具备故障定位功能防反充电PT并列装置的研制

李 鹏，钟著辉，陈 力，陈 健，贺 斌，王 蕾，张巍



具备故障定位功能防反充电PT并列装置的研制

李 鹏，钟著辉，陈 力，陈 健，贺 斌，王 蕾，张巍

(湖南常德供电公司，湖南 常德 415000)

为杜绝电压互感器(PT)并列反充电导致并列装置损坏、空开跳闸等故障发生，研制出一种基于ARM的具备故障定位功能防反充电PT并列装置。详细介绍了该装置工作原理及总体构成、软硬件设计。该装置通过采集、计算同相电压差值作为并列必要条件，具有传统PT并列装置没有的防异常并列、防反充电功能。且并列电路中设计有由新型电子元件自恢复保险丝(PPTC)构成的过流阻断电路，可瞬时隔离故障并能自动恢复。通过电压比较、判别，能自动定位、识别高压保险熔断、二次空开跳闸、母线接地等故障，并实时显示各相电压值及故障信息，大大缩短检修人员故障查找处理时间，提高了供电可靠性。

并列；防反充电；同相电压差；自恢复；故障定位

0 引言

变电站二次电压经二次回路、元件，通过电压互感器(PT)向一次母线输出电压称为反充电，电压反充电会导致严重后果，轻则空开跳闸、二次失压，重则损坏装置、设备，甚至引发人身触电事故[1]。传统的PT二次并列装置是通过判断隔离开关、母联断路器等的位置来实现电压切换、并列[2]，不能杜绝反充电发生，回路无过流保护，仅依靠空开脱扣切断故障；无电压采集、显示功能，无故障判别功能。实际运行中存在发生反充电的可能[3]。如在PT一、二次并列运行时，PT高压保险熔断[4]、或操作不当(在一组PT电压异常时，将二次电压并列)都会引发二次反充电。近年因反充电引发的并列装置损坏、空开跳闸等故障已多次发生。

本文提出一种基于ARM的全新PT并列装置，它具有传统装置没有的防异常并列、防反充电功能[5]，并有电压、运行状态显示等多种功能。它通过计算同相电压差值作为并列、切换的必要条件；在并列电路中设计有由PPTC元件构成的过流阻断电路，瞬时隔离故障并能自动恢复；通过电压比较、判别，能自动识别高压保险熔断、二次空开跳闸、母线接地等故障；装置还具有完整的电压显示、运行状态监视功能。

1  装置总体结构

装置总体结构如图1所示，装置由电源、CPU及开入开出、AD采样、继电器控制输出、自恢复(PPTC)电路及显示(人机交互)六大部分组成。根据设计要求共组成5块板：电源及开入板、CPU板、继电器输出及AD板、显示板(人机交互)、总线板。各板通过插槽与总线板相连，可自由拔出。

图1 装置总体结构图

2  CPU及开入开出部分设计

本装置选用STM32f103vft6为核心控制器。该控制器为ARM 32位CPU，其最大工作频率为72 MHz，1.25 DMips/MHz，具有768 K~1 M闪存空间，具有96 K SRAM，其采样通道数多达16个，采样精度为12位，满足装置性能要求。装置CPU及开入开出部分如图2所示。

图2 CPU及开入开出部分原理图

本装置具备9路开入量采集功能，现场应用需采集5路开入：1PTG(PT1隔刀位置)、2PTG(PT2隔刀位置)、FD、FGK外部复归按钮、BL5(并列继电器辅助触点位置)，其中分段位置FD为分段DL，及其两侧隔刀1G、2G串联后改接到CPU模块开入。装置开出部分包括：I母电压投入(驱动1PT继电器)，II母电压投入(驱动2PT继电器)，I母电压故障(驱动1VFJ继电器)，II母电压故障(驱动2VFJ继电器)，装置告警输出(驱动GJ继电器)，装置闭锁输出(驱动BSJ继电器)以及并列输出(驱动BL继电器)。当1(2)PTG合上时，1(2)PT延时闭合，1(2)PTG断开时，1(2)PT瞬时断开。

