操作回路接觸電阻在線監測與實現

南京國電南自自動化有限公司 馮曉華 阮青亮 吳 凱 王閏羿

隨著現代電力系統的不斷發展，電力系統的容量和規模也在日益擴大，近年來電力系統各種故障引起的連鎖事故時有發生，其主要原因是繼電保護二次設備的設計存在隱性的不夠完善的地方[1-2]。在電力系統中斷路器是連接電網設備和保護線路的重要環節，直流操作回路作為繼電保護裝置與斷路器重要的接口，其設計不夠完善導致的保護裝置不正確動作占比較高，因此設計合理的直流操作回路能最大程度地保證斷路器動作的可靠性，從而有效減少因斷路器故障導致的電力系統事故[3]。

為使繼電保護裝置更加緊湊以便于生產調試和工程維護，國內大多數電力設備二次廠家都將斷路器的直流操作回路設計成單插件形式，作為保護裝置的一塊插件，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致跳合閘失敗是最為常見的一種故障形式，因此對操作回路中接觸電阻的精準監測可以有效排查和預警其功能異常而導致的跳合閘故障[4-5]。

1 接觸電阻檢測原理

實際跳合閘時間很短且動作過程中整個回路中有繼電器線圈的存在，會導致整個回路中電流變化很大難以實現回路電阻的準確測量，另外由于各設備廠家的插件一般都采用的標準尺寸，直流操作插件上繼電器和功率電阻均較多，一般不會存在模擬量采集設計回路用于測量回路中的電流，因此在操作箱或操作插件中設計直接檢測回路難度較大。

本文基于測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一個檢測電阻和檢測開關，并在直流操作回路中增加一個電流檢測點，通過檢測點電流的變化來判斷回路中接觸電阻是否異常，進而判斷直流操作回路是否會導致跳閘失敗，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為跳閘回路時間繼電器，HJ為合閘回路時間繼電器。

圖1 檢測回路原理圖

2 硬件設計方案及硬件電路設計

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計電流檢測電路，因此考慮將電流檢測電路置于同裝置的其他模件上，通過端子接線將檢測電路接至直流操作回路上，本文提出的設計將電流檢測回路設計在裝置的出口模件上。如圖2，需對檢測模塊中檢測回路電流進行檢測，即流經TBJ或HBJ回路的電流，為節省硬件資源在實際應用中跳閘回路與合閘回路只有一路可導通，裝置根據TWJ及HWJ的位置判別對哪一個回路進行檢測，由CPU驅動對應回路的檢測開關使檢測開關閉合，將檢測模塊串入出口壓板與+KM之間，回路中的電流通過檢測電阻將電流信號轉換為電壓信號，再經過隔離運放電路后通過母板進入CPU板的ADC通道進行采樣處理。

圖2 操作回路電流檢測原理圖

檢測回路中的電源使用操作電源+KM，該電源由保護裝置精確測量后參與回路電流的計算，從而保證所測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頻次一天按5次計算一年約2000次，松下2a型繼電器的動作壽命至少10萬次，因此選用松下2a型繼電器作為檢測回路開關完全滿足要求。電流測量回路檢測的電流范圍設為100mA以下，回路中電流的測量最終是要到保護裝置的CPU模件上的ADC進行測量參與運算，因此電氣隔離就是必須考慮的一個重要參數。

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250mV，滿足設計要求，電流檢測回路中串入采樣電阻將電流信號轉換為電壓信號輸入隔離運放，隔離運放的前端有RC組成的濾波電路，RC參數根據實際電路進行設計，后端有運放實現差分轉單端輸出和RC濾波電路，輸出的模擬量可以直接進ADC進行模擬采樣，經ADC采樣的信號進入CPU參與回路接觸電阻的計算，回路電流檢測原理如圖3。

圖3 回路電流檢測原理

3 結語

直流操作回路的可靠性是保證斷路器正確動作的重要一環，而直流操作回路最常見的接觸電阻異常是導致跳合閘失敗最常見的一種故障形態，因此對直流操作回路的接觸電阻在線監測就變的異常重要。本文分析了直流操作回路接觸電阻檢測的原理，詳細介紹了接觸電阻的檢測方案和硬件檢測電路的設計，該方法通過在線監測操作回路的電流來對直流操作回路工作狀況進行監測，在不影響系統正常運行的前提下保證直流操作回路安全可靠地運行。