制開關(guān)如果發(fā)生未復(fù)歸的情況，則跳閘線圈可能會因此燒毀，在增加動斷觸點后，在微弱監(jiān)視跳閘回路時，則動斷觸點不會發(fā)生動作，回路監(jiān)測可靠。在回路存在動作電流時，線圈長時間通電，延時斷開跳閘回路，避免出現(xiàn)線圈燒毀的問題。

在實際工程中，為確保繼電保護能夠?qū)崿F(xiàn)完整性監(jiān)測，實現(xiàn)對二次回路的準確保護，在監(jiān)視系統(tǒng)中采集跳合閘回路電流，使用霍爾傳感器的磁電效應(yīng)，實現(xiàn)對電流的科學(xué)采集。在半導(dǎo)體裝置上，沿著同一方向通過電流，并在垂直方向上施加均勻磁場，會產(chǎn)生電動勢，具體公式表達如下：Uh=Rh/d×I×B，式中：Rh為霍爾系數(shù)，Uh為電動勢，I表示控制電流，B表示勻強磁場。在具體電流采集過程中，半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和厚度會影響到數(shù)據(jù)采集的結(jié)果。通過對電流的采集，能夠?qū)崟r了解跳合閘線圈保護的實際情況。

在斷路器跳閘線圈保護過程中，增設(shè)高壓斷路器二次回路保護器，在異常狀態(tài)下，可起到保護跳閘線圈的情況。增加霍爾傳感單元采集電流，并將采集的電流利用硬件系統(tǒng)傳輸?shù)缴衔粰C中，計時電流動作，增加控制節(jié)點，可實現(xiàn)對二次回路跳合閘線圈的科學(xué)保護。

3.3 高壓斷路器控制回路監(jiān)視保護設(shè)計

硬件設(shè)計：高壓斷路器控制回路系統(tǒng)監(jiān)視保護功能的實現(xiàn)主要依據(jù)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的配置，硬件系統(tǒng)包括傳感器、單片機、通信系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)等。單片機使用A/D轉(zhuǎn)換模塊，設(shè)置SPI和MCU接口，傳感器主要負責(zé)采集電流、電壓、溫度等信號，通信系統(tǒng)采用RS485總線配置方案，上位機負責(zé)實時數(shù)據(jù)的分析，用于顯示診斷結(jié)果和預(yù)警。在硬件電路方案設(shè)計中，霍爾傳感器負責(zé)斷路器跳合閘回路電流信號的轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過電阻后將其轉(zhuǎn)化為電壓信號，投入到運放單元之中。電壓信號則使用運算放大器，供給5V電壓，經(jīng)過放大運算后轉(zhuǎn)換為標準電壓。電壓信號轉(zhuǎn)換的輸出量，用于作為單片機的輸入量。

軟件設(shè)計：高壓斷路器控制回路軟件設(shè)計中，利用單片機的軟件程序，發(fā)送指令，完成二次回路保護的過程。主程序具備電流檢測功能，支持初始化過程和子程序循環(huán)。子程序負責(zé)啟動A/D變換，并根據(jù)變換結(jié)果，啟動監(jiān)視保護程序。子程序分支數(shù)量共計9個，分別負責(zé)不同的狀態(tài)預(yù)警。例如，在跳閘回路過電流狀態(tài)時，發(fā)出過流預(yù)警信號，判斷定時器的啟動情況，啟動定時器后計時，在達到預(yù)設(shè)的跳閘上限后，如果結(jié)束，則保存數(shù)據(jù)，上傳到顯示裝置中，如果未結(jié)束，則關(guān)閉定時器，啟動跳閘保護指令，完成二次回路的計算保護過程，控制觸點斷開，保存數(shù)據(jù)后，上傳到上位機中顯示。

綜上所述，高壓斷路器動作可靠性與系統(tǒng)運行穩(wěn)定性直接相關(guān)，控制回路的可靠性會影響到繼電保護動作的準確性，防跳回路、跳合閘回路是保障繼電保護功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。本案例以實際工程為例，建立仿真分析模型，分析控制回路中的“防跳”問題，采用回路接線改動方法，提高“防跳”回路的性能，并引入了跳合閘線圈的保護，有效提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。