基于繼電保護(hù)裝置的開關(guān)電源故障與改進(jìn)研究

李建龍

（北京新雷能科技股份有限公司，北京 102200）

0 引 言

近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛，其功能也越來越多。繼電保護(hù)裝置在運(yùn)行過程中，不僅要滿足繼電保護(hù)裝置本身的工作要求，而且需要滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行的各種需求[1]。而繼電保護(hù)裝置由微機(jī)型電子式繼電保護(hù)裝置、計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備等構(gòu)成。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，繼電保護(hù)裝置可以及時動作跳閘，使故障范圍內(nèi)的設(shè)備脫離故障區(qū)域，從而保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。然而，由于電力系統(tǒng)中存在各種干擾源，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置發(fā)生誤動或拒動等情況，從而造成設(shè)備損壞或事故。因此，明確繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源故障原因，并提出針對性的解決對策，對提高繼電保護(hù)裝置穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

1 繼電保護(hù)裝備開關(guān)電源故障案例分析

1.1 開關(guān)電源的工作原理

開關(guān)電源主要由整流電路、逆變電路、濾波電路以及控制電路組成。整流電路將交流電變成直流電；逆變電路將直流電變成高頻交流電；濾波電路將高頻交流電濾掉；控制電路將高頻交流電整流成穩(wěn)定的交流電[2]。

開關(guān)電源可以根據(jù)實(shí)際需求對負(fù)載進(jìn)行供電：當(dāng)負(fù)載大于額定電流時，輸出電壓會升高；當(dāng)負(fù)載小于額定電流時，輸出電壓會降低。當(dāng)開關(guān)頻率一定時，輸入電壓和輸出電壓成正比，因此通過控制開關(guān)頻率可以得到負(fù)載需要的最大輸出電壓。

目前，在開關(guān)電源中廣泛采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）整流技術(shù)，也就是將50 Hz 的交流電壓變換成頻率為50 Hz 的直流電壓，使用PWM 整流技術(shù)可以降低輸出電壓的紋波電流，使輸出電壓更加穩(wěn)定。在直流電源中采用PWM 整流技術(shù)可以提高電源的穩(wěn)定性。通過分析，控制電路和濾波電路是開關(guān)電源最重要的組成部分，因此在研究中必須加強(qiáng)對其的重視[3]。

當(dāng)開關(guān)頻率不變時，如果輸出電壓不變，那么輸出電流和功率因數(shù)都會改變。當(dāng)開關(guān)頻率不變時，輸入電壓的大小決定了輸出電壓的大小，輸出電壓越大，輸入電壓越小。在開關(guān)電源中，通過控制電路，可以調(diào)節(jié)開關(guān)電源的輸出電壓，從而調(diào)整輸出電流和功率因數(shù)。開關(guān)電源的輸入電壓可以是直流、交流或2 者都有。

一般情況下，當(dāng)輸入電壓為交流電時，開關(guān)電源可以正常工作；當(dāng)輸入電壓為直流電時，開關(guān)電源會出現(xiàn)一種半橋變換器形式，這種變換方式轉(zhuǎn)換效率較高，并且無須變壓器和整流電路，但是功率損耗較高。而當(dāng)輸入電壓為交流電時，開關(guān)電源會出現(xiàn)全橋變換器形式，這種方式轉(zhuǎn)換效率較低、不能滿足需求。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中需要根據(jù)不同的情況來選擇不同的變換方式。

1.2 繼電保護(hù)裝置的開關(guān)電源故障描述

2020 年9 月16 日，某工程繼電保護(hù)裝置線路出口保護(hù)跳閘，強(qiáng)送不良，重合不良，造成開關(guān)電源故障的原因?yàn)殚_關(guān)電源電纜受外力作用發(fā)送損壞，導(dǎo)致AB 相發(fā)生短路故障，故障如圖1 所示。故障位置13809 為繼電保護(hù)裝置，13809 高壓柜開關(guān)處于合位，保護(hù)裝置未通電，進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)動作未執(zhí)行，造成跳閘故障。另外，13809 開關(guān)為合位狀態(tài)，導(dǎo)致跳閘故障未被隔離，造成強(qiáng)送不良和重合不良。