该部分开入变位信息可在液晶面板直接显示，开出节点驱动装置面板LED显示灯，实时监控电压投入、并列状态、有无异常告警等并列运行状态。

3 模拟量采集电路设计

本装置需采集14路电压，分别为I母保护电压(A630、B630、C630)、计量电压(A630J、B630J、C630J)、零序电压(L630)，II母保护电压(A640、B640、C640)、计量电压(A640J、B640J、C640J)、零序电压(L640)。图3为计量电压A630J采样电路，其余电压采样电路与其相同。

图3 电压采集电路图

装置设计的外部电压采集范围为0~120 VAC，为便于CPU采样，需利用电压互感器把输入电压降至CPU可直接采样的范围。本装置选用微型电流型电压互感器(图中T9所示)，其额定输入电流为2 mA，额定输出电流为2 mA，最大输入电流为10 mA，相位差为，空载线性度，工作温度为-35℃~+70℃，满足设计要求，采用直接电阻采样法，可根据检测电压范围调整限流电阻R22大小，以满足采样精度要求。

4 继电器控制及自恢复电路设计

该部分包含I、II母电压切换输出、并列控制输出、自恢复电路三部分，其原理图如图4、图5所示。

图4中电压切换及并列控制电路设计参考传统PT并列装置工作原理，其输出部分只要检测到1(2)PT(为PT辅助触点)吸合则1(2)PTJ1~1(2)PT5(继电器线圈)均导通，其常开触点闭合，I(II)母电压输出；并列控制输出部分只要满足装置控制逻辑，并列继电器BL吸合，此时只要BLK并列触点闭合，则BLJ1~BLJ5(继电器线圈)均吸合，其常开触点闭合，I、II母电压并列输出。

图4电压切换、并列控制原理图

传统PT并列装置为简单继电器控制装置，无交流电压采样及开入量检测功能，而本装置为完善防反充电功能，并列控制逻辑中增加了同相电压差(通过CPU采集图5中切换后交流电压实现)模拟量判据，同时判断并列继电器BLJ5是否吸合(通过CPU检测图2中BLJ5辅助触点开入量状态实现)，当PT1、PT2中任意一组PT投入运行，且二次电压回路处于并列状态(BLJ5继电器吸合)，则装置不判同相电压差，可直接并列。

在电路板设计中注意强电、弱电、交流、数字量的分开隔离，避免干扰，且继电器板上每组继电器由多只24 V电压继电器串联，触点容量不小于5 A。

图5中电压切换、并列电路设计基于传统PT并列装置继电器控制原理，为实现防反充电功能，加入了自恢复电路，即在I、II母每相电压并列回路中增加自恢复保险(PPTC)，如图5虚线框内所示。该电路能在并列回路过流时自动阻断两组电压联系，隔离相关联的电压回路，故障消除后并列回路能自动恢复。

通常情况下，35 kV、10 kV等不同电压等级下PT并列反充电电流大小不一，因此选择合适的PPTC器件型号极为重要，可参考其动作电流、动作时间、恢复时间、负载阻抗等参数，且需根据变电站实测反充电电流大小决定。表1为该装置在110 kV汉寿变10 kV电压等级模拟运行时自恢复功能实测数据。

表1自恢复电路阻断并列回路时间

Table 1 Time of recovery circuit block parallel loop

由表1可以看出，在并列回路所加反充电电流大于20 A时，自恢复电路动作时间快于二次电压空开跳闸，从而防止因空开跳闸造成二次失压，确保了无电压异常导致保护装置异常情况发生。

5  装置控制部分软件设计

针对110 kV及以下不接地系统设计了防PT并列反充电及防异常并列控制逻辑，图6为装置控制部分软件流程图。本装置控制逻辑主要分为防反充电PT并列及故障定位判别两部分。

(1) 防反充电PT并列控制逻辑中，已限定必须一次并列完成后，且满足模拟量电压判据条件，才能进行二次并列操作。其中PT二次并列回路电压差阈值设置为15 V，是考虑到I母和II母电压相位可能存在一定偏差，不完全同相，因此正常运行时二次回路电压差不为零，对应的电压相位差约为15°，此电压差定值根据实际运行情况在液晶显示里参数设置界面中的相压差定值中设定[6]。

