控制回路断线故障智能查找装置的研制

2018-07-24李配配岳建房王振奎

电力安全技术 2018年6期

李配配，汪洋，许明，岳建房，汪敏，王振奎

(1.国网安徽省电力公司淮南供电公司，安徽淮南 232007；2.国网江苏省电力公司常州供电公司，江苏常州 213000)

0 前言

变电站中的开关设备均通过控制回路进行分合，控制回路是否完好直接影响操作和保护命令能否被正确执行。在开关设备运行过程中，因各种原因导致的控制回路断线故障时有发生。控制回路断线后需及时查明原因，如处理不及时可能会导致瞬时性故障重合闸不成功或永久性故障开关跳不开，从而造成故障范围扩大。当前变电运维模式为：在发现控制回路断线告警信号后，由运行值班员或监控人员通知相关二次检修人员到现场处理。处理的方法是：首先检查控制电源，如电源正常再依次测量控制回路主要节点对地电压，找到电压变位点，从而确定故障范围。由于各种客观原因，这种人工处理的方法往往会使故障处理不及时，从而可能造成保护拒动甚至越级跳闸；而且对处理该类型故障的检修人员业务水平要求较高。

针对这种情况，亟需研制一种能够快速、自动查找控制回路断线故障的装置。

1 装置的实现原理

控制回路断线信号由保护装置内部的跳位监视继电器和合位监视继电器的常闭触点串联后启动，2者同时失电即报“控制回路断线”告警信号。

控制回路断线的原因主要有：

(1) 控制电源异常，控制保险熔断或控制电源空开跳开；

(2) 跳、合闸线圈损坏或烧断；

(3) 断路器位置辅助触点转换不到位；

(4) 由各种闭锁信号导致的断线，例如弹簧未储能；

(5) 开关机构控制板损坏(10 kV开关机构)；

(6) 保护装置插件或二次接线松动；

(7) 合位监视继电器HWJ、跳位监视继电器TWJ线圈断线。

图1为开关控制回路，主要包括合闸回路和分闸回路。合位监视继电器HWJ和跳位监视继电器TWJ分别串联于合闸回路与分闸回路中，负责监视开关机构合闸回路及分闸回路的完整性。跳位监视回路和合位监视回路具有相似性，其模型可等效为由电阻、线圈、继电器触点、开关位置辅助触点等元器件串联于正负电源之间的回路，如图2，3所示。其中，TWJ和HWJ为电压线圈，线圈本身电阻就较大，加上回路中串的电阻，整体阻值约40 kΩ。国内开关跳合闸线圈为电流型，其阻值较小，通常为50—200 Ω，继电器触点闭合时电阻可忽略不计。当监视回路导通时，电压大部分加在TWJ或HWJ及串联电阻上，该部分电阻很大，回路中电流很小，不足以使开关跳、合闸线圈动作。TWJ/HWJ线圈上串联电阻也是为防止TWJ/HWJ线圈击穿短路造成的开关误动。回路接通后由电阻分压原理，正常情况下位置监视继电器之后的各点电压均为负。回路中某点断开的情况下，断开点之前的电压为正、之后为负，断开点位于正负电压点之间。据此，在各元器件或触点之间的适当位置设置电压监测点，可有效监视回路情况并快速定位断线范围。

图1 控制回路

2 装置系统结构设计

开关控制回路分为2部分，分别为保护部分的二次回路及开关机构的二次回路，实际运维中一般以开关机构端子排为分界点。对于控制回路断线故障，智能查找装置从运行维护的角度，在保证安全的前提下进行设计，主要包括4个模块，分别为：程序启动模块，装置采样模块，逻辑判断模块和输入、输出模块，其中装置采样模块中的轮采技术是装置实用化的关键技术。

2.1 程序启动模块

启动模块设计为2种：自动启动和手动启动。

(1) 自动启动由控制回路断线告警信号启动，符合变电站设备智能化的要求。自动启动时，为防止手车开关在试验位置和工作位置切换过程中控制回路断线装置误启动，采取收到告警信号后延时60 s启动。60 s后，若断线消失，程序自动返回。

(2) 手动启动是一种更为可靠的方式，运维人员确定控制回路断线后，直接按手动触发按钮，即可显示出断线位置或范围，可避免由于开关位置以及弹簧未储能等原因造成的误启动。

2.2 采样模块

装置采样类型分为直流电压量和开关量，如图4所示，10路直流电压采集通道负责采集控制回路各个监测点直流电压(有的电压监测点需要专门引出)，4路开关量采集通道负责采集开关位置、装置启动量、装置闭锁等开关量。