1.3 故障原因分析

當(dāng)沒有配電網(wǎng)的控制設(shè)備且只配備微機(jī)保護(hù)裝置時，如果下級電源電纜出現(xiàn)了永久性的故障，那么微機(jī)保護(hù)裝置和開關(guān)電源保護(hù)會在同一時間執(zhí)行保護(hù)動作。因?yàn)槲C(jī)保護(hù)裝置不具有重合閘的功能，所以可以將故障進(jìn)行隔離，然后依靠線路出口重合閘，就可以將非故障區(qū)域的供電重新恢復(fù)。如果配線是一條架空與一條電纜混雜的配線，那么可以在配線端跳閘后，根據(jù)測量系統(tǒng)對集中式的在線狀況及采集的電壓進(jìn)行檢測，從而確定配線端的故障位置[4]。

根據(jù)繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源內(nèi)部元件損壞或老化原因分析可知：在繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源工作過程中，內(nèi)部元件的損壞或老化會直接導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源無法正常工作。因此，為有效地解決繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源故障問題，要對繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源進(jìn)行維修或更換。但在對繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源進(jìn)行維修或更換時，需要對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行全面的檢測。具體檢測內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：一是，將繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源進(jìn)行通電檢查，并觀察其運(yùn)行狀態(tài)是否正常；二是，對繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源的各部分線路和元器件進(jìn)行逐一檢測，包括電壓、電流、溫度等方面；三是，對繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源中的所有元件進(jìn)行測量和檢驗(yàn)[5]。

除此之外，需要檢查繼電保護(hù)板上的指示燈是否正常運(yùn)行。在對繼電保護(hù)板進(jìn)行檢測和檢驗(yàn)時，必須確保繼電保護(hù)設(shè)備開關(guān)電源工作正常。通過以上內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)：在對繼電保護(hù)板上的指示燈進(jìn)行檢查時，必須確保指示燈能正常運(yùn)行。

2 繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源故障改進(jìn)方案

2.1 更換取電互感器

當(dāng)開關(guān)電源中的二次電壓互感器的二次繞組絕緣擊穿，或由于其他原因使互感器二次繞組出現(xiàn)故障時，會造成開關(guān)電源中的二次電壓互感器不能正常工作，從而使開關(guān)電源輸出的電壓存在較大波動，甚至無法輸出。為解決這一問題，提出了一種新型的開關(guān)電源改進(jìn)方法，即更換高精度取電互感器。

這種方法是在開關(guān)電源中加裝一組高精度取電互感器，并將其與開關(guān)電源的輸出端口并聯(lián)，當(dāng)開關(guān)電源輸出端口的電壓變化時，高精度取電互感器的輸出電壓也會隨之發(fā)生變化，從而使開關(guān)電源能夠正常工作[6]。

開關(guān)電源的輸出端通常接有繼電器、接觸器等，當(dāng)繼電器或接觸器吸合時，就會產(chǎn)生較大的電流，而繼電器或接觸器不能正常工作時，就會導(dǎo)致開關(guān)電源輸出端存在較大電流。開關(guān)電源內(nèi)部的二次電壓互感器具有很高的精度，其二次繞組的匝數(shù)和線徑可以進(jìn)行靈活調(diào)整，因此在開關(guān)電源中加裝一組高精度取電互感器可以增強(qiáng)開關(guān)電源的可靠性和穩(wěn)定性。