(2) 故障定位判别逻辑。

图6 装置控制部分软件流程图

6 装置故障定位及判别功能实现

为缩短电网检修人员故障分析查找时间，提高检修效率，根据变电站现场运行情况，设计了故障自动判别及定位控制逻辑，装置在电压异常时能自动判别故障类型，进行故障定位，其故障定位判别逻辑如图7所示。

图7故障定位判别流程图

图7中U1表示I母A、B、C三相任意一相电压幅值，U2、U3表示除U1外其余两相相电压幅值。对本装置进行故障定位与判别测试，判别前提条件：1) I母PT运行或电压并列状态；2) 1PTG合位；3) 1PTG分位且FD在合位。满足条件1、2或1、3时进行故障定位判别。

7 装置现场应用及测试结果

本装置已在110 kV汉寿变电站10 kV电压等级上试运行。装置安装完成后，进行了一系列功能测试(其中自恢复电路测试结果前文已阐述)，以下为测试结果。

(1) 交流电压数据采集测试，测试结果如表2所示。以10 kV I母、II母保护绕组同相电压差为例。

表2交流电压数据采集测试

Table 2 AC voltage data acquisition test

测试结果表明装置采样精度满足并列逻辑中模拟量判据要求。

(2) 防反充电并列控制逻辑测试，测试结果如表3所示。

表3防反充电并列控制逻辑测试

Table 3 Anti reverse charge control for parallel logic test

测试结果表明本装置具备防反充电及防异常并列功能。

(3) 故障定位判别功能测试，下面以I母PT高压保险熔断故障为例进行模拟测试，其余故障点测试与本例类似，测试结果如表4所示。

表4  I母PT高压保险熔断故障定位判别测试

测试结果说明该装置能正确对PT运行及并列过程中的故障进行自动判别与定位。当故障发生时，装置面板告警指示灯被点亮，故障信息能实时存储并显示在液晶面板上，方便调阅分析[7]。

8 结语

本文详细介绍了具备故障定位功能防反充电PT并列装置的工作原理、总体结构及软硬件设计，从改进并列原理出发，有效解决了传统PT并列装置不能防反充电，不能防止异常并列等问题，从根本上杜绝了PT并列反充电引发人身伤害、设备损坏事故[7]。且该装置故障判断定位准确，人机交互良好，不仅有助于电网检修人员提高检修效率与质量，而且大大减少了运维检修人员工作量，有效保障电网安全稳定运行。

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(编辑 魏小丽)

Development of a PT parallel device with fault location function used to prevent reverse charge

LI Peng, ZHONG Zhuhui, CHEN Li, CHEN Jian, HE Bin, WANG Lei, ZHANG Wei

(Changde Power Supply Company of Hunan Power Company, Changde 415000, China)

To prevent parallel device damage and breaker tripping fault occur caused by PT parallel reverse charge, a PT parallel device based on ARM is developed, which has fault location function and can prevent reverse charge. This paper introduces the device’s working principle and the overall structure, hardware and software design in detail. The device takes data acquisition and calculating of in-phase voltage difference as parallel necessary condition, and has the advantage of preventing abnormal parallel and reverse charging function compared to traditional PT parallel device. In parallel circuit, it designs an overcurrent blocking circuit based on new electric component PPTC, with transient fault isolation and automatic recovery function. By the voltage comparison and discrimination, it can identify the high voltage fuse breaking, breaking tripping, and bus ground fault automatically, which has the function of fault location. It also can real-time display each phase voltage and fault information, which greatly shortens the maintenance personnel troubleshooting time and enhances the safety and stability operation of the power supply.

parallel; prevent reverse charge; in-phase voltage difference; self recovery; fault location

TM774

1674-3415(2016)01-0117-05

2015-03-29；

2015-05-14

李 鹏(1987-)，男，硕士，工程师，从事继电保护研究工作；E-mail: lipengzqbx@163.com

钟著辉(1966-)，男，本科，高级技师，长期从事继电保护研究工作。E-mail: 9148579@qq.com