控制回路斷線故障智能查找裝置的研制

李配配，汪 洋，許 明，岳建房，汪 敏，王振奎

(1.國網安徽省電力公司淮南供電公司，安徽 淮南 232007；2.國網江蘇省電力公司常州供電公司，江蘇 常州 213000)

0 前言

變電站中的開關設備均通過控制回路進行分合，控制回路是否完好直接影響操作和保護命令能否被正確執行。在開關設備運行過程中，因各種原因導致的控制回路斷線故障時有發生。控制回路斷線后需及時查明原因，如處理不及時可能會導致瞬時性故障重合閘不成功或永久性故障開關跳不開，從而造成故障范圍擴大。當前變電運維模式為：在發現控制回路斷線告警信號后，由運行值班員或監控人員通知相關二次檢修人員到現場處理。處理的方法是：首先檢查控制電源，如電源正常再依次測量控制回路主要節點對地電壓，找到電壓變位點，從而確定故障范圍。由于各種客觀原因，這種人工處理的方法往往會使故障處理不及時，從而可能造成保護拒動甚至越級跳閘；而且對處理該類型故障的檢修人員業務水平要求較高。

針對這種情況，亟需研制一種能夠快速、自動查找控制回路斷線故障的裝置。

1 裝置的實現原理

控制回路斷線信號由保護裝置內部的跳位監視繼電器和合位監視繼電器的常閉觸點串聯后啟動，2者同時失電即報“控制回路斷線”告警信號。

控制回路斷線的原因主要有：

(1) 控制電源異常，控制保險熔斷或控制電源空開跳開；

(2) 跳、合閘線圈損壞或燒斷；

(3) 斷路器位置輔助觸點轉換不到位；

(4) 由各種閉鎖信號導致的斷線，例如彈簧未儲能；

(5) 開關機構控制板損壞(10 kV開關機構)；

(6) 保護裝置插件或二次接線松動；

(7) 合位監視繼電器HWJ、跳位監視繼電器TWJ線圈斷線。

圖1為開關控制回路，主要包括合閘回路和分閘回路。合位監視繼電器HWJ和跳位監視繼電器TWJ分別串聯于合閘回路與分閘回路中，負責監視開關機構合閘回路及分閘回路的完整性。跳位監視回路和合位監視回路具有相似性，其模型可等效為由電阻、線圈、繼電器觸點、開關位置輔助觸點等元器件串聯于正負電源之間的回路，如圖2，3所示。其中，TWJ和HWJ為電壓線圈，線圈本身電阻就較大，加上回路中串的電阻，整體阻值約40 kΩ。國內開關跳合閘線圈為電流型，其阻值較小，通常為50—200 Ω，繼電器觸點閉合時電阻可忽略不計。當監視回路導通時，電壓大部分加在TWJ或HWJ及串聯電阻上，該部分電阻很大，回路中電流很小，不足以使開關跳、合閘線圈動作。TWJ/HWJ線圈上串聯電阻也是為防止TWJ/HWJ線圈擊穿短路造成的開關誤動?；芈方油ê笥呻娮璺謮涸恚Ｇ闆r下位置監視繼電器之后的各點電壓均為負。回路中某點斷開的情況下，斷開點之前的電壓為正、之后為負，斷開點位于正負電壓點之間。據此，在各元器件或觸點之間的適當位置設置電壓監測點，可有效監視回路情況并快速定位斷線范圍。

圖1 控制回路

2 裝置系統結構設計

開關控制回路分為2部分，分別為保護部分的二次回路及開關機構的二次回路，實際運維中一般以開關機構端子排為分界點。對于控制回路斷線故障，智能查找裝置從運行維護的角度，在保證安全的前提下進行設計，主要包括4個模塊，分別為：程序啟動模塊，裝置采樣模塊，邏輯判斷模塊和輸入、輸出模塊，其中裝置采樣模塊中的輪采技術是裝置實用化的關鍵技術。

2.1 程序啟動模塊

啟動模塊設計為2種：自動啟動和手動啟動。

(1) 自動啟動由控制回路斷線告警信號啟動，符合變電站設備智能化的要求。自動啟動時，為防止手車開關在試驗位置和工作位置切換過程中控制回路斷線裝置誤啟動，采取收到告警信號后延時60 s啟動。60 s后，若斷線消失，程序自動返回。

(2) 手動啟動是一種更為可靠的方式，運維人員確定控制回路斷線后，直接按手動觸發按鈕，即可顯示出斷線位置或范圍，可避免由于開關位置以及彈簧未儲能等原因造成的誤啟動。

2.2 采樣模塊

裝置采樣類型分為直流電壓量和開關量，如圖4所示，10路直流電壓采集通道負責采集控制回路各個監測點直流電壓(有的電壓監測點需要專門引出)，4路開關量采集通道負責采集開關位置、裝置啟動量、裝置閉鎖等開關量。

采用輪采的方式完成對直流電壓量的采集，即裝置啟動后通過程序控制依次接通和斷開各路電壓采集通道，保證每次只有1路電壓通道導通。其中第1，2路通道默認為控制電源正和控制電源負電壓采集通道，具有最高采集優先級。采集開關位置的作用是當開關分位時只查找合閘回路，當開關合位時只查找分閘回路。裝置啟動量可選擇接入控制回路斷線信號啟動程序，裝置閉鎖量可接電壓異常告警閉鎖程序。

