繼電保護裝置跳閘出口校驗新方法研究

習思敏，劉順強，朱德強

（廣東電網(wǎng)有限責任公司清遠供電局，廣東清遠 511515）

1 研究背景

電力系統(tǒng)中繼電保護種類繁多，邏輯復雜，不同元件的保護原理其保護范圍又有交叉重復的情況，例如母差保護保護范圍包括連接于母線上的所有設備如線路、主變等。在新設備驗收投運、舊設備年度定檢工作時，如何校驗各個保護邏輯的正確性是繼電保護二次專業(yè)工作的重要部分。以220 kV變電站主變壓器保護裝置為例，其保護分高壓側、中壓側、低壓側三部分，除了主保護差動保護外，每側的保護邏輯又包括接地距離、零序方向、相間阻抗、零序過流等多種類型的后備保護，其中每個保護邏輯可分為I、II、III共3段，每段又可分為3個時限。針對每個保護邏輯動作跳的開關不同，如果將各種保護一列作為縱坐標，出口繼電器一列作為橫坐標，每種保護與各出口繼電器相交的那個點置“1”，說明此種保護邏輯動作后啟動該出口，這樣就形成了跳閘矩陣，如圖1所示。

圖1 主變保護裝置跳閘矩陣示意圖

圖2 220 kV堤岸變電站主變壓器保護壓板

圖2 為清遠地區(qū)220 kV堤岸變電站主變壓器保護壓板概況，圖中深色壓板都是跳閘出口壓板，共有15個。為驗證保護裝置保護動作的正確性，模擬故障時保護裝置的跳閘出口邏輯須與保護定值中的跳閘矩陣一致。傳統(tǒng)的保護邏輯出口壓板的校驗方法有兩種。一是采用萬用表DC檔逐一測量跳閘出口壓板的電位。由于保護裝置跳閘脈沖是毫秒（ms）級的瞬時電壓脈沖，為100 ms左右，而萬用表表計的靈敏度達不到這么高要求，實際測量時顯示結果不直觀，特別是當繼保人員覺得顯示結果不明確的時候還需要重復做試驗以確保保護動作正確。另外一個方法就是采用目前常用的繼保試驗儀，將保護裝置的開出節(jié)點接入到試驗儀的開入節(jié)點。由于繼保試驗儀的開入只有4對輸入端口，而且只能接入無源節(jié)點，這涉及到保護屏端子排的拆接線，存在誤跳運行設備的風險，因此此種方法較少采用。目前的實際工作中一般采用用萬用表測量的方法，對于兩套主變保護裝置，其跳閘邏輯將超過數(shù)十種，以每種保護邏輯平均關聯(lián)8個壓板計算，完整檢驗完保護跳閘矩陣將需要不少的時間，考慮到主變壓器的定檢一般安排4～5人，僅校驗保護裝置的跳閘矩陣就需要至少2人配合試驗，勢必占用較大人力物力，本文提出一種專用的保護裝置跳閘出口測試儀，以對上述工作進行改進。

2 測試儀的設計原理

為了使測試儀更具有通用性，能適用于不同變電站內(nèi)直流控制電源的要求，同時提高試驗效率，做到模擬一次故障就校驗一個保護邏輯的多個壓板，提出以下幾點設計要求：（1）脈沖電壓檢測能力達毫秒級，檢測范圍50～120V；（2）檢測輸入端口8個以上，以滿足校驗多個壓板的要求；（3）能對保護裝置的動作出口時間進行計時；（4）測試儀接入保護裝置的控制電源時不能導致站內(nèi)直流電源系統(tǒng)接地。為達到以上要求，采用了以下設計方法[1-2]：（1）測試儀核心為STC12C5616AD單片機，其速度是普通的51單片機的12倍，使用24MHz的晶振時，掃描周期為100微秒，滿足脈沖電壓檢測精度要求；（2）考慮到多數(shù)變電站內(nèi)保護裝置的跳閘出口壓板數(shù)一般不超過8個，本文設計了8通道輸入檢測端口，可以滿足絕大多數(shù)保護裝置的檢驗要求；（3）設計了脈沖計時電路，采用12864液晶板顯示時間，可以較為清晰的顯示8個通道的計時時間；（4）提高輸入有效電壓，設置一個20 V的門檻電壓，從硬件上濾除干擾電壓的影響，并保證電路最小輸入電阻大于500千歐，保證極端條件下不會造成變電站內(nèi)直流電源系統(tǒng)接地?？傮w設計模型如圖3所示，其工作原理為：計時啟動輸入端接入ONLLY繼保試驗儀的開出端[3]，當ONLLY試驗儀開始故障模擬時，其輸出的一對開出接點啟動測試儀，當某一跳閘脈沖輸入端檢測到跳閘出口壓板有正電壓脈沖到來時，計時程序記錄下該輸入端的脈沖到來時間并在液晶屏上顯示；若10 s內(nèi)無脈沖電壓輸入，則程序停止，按下復歸按鍵后進入下次檢測等待。另外，計時啟動回路也可由外部短接線啟動，方便進行一些故障的手動控制模擬。