采用轮采的方式完成对直流电压量的采集，即装置启动后通过程序控制依次接通和断开各路电压采集通道，保证每次只有1路电压通道导通。其中第1，2路通道默认为控制电源正和控制电源负电压采集通道，具有最高采集优先级。采集开关位置的作用是当开关分位时只查找合闸回路，当开关合位时只查找分闸回路。装置启动量可选择接入控制回路断线信号启动程序，装置闭锁量可接电压异常告警闭锁程序。

2.3 逻辑判断模块

查找控制回路断线故障位置的流程如下。

(1) 若装置采用自动启动模式，60 s后断线信号未消失，启动故障查找程序。若采用手动启动模式，按下手动触发按钮后即可启动故障查找程序。

(2) 程序启动后，根据开关位置判断是合闸回路故障还是分闸回路故障。开关合位时判定为分闸回路故障，开关分位时判定为合闸回路故障。

图2 等效跳闸监视回路

图3 等效合闸监视回路

图4 装置采样示意

(3) 判断故障所在回路后，首先采集控制电源电压，若U+=0，U-=0，报“控制电源失电！”信号，程序终止；若U+！=0，U-=0或U+=0，U-！=0，报“直流电源接地！”信号，程序终止。

（4）若U+！=0，U-！=0，则由U+向U-依次采集各个电压监测点电压，直至出现相邻的2个监测点电压Un，Un+1满足Un＞0，Un+1＜0，即可判定故障点在Un和Un+1之间，再通过元件自动匹配确定具体断线位置。程序终止或电压采集1遍后，采样通道切换继电器自动掉电，断开与控制回路的联系，保证了控制回路安全。该方法对于一点断线能判定出断线位置，对发生概率极小的2点及多点断线也能判定出断线点的范围。具体流程如图5所示。

2.4 装置输入、输出模块

输入接口采用USB自动读入方式，输出采用液晶显示屏及面板指示灯。USB自动读入用来对回路节点名称自定义，使装置适用于不同型号的开关机构；液晶显示输出直接给出装置判定结果，面板指示灯给出指示各节点电压情况。

3 关键技术及安全措施

3.1 测点电压轮流采集技术

规程规定，“对直流系统绝缘检测装置用直流表计内阻的要求是：用于测量220 V回路的电压表，其内阻不得低于20 kΩ，而测量110 V回路的电压表，其内阻不低于10 kΩ。”如果是2路电压测点同时测量，相当于将2个电压表内阻并联，回路对地电阻降为原来的二分之一；同理若多个测点同时测量，回路对地电阻将会极大降低，严重时甚至可能会造成直流接地故障。为此，装置对测点电压采取轮流采集的方式，为保证每次只采集1路电压，采样回路采取如图6所示的设计。

图5 程序流程

图6 采样回路硬件设计

电压采样回路中串联双刀双掷继电器，一路用来切换不同电压输入，经分压电阻送入ADC采集测量，另一路用来监测继电器的状态位U_ON，接入电压时为高电平，逻辑1，否则为低电平，逻辑0。将所有监测信号通过1个或门产生统一信号RelayOn，只要有1个继电器有电压接入，则RelayOn为高电平，逻辑1。将U_ON与RelayOn通过1个同或门产生1个逻辑信号CanbeSet，只有U_ON与RelayOn同时为高或同时为低时，CanbeSet才可以为高。将CanbeSet与控制的信号线GPIO通过与门产生ResultTTL去控制继电器。也就是意味着无论CanbeSet是否为高，ResultTTL都可以被置0；而只有CanbeSet为高时Result TTL才可以置1。每次测量时，先将所有通道GPIO置0，此时U_ON=0，RelayOn=0，CanbeSet=1。然后将需要置1的通道GPIO置1，ResultTTL=1，继电器吸合，U_ON=1，RelayOn=1，CanbeSet=1。如果未将GPIO置0，有通道为1，则RelayOn=1，未被置1的通道U_ON=0，CanbeSet=0，ResultTTL不可能被置1。这就保证了不可能同时有2个通道被置1，也即不可能有2个电压同时接入测量。

3.2 异常状态闭锁措施

控制电源异常主要包括控制电源消失和控制电源接地。控制电源消失时，跳位继电器和合位继电器同时失电，报“控制回路断线”告警。此时，无法通过测电压查找断线点，程序自动终止并报“控制电源失电”告警信号。电源一极接地时，由于直流系统是绝缘系统，一般不会构成短路。但是如再有一点接地可能会导致开关误动或拒动，此时应首先排除电源接地故障，再查断线位置。一旦测得控制电源电源接地，程序立即自动终止并报“直流电源接地”告警信号。