2.3 邏輯判斷模塊

查找控制回路斷線故障位置的流程如下。

(1) 若裝置采用自動啟動模式，60 s后斷線信號未消失，啟動故障查找程序。若采用手動啟動模式，按下手動觸發按鈕后即可啟動故障查找程序。

(2) 程序啟動后，根據開關位置判斷是合閘回路故障還是分閘回路故障。開關合位時判定為分閘回路故障，開關分位時判定為合閘回路故障。

圖2 等效跳閘監視回路

圖3 等效合閘監視回路

圖4 裝置采樣示意

(3) 判斷故障所在回路后，首先采集控制電源電壓，若U+=0，U-=0，報“控制電源失電！”信號，程序終止；若U+！=0，U-=0或U+=0，U-！=0，報“直流電源接地！”信號，程序終止。

（4）若U+！=0，U-！=0，則由U+向U-依次采集各個電壓監測點電壓，直至出現相鄰的2個監測點電壓Un，Un+1滿足Un＞0，Un+1＜0，即可判定故障點在Un和Un+1之間，再通過元件自動匹配確定具體斷線位置。程序終止或電壓采集1遍后，采樣通道切換繼電器自動掉電，斷開與控制回路的聯系，保證了控制回路安全。該方法對于一點斷線能判定出斷線位置，對發生概率極小的2點及多點斷線也能判定出斷線點的范圍。具體流程如圖5所示。

2.4 裝置輸入、輸出模塊

輸入接口采用USB自動讀入方式，輸出采用液晶顯示屏及面板指示燈。USB自動讀入用來對回路節點名稱自定義，使裝置適用于不同型號的開關機構；液晶顯示輸出直接給出裝置判定結果，面板指示燈給出指示各節點電壓情況。

3 關鍵技術及安全措施

3.1 測點電壓輪流采集技術

規程規定，“對直流系統絕緣檢測裝置用直流表計內阻的要求是：用于測量220 V回路的電壓表，其內阻不得低于20 kΩ，而測量110 V回路的電壓表，其內阻不低于10 kΩ。”如果是2路電壓測點同時測量，相當于將2個電壓表內阻并聯，回路對地電阻降為原來的二分之一；同理若多個測點同時測量，回路對地電阻將會極大降低，嚴重時甚至可能會造成直流接地故障。為此，裝置對測點電壓采取輪流采集的方式，為保證每次只采集1路電壓，采樣回路采取如圖6所示的設計。

圖5 程序流程

圖6 采樣回路硬件設計

電壓采樣回路中串聯雙刀雙擲繼電器，一路用來切換不同電壓輸入，經分壓電阻送入ADC采集測量，另一路用來監測繼電器的狀態位U_ON，接入電壓時為高電平，邏輯1，否則為低電平，邏輯0。將所有監測信號通過1個或門產生統一信號RelayOn，只要有1個繼電器有電壓接入，則RelayOn為高電平，邏輯1。將U_ON與RelayOn通過1個同或門產生1個邏輯信號CanbeSet，只有U_ON與RelayOn同時為高或同時為低時，CanbeSet才可以為高。將CanbeSet與控制的信號線GPIO通過與門產生ResultTTL去控制繼電器。也就是意味著無論CanbeSet是否為高，ResultTTL都可以被置0；而只有CanbeSet為高時Result TTL才可以置1。每次測量時，先將所有通道GPIO置0，此時U_ON=0，RelayOn=0，CanbeSet=1。然后將需要置1的通道GPIO置1，ResultTTL=1， 繼 電 器 吸 合，U_ON=1，RelayOn=1，CanbeSet=1。如果未將GPIO置0，有通道為1，則RelayOn=1，未被置1的通道U_ON=0，CanbeSet=0，ResultTTL不可能被置1。這就保證了不可能同時有2個通道被置1，也即不可能有2個電壓同時接入測量。

3.2 異常狀態閉鎖措施

控制電源異常主要包括控制電源消失和控制電源接地?？刂齐娫聪r，跳位繼電器和合位繼電器同時失電，報“控制回路斷線”告警。此時，無法通過測電壓查找斷線點，程序自動終止并報“控制電源失電”告警信號。電源一極接地時，由于直流系統是絕緣系統，一般不會構成短路。但是如再有一點接地可能會導致開關誤動或拒動，此時應首先排除電源接地故障，再查斷線位置。一旦測得控制電源電源接地，程序立即自動終止并報“直流電源接地”告警信號。

4 裝置試驗驗證

對淮南某110 kV變電站備用10 kV開關柜上對裝置的功能及實用性進行試驗驗證，結果如表1所示。裝置工作電源為±110 V，開關量接開關位置常開接點，啟動方式選擇為手動啟動，電壓測點位置分別為：控制電源+處、控制電源-處、開關未儲能接點兩側、跳合閘線圈兩側、開關輔助位置接點兩側。

表1 試驗驗證結果

5 結束語

該裝置模擬了人工查找斷線故障流程，為保證裝置在實際應用過程中的安全性，采取了多項冗余安全措施，其功能在10 kV開關機構中得到了驗證，效果良好。由于控制回路的相似性，本項目適用于大部分110 kV和部分220 kV開關機構控制回路斷線故障查找。目前，此項目還處于測試階段。