隔離開關二次回路故障快速定位裝置的研制

（國網浙江省電力有限公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000）

0 引言

隔離開關作為變電站內重要的高壓一次設備，具有隔開帶電電網、改變系統運行方式和接通或斷開小電流電路等功能。隔離開關的分、合閘關系著電力系統運行方式的調整，涉及到供電可靠性，如果出現因隔離開關二次回路故障導致不能正常分、合閘操作，將嚴重影響電力系統穩定和后續作業進程。故障情況緊急，必須在盡可能短的時間內解決此問題。

隔離開關的二次回路封裝在機構箱內，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，依靠作業人員周期性巡視也無法有效判斷；另一方面，當隔離開關二次回路出現故障時，僅根據已有的表面現象不足以判斷出具體是哪個元器件故障。這種無法精準定位故障點的弊端給搶修恢復工作帶來一定程度的不確定性，無法有針對性地提前準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聯函數，但只能判斷出可能發生的故障類型，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）報文的監測與分析，實現二次回路中故障的快速定位，但該方法只針對智能變電站，無法運用到常規變電站二次回路。文獻[3]研制了一種排除機構二次回路故障裝置，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二次回路故障的方法和裝置，將各檢測點的實測值與標準電氣值進行對比，結合隔離開關的操作動作過程，綜合快速判斷隔離開關二次回路的故障位置，直接指導檢修人員精準處理缺陷，不必再次重復操作，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，保障了電網供電可靠性。

1 隔離開關二次回路故障處理現狀

由于隔離開關的二次回路封裝在機構箱內，當隔離開關二次回路上出現元器件損壞或接線松動等二次回路故障時，若隔離開關不經過操作、僅依靠作業人員日常巡視外觀檢查無法發現其故障；若隔離開關經過操作發生故障時，作業人員需要依據圖紙從頭到尾檢查整個二次回路，經過分析判斷才能查找出二次回路發生故障的位置[4-7]。由于無法精準定位隔離開關二次回路故障點的位置，將大大延長故障處理的時間。

通過現場調查，獲取了10 次隔離開關二次回路發生故障時現場的處理時間，如表1 所示。

表1 隔離開關二次回路故障現場處理時間統計

由表1 可知，平均每次現場處理時間達到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。總結處理隔離開關二次回路緊急故障流程，可分為3 個環節：查找定位故障、精準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二次回路故障時，每個環節的耗時，如表2 和圖1 所示。

表2 作業人員處理隔離開關二次回路故障每個環節耗費時間統計 h

圖1 作業人員處理隔離開關二次回路故障每個環節耗時分布

由表2 和圖1 可知，精準解決和故障驗收環節每人的耗時較接近，而定位故障環節耗時最少為0.36 h，最長為2.12 h，導致整個處理過程離散度大。

查找定位故障環節時間較長的原因為：

（1）查找隔離開關二次回路故障時，需要結合隔離開關分、合閘的操作行為，不得不復現操作過程。

（2）定位隔離開關二次回路故障點時，需根據圖紙逐點多層級測量，并經過邏輯判斷分析得到問題所在。

本文研制的隔離開關二次回路故障快速定位裝置，能夠減少查找定位故障環節的耗時，運行人員操作隔離開關發現有故障的同時，可額外得知隔離開關二次回路的故障點，直接指導精準處理缺陷，不必再次重復操作，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 隔離開關二次回路故障定位原理

2.1 隔離開關二次回路

隔離開關二次回路為隔離開關電機回路和控制回路的統稱，由電源開關、按鈕、切換開關、接觸器、行程開關和手動閉鎖裝置等組成，用以控制電動機正、反轉，實現機構的分、合閘操作。電動機構由電機回路驅動電動機，經過減速機后輸出力矩操作隔離開關[8-12]；控制回路實現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。隔離開關二次回路如圖2 所示。

圖2 的隔離開關二次回路圖以某高壓開關有限責任公司制造的CJ6A 型隔離開關為例進行說明。本文研究的快速定位隔離開關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，只需根據不同型號的端子排圖，在程序中設置對應的節點以及對應的正常節點電壓即可。目前，該裝置可以實現部分主流廠家的功能切換，通過選擇對應的廠家型號，就能直接使用[13-15]。

2.2 二次回路電壓采集

裝置采集隔離開關二次回路中各個節點的電壓，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生干擾，以保證采集電壓的準確性和安全性。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，將隔離開關二次回路中各個節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點所對應的輔助開關（J1，J2，J3，…，Jn），分別采集各個節點電壓。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系，每次只保證一條采集回路接通，可以避免對隔離開關二次回路造成影響，并且各個采集電壓相互之間不會產生干擾。

