操作回路接觸電阻在線監(jiān)測與實(shí)現(xiàn)

南京國電南自自動(dòng)化有限公司 馮曉華 阮青亮 吳 凱 王閏羿

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的容量和規(guī)模也在日益擴(kuò)大，近年來電力系統(tǒng)各種故障引起的連鎖事故時(shí)有發(fā)生，其主要原因是繼電保護(hù)二次設(shè)備的設(shè)計(jì)存在隱性的不夠完善的地方[1-2]。在電力系統(tǒng)中斷路器是連接電網(wǎng)設(shè)備和保護(hù)線路的重要環(huán)節(jié)，直流操作回路作為繼電保護(hù)裝置與斷路器重要的接口，其設(shè)計(jì)不夠完善導(dǎo)致的保護(hù)裝置不正確動(dòng)作占比較高，因此設(shè)計(jì)合理的直流操作回路能最大程度地保證斷路器動(dòng)作的可靠性，從而有效減少因斷路器故障導(dǎo)致的電力系統(tǒng)事故[3]。

為使繼電保護(hù)裝置更加緊湊以便于生產(chǎn)調(diào)試和工程維護(hù)，國內(nèi)大多數(shù)電力設(shè)備二次廠家都將斷路器的直流操作回路設(shè)計(jì)成單插件形式，作為保護(hù)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(jiān)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(dǎo)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(zhǔn)監(jiān)測可以有效排查和預(yù)警其功能異常而導(dǎo)致的跳合閘故障[4-5]。

1 接觸電阻檢測原理

實(shí)際跳合閘時(shí)間很短且動(dòng)作過程中整個(gè)回路中有繼電器線圈的存在，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)回路中電流變化很大難以實(shí)現(xiàn)回路電阻的準(zhǔn)確測量，另外由于各設(shè)備廠家的插件一般都采用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，直流操作插件上繼電器和功率電阻均較多，一般不會(huì)存在模擬量采集設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(lián)一個(gè)檢測電阻和檢測開關(guān)，并在直流操作回路中增加一個(gè)電流檢測點(diǎn)，通過檢測點(diǎn)電流的變化來判斷回路中接觸電阻是否異常，進(jìn)而判斷直流操作回路是否會(huì)導(dǎo)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(shí)間繼電器，HJ為合閘回路時(shí)間繼電器。

圖1 檢測回路原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)方案及硬件電路設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)將電流檢測回路設(shè)計(jì)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(jìn)行檢測，即流經(jīng)TBJ或HBJ回路的電流，為節(jié)省硬件資源在實(shí)際應(yīng)用中跳閘回路與合閘回路只有一路可導(dǎo)通，裝置根據(jù)TWJ及HWJ的位置判別對哪一個(gè)回路進(jìn)行檢測，由CPU驅(qū)動(dòng)對應(yīng)回路的檢測開關(guān)使檢測開關(guān)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(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過隔離運(yùn)放電路后通過母板進(jìn)入CPU板的ADC通道進(jìn)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(hù)裝置精確測量后參與回路電流的計(jì)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(jì)算一年約2000次，松下2a型繼電器的動(dòng)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(guān)完全滿足要求。電流測量回路檢測的電流范圍設(shè)為100mA以下，回路中電流的測量最終是要到保護(hù)裝置的CPU模件上的ADC進(jìn)行測量參與運(yùn)算，因此電氣隔離就是必須考慮的一個(gè)重要參數(shù)。

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(fù)250mV，滿足設(shè)計(jì)要求，電流檢測回路中串入采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入隔離運(yùn)放，隔離運(yùn)放的前端有RC組成的濾波電路，RC參數(shù)根據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，后端有運(yùn)放實(shí)現(xiàn)差分轉(zhuǎn)單端輸出和RC濾波電路，輸出的模擬量可以直接進(jìn)ADC進(jìn)行模擬采樣，經(jīng)ADC采樣的信號進(jìn)入CPU參與回路接觸電阻的計(jì)算，回路電流檢測原理如圖3。

圖3 回路電流檢測原理

3 結(jié)語

直流操作回路的可靠性是保證斷路器正確動(dòng)作的重要一環(huán)，而直流操作回路最常見的接觸電阻異常是導(dǎo)致跳合閘失敗最常見的一種故障形態(tài)，因此對直流操作回路的接觸電阻在線監(jiān)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(xì)介紹了接觸電阻的檢測方案和硬件檢測電路的設(shè)計(jì)，該方法通過在線監(jiān)測操作回路的電流來對直流操作回路工作狀況進(jìn)行監(jiān)測，在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下保證直流操作回路安全可靠地運(yùn)行。