關于手持式斷路器校驗儀的研制

國網金華供電公司 劉潔波 鄭曉明 陳文通 吳雪峰 單 鑫 黃曉峰

隨著中國從制造大國轉向制造強國，全社會用電需求量依然不斷增大且對電能質量要求越來越高。為保證持續、穩定、安全供電，電力企業不僅要新建變電站，更要對老變電站進行綜合檢修，以保障變電站良好的健康狀態。在220kV變電站綜合檢修過程中，斷路器二次回路的反措試驗（防跳功能驗證試驗、三相不一致時間測量試驗）是極為重要的試驗項目。防跳功能異常輕則造成斷路器無法正常動作、重則擴大事故停電范圍，甚至引起爆炸事故[1]。三相不一致時間與設定值相比誤差太大，可能會導致三相不一致保護拒動或者誤動，從而擴大事故范圍[2]。然而由于缺少專用的校驗裝置，人工試驗方法耗時長、效率不高、安全性低。

因此，如何提高試驗的工作效率、可靠性及安全性，減少設備停電檢修時間，對于提高電力企業的經濟效益，推進國家電網建設具體中國特色國際領先的能源互聯網企業的戰略目標具有重大的意義。

1 現狀分析

目前國內外的繼電保護裝置都是綜合性校驗裝置，體積大而笨重，且需外接220kV 的直流電源，在檢修現場工作利用繼電保護裝置進行斷路器二次回路反措試驗，試驗安全可靠但非常不便捷，整體工作效率低。相對于利用繼電保護保護裝置進行斷路器二次回路反措試驗，變電站檢修現場更多利用人工試驗法。

防跳功能驗證試驗采用“人工短接接點法”，該方法由兩個操作人員相互配合，人工短接跳、合閘接點。若斷路器的初始位置為分位，一個人試驗人員先短接分閘接點，然后第二個試驗人員再短接合閘接點，保持不動。若斷路器初始位置為合位，操作順序相反。該方法存在以下缺點：兩人配合試驗，無法單人操作進行試驗；使用短接線人為短接接點，安全性低，有觸電的風險；短接不牢靠，配合不默契，試驗容易失敗，重復作業。

圖1 人工短接點法示意圖

圖2 后臺計時法示意圖

三相不一致時間測量試驗采用“后臺報文計時法”，一個試驗人員在戶外模擬斷路器“偷跳”或“偷合”，斷路器動作發出動作信號、在后臺主機形成相應的SOE 報文，經過延時，斷路器三相不一致保護動作，三相跳閘，后臺主機再次形成相應的SOE 報文，另一個試驗人員在戶內查看并計算前后兩次報文的時間間隔，即三相不一致時間，該方法存在以下缺點：無法戶外現場計時，需要戶內戶外兩個人相互配合；后臺報文刷新快、數量多，查找對應報文不方便；老變電站報文沒有SOE 時間，無法使用該方法。

2 創新思路及技術原理

國內外電力設備市場上并不存在專門用于斷路器二次回路反措試驗，根據人工試驗方法的特點，提出研制一種專用的校驗裝置來替代操作人員執行這兩種方法，具體創新思路如下：人工短接接點法。通過試驗線將分閘接點和合閘接點引至校驗裝置，根據試驗人員的選擇，由程序控制接點的導通順序，代替人工作業；后臺報文計時法。通過試驗線將相應的斷路器動作信號接點引至校驗裝置，校驗裝置發出斷路器動作信號，自動啟動計時，當裝置收到三相不一致保護動作信號后，自動停止計時，從而自動完成計時。

技術原理：利用集成式設計原理進行系統設計，小組成員將裝置整體分為電源模塊、人機交互模塊、控制模塊、機箱模塊，其實現效果與實現途徑分別為：電源模塊。綜合供電性能好，對比選擇電池；處理器模塊。功耗低、運算快，對比選擇處理器及編程語言；人機交互模塊。液晶屏顯示穩定，對比選擇驅動芯片；指令輸入操作方便，對比選擇指令輸入硬件；機箱模塊。輕、抗摔、耐腐蝕，對比選擇材質，保護性能好，設計機箱結構。

3 設計方案及效果檢驗

電源模塊。鋰電池比能最高、自放電率最低、使用壽命最長，從三個主要性能參數對比發現理電池綜合供電性能最好。選擇合適容量的鋰電池組裝電源并設計電壓轉換電路，確保電壓波紋系數小于2%，為校驗裝置提供穩定電源。

人機交互模塊。包括液晶顯示屏和指令輸入。液晶顯示屏選擇點陣式液晶顯示屏，利用TLC5941芯片驅動顯示屏，其位間電流誤差僅為2.0%，顯示穩定。指令輸入選擇A/D 轉化按鍵，可根據功能需要定義每個按鍵的指令意思，適用于多功能儀器的指令輸入。試驗人員可以通過按鍵輸入指令選擇不同的試驗項目，并根據斷路器實際位置狀態選擇相適應的試驗方法；操作人員還可通過按鍵修改裝置獲試驗的初始參數。

控制模塊。從芯片價格、功耗、執行周期三方面對比選擇了LPC2131處理器。為提高系統效率，按鍵的操作響應可采用中斷的方式進行，由鍵碼key、系統狀態win 和opt 決定執行什么作業，如圖3所示。根據預設功能開發設計軟件程序并固化在CPU 內部，根據人機交互單元中指令輸入，啟動程序運行指令，從而控制計時器和信號開入開出回路工作，完成預設功能。

圖3 系統操作響應方式

機箱模塊。設計機箱外型，選擇合適的材質制作機箱，既要保證機箱輕便、便于操作人員手持操作，同時要保證機箱具有良好的機械強度和絕緣性，因此選擇聚丙烯材質，機箱設計圖如圖4所示。

圖4 機箱尺寸

在220kV 變電站對手持式斷路器校驗儀進行了實際應用，以檢驗實際效果：提高工作效率。同一個間隔，使用人工試驗方法方法需要25.7min，而使用手持式斷路器校驗儀只要7.6min，縮短58.8%，將工作效率提高了233%；釋放檢修力量。原來需要2個試驗人員配合完成試驗，現只需要1個試驗人員；提升安全性。使用校驗儀代替人工作業，改善作業環境，避免操作人員使用短接線觸電的風險。

4 結語

根據斷路器二次回路反措試驗人工試驗方法的特點，本文詳細介紹了手持式斷路器校驗儀的研發過程，經實踐證明校驗儀能極大提高試驗的工作效率和安全性。國內外電力設備市場上并不存在專門用于斷路器二次回路反措試驗的裝置，因而手持式斷路器校驗儀整好填補了該市場空白，具有以下幾個創新點：多功能。試驗人員可以選擇不同的試驗項目，可根據斷路器的初始狀態選擇不同的試驗方法；程序驅動。采用ARM 芯片控制輸出工藝，根據輸入指令由程序控制跳閘接點和合閘接點導通的先后順序，替代人工作業；智能計時。當裝置發出信號時自動啟動計時，而當裝置接受到信號時自動停止計時，實現了戶外現場智能計時。