2.3 二次回路故障定位

將采集得到的隔離開關二次回路中各個節點的電壓與該節點正常狀態時的電壓進行對比，當該環節發生故障時，該節點電壓會發生較大偏移，從而定位發生二次回路故障的位置節點。

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

2.4 隔離開關二次回路故障定位流程

綜合2.1—2.3 小節分析，可以通過比較各個節點電壓的偏移量來判斷二次回路發生故障的位置，隔離開關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二次回路各個節點電壓進行比較分析，可以判斷出發生短路或斷路的節點位置，但目前裝置只能判斷單點發生故障的情況，若多處同時發生故障，裝置首先判斷出位置靠前的節點，當該節點恢復正常后，才能判斷后續另一處故障。

3 裝置模塊設計及測試

3.1 啟停模塊

根據隔離開關五防閉鎖邏輯條件值，以及倒閘操作時手動啟停的情況，設計出啟停模塊電路圖，并測算了各元器件的參數值，如圖6 所示。

圖5 隔離開關二次回路故障定位流程

圖6 啟停模塊電路

圖6 中，RXD 為接收數據輸出；NSLP 為睡眠控制輸入；NWAKE 為本地喚醒輸入；TXD 為發送數據輸入；INH 為控制外部電壓調節器的電池相關抑制輸出；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，在滿足五防邏輯條件和不滿足五防邏輯條件2 種情況下，以及手動觸發操作時，測試啟停模塊的功能，如表3 所示。

3.2 采樣模塊

設計電壓采樣模塊電路圖，測算元器件參數值，編寫電壓采樣模塊單元的程序，驗證輸出結果正確率。利用電阻分壓原理設計電壓采樣電路圖，并測算元器件參數值，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，仿真測試結果表明，該程序運行效率高，能夠準確實現數據電壓模擬量的采樣功能，并正確轉換為相應的數字量。分別輸入不同的交流測試電壓，測試采樣結果如表4 所示。

3.3 邏輯分析模塊

設計邏輯分析模塊電路圖，測算元器件參數值，編寫邏輯分析模塊單元的程序，驗證輸出結果正確率。邏輯分析模塊利用單片機實現對輸入采樣值的數據運算，得到故障定位結果。邏輯分析模塊電路如圖8 所示。其中，AREF 為A/D 模擬基準輸入；RESET 為復為輸入；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過A/D轉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果，正確輸出控制命令。測試輸出結果如表5 所示。

3.4 電氣執行模塊

設計電氣執行模塊電路圖，測算元器件參數值，驗證電氣執行模塊動作時間。根據裝置功能要求，每個測試點需要一個執行繼電器，電路圖如圖9 所示。

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

3.5 結果顯示模塊

設計結果顯示模塊電路圖，測算元器件參數值，編寫結果顯示模塊單元的程序，驗證輸出結果正確率。由單片機控制的液晶屏，構成結果顯示電路，如圖10 所示。其中，VL 為驅動電壓輸入端；RS 為指令數據選擇；RW 為讀寫選擇；E為讀寫使能信號；D0-D7 為數據總線；CS1 和CS2 為低電平選通；RST 為復位；BL+為背光源正極；BL-為背光源負極。

表5 邏輯分析模塊測試

圖9 電氣執行模塊電路

圖10 結果顯示電路

利用keil uVision3 軟件平臺，編寫結果顯示模塊單元的程序。在輸出顯示程序中添加代碼，根據判斷結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。測試輸出結果如表6 所示。

表6 結果顯示模塊測試

4 現場實施效果

2019 年4 月30 日—10 月30 日，將隔離 開關二次回路故障快速定位裝置安裝應用在3 座220 kV 變電站的各20 個線路隔離開關上，隔離開關發生二次回路故障的現場定位故障時間統計情況如表7 所示。

5 結語

本文針對目前電力系統中作業人員無法直接精準判斷出隔離開關二次回路故障位置，而導致因重復操作從而延長了故障處理時間、降低了電網供電可靠性的問題，基于二次回路節點電壓實測值與標準電氣值對比的思路，提出了用于快速定位電動操作型隔離開關二次回路故障的方法和裝置。詳細闡述了二次回路故障定位原理、裝置模塊設計及測試，以及現場實施效果。實際應用結果表明，采用該裝置能夠快速定位隔離開關二次回路的故障位置，為作業人員現場處理故障提供幫助，保障了電網供電可靠性。

表7 隔離開關二次回路故障現場定位故障時間統計