圖3 設計模型圖

2.1 硬件電路設計

圖4 脈沖檢測電路

圖5 脈沖計時電路

圖6 程序設計流程圖

本文所提出的硬件電路包含兩個主要模塊：脈沖檢測電路和計時電路。脈沖檢測電路如圖4所示，包括檢測通道電路和指示通道電路。計時電路如圖5所示，包括啟動電路和指示電路。

其他電路還包括電源供電電路、清零復歸電路和反接保護電路等。其中電源供電電路采用5 V低壓直流電源供電，保證了用電安全；清零復歸電路功能方便測試儀多次檢驗；反接保護電路采用了FR107二極管，反向擊穿電壓是1 000 V，考慮到跳閘脈沖最大輸入電壓不超過120 V，保證了脈沖反向輸入情況下測試儀和人員的安全。本文中的檢測電路采用了抗干擾設計，檢測電壓門檻值為50 V，電壓低于50 V時電路三極管不會導通，因此可以濾除50 V以下的干擾電壓。

2.2 軟件程序設計

程序采用C語言編程，同時為濾除干擾電壓，要求脈沖電壓有效時間必須大于10 ms，否則視為干擾電壓不予顯示。程序流程如圖6所示。

本文從硬件和軟件兩方面采用了抗干擾設計，保證了檢驗結果的準確性。

3 測試儀的應用效果

表1為對2013-2014年度清遠供電局繼保班所管轄部分變電站的主變進行驗收和定檢時主變跳閘矩陣的校驗時間統(tǒng)計，其檢驗方法為采用萬用表測量的方法。

為便于統(tǒng)計，規(guī)定主變?nèi)齻然騼蓚鹊奶l邏輯種類數(shù)相等，實際出口壓板數(shù)則電壓等級高的取大值，電壓等級低的取小值，中壓側取平均值。根據(jù)實際工作經(jīng)驗用萬用表測量壓板5個以上則有一個測量不準確，8個以上有兩個。并且定義以下兩個計算模型：

（1）跳閘矩陣的校驗時間=保護邏輯種類數(shù)*單個邏輯平均校驗時間；

（2）校驗準確率=保護邏輯出口壓板總數(shù)/實際校驗出口壓板總數(shù)。

部分變電站主變保護裝置采用跳閘出口測試儀檢驗后，其統(tǒng)計結果如表2所示：

表1 萬用表檢驗結果統(tǒng)計

表2 矩陣測試儀檢驗結果統(tǒng)計

將兩種方法應用到變電站的檢驗結果進行對比，如圖7所示。

圖7 檢驗方法結果對比圖

從上述圖表中可以看出：采用測試儀對主變保護裝置的跳閘矩陣進行校驗后，校驗準確率提高到100%，校驗時間最低減少了73.9%，最高減少了91.9%，說明對于電壓等級愈高的主變保護裝置，或者保護邏輯愈多的保護裝置，采用本文提出的測試儀方案校驗跳閘邏輯出口，可以極大地提高工作效率，節(jié)省檢驗時間。

4 總結

本測試儀的創(chuàng)新在于功能可靠、設計簡單、使用方便。采用單片機編程技術使跳閘出口壓板的檢驗準確率大幅提升，電路設計采用了強弱電隔離的抗干擾設計，設計了8個壓板接入通道，原來需2個人配合的試驗工作現(xiàn)在一個人就可以完成，提高了工作效率，同時測試儀具有液晶顯示功能，可以直觀地顯示檢驗結果并給出保護動作時間，是對保護裝置動作時間的一個補充檢驗。除了主變保護裝置的跳閘出口矩陣檢驗外，對于關聯(lián)多個出口壓板的保護邏輯校驗，如母差保護、線路保護啟動失靈等，本測試儀具有非常明顯的實際使用效果。

［1］胡漢才.單片機原理及其接口技術［M］.北京：清華大學出版社，1996.

［2］華成英.模擬電子技術基礎：第四版［M］.北京：高等教育出版社，2014.

［3］ONLLY-A系列用戶手冊［Z］.廣州：廣東昂立電氣自動化有限公司，2011.