當(dāng)開關(guān)電源中加裝一組高精度取電互感器后，可以將開關(guān)電源輸出端的電流調(diào)整到正常值。由于二次電壓互感器的線徑較粗，其精度較高，因此二次電壓互感器可調(diào)整到較高精度。當(dāng)開關(guān)電源中加裝一組高精度取電互感器后，在開關(guān)電源輸出端電壓不變時，二次電壓互感器的線徑將會變小，從而降低開關(guān)電源輸出端電壓。當(dāng)開關(guān)電源中加裝一組高精度取電互感器后，由于二次繞組的匝數(shù)和線徑較細(xì)，二次繞組的線徑將會變小。為增強(qiáng)開關(guān)電源的可靠性和穩(wěn)定性，需要適當(dāng)?shù)亟档烷_關(guān)電源中二次繞組的線徑[7]。

2.2 配備電容分壓取電裝置

當(dāng)開關(guān)電源中的二次電壓互感器出現(xiàn)故障時，會導(dǎo)致開關(guān)電源輸出端出現(xiàn)較大的電流，而當(dāng)開關(guān)電源輸出端產(chǎn)生較大的電流時，會引起二次繞組發(fā)生故障。由于開關(guān)電源中的二次繞組含有大量的電容，當(dāng)開關(guān)電源中的二次繞組出現(xiàn)故障時，會造成開關(guān)電源輸出端存在較大電流[8]。

開關(guān)電源中加裝一組電容分壓取電裝置后，可以使開關(guān)電源輸出端產(chǎn)生的電流減小，從而使開關(guān)電源輸出端電壓降低，改善開關(guān)電源輸出端存在較大電流的問題。當(dāng)開關(guān)電源中加裝一組電容分壓取電裝置后，可以將電容進(jìn)行合理的分壓，使二次繞組產(chǎn)生的電流減小。電容分壓取電裝置具有較大的容抗和感抗，因此可以減小開關(guān)電源輸出端產(chǎn)生的電流。開關(guān)電源中的二次繞組會產(chǎn)生較大的電流，因此需要對二次繞組進(jìn)行合理分壓。當(dāng)開關(guān)電源中加裝一組電容分壓取電裝置后，開關(guān)電源輸出端產(chǎn)生的電流減小時，電容分壓取電裝置具有較大的容抗和感抗，因此可以增大電容分壓取電裝置的容抗和感抗。開關(guān)電源中加裝一組電容分壓取電裝置后，二次繞組中產(chǎn)生的電流也會隨之減小。

2.3 多電流互感器并聯(lián)取電

在開關(guān)電源中，一次側(cè)的電流可以通過二次側(cè)的電流互感器進(jìn)行測量，但是一次側(cè)的電流一般較小，當(dāng)開關(guān)電源中的一次側(cè)出現(xiàn)故障時，會造成一次側(cè)出現(xiàn)較大電流。為解決該問題，可以安裝多電流互感器（Current transformer，CT）并聯(lián)取電。開關(guān)電源中的二次電壓互感器的二次繞組有6 根線圈組成，分別與開關(guān)電源中的6 個開關(guān)模塊連接。當(dāng)開關(guān)電源中出現(xiàn)故障時，開關(guān)電源輸出端存在較大的電流，此時如果將每根線圈上的3 個開關(guān)模塊并聯(lián)連接起來，將會造成開關(guān)電源中的二次繞組中的電流減小[9]。

通過對開關(guān)電源進(jìn)行改進(jìn)后，可以使開關(guān)電源輸出端存在較小的電流。由于二次電壓互感器不能正常工作時，會造成一次側(cè)出現(xiàn)較大的電流。當(dāng)開關(guān)電源中出現(xiàn)故障時，會導(dǎo)致二次側(cè)出現(xiàn)較大的電流。當(dāng)二次側(cè)產(chǎn)生較大的電流時，會導(dǎo)致二次繞組中產(chǎn)生較大的電流。當(dāng)出現(xiàn)故障時，將每根線圈上3 個開關(guān)模塊并聯(lián)連接起來后可以減少二次繞組中產(chǎn)生的電流。

3 結(jié) 論

隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)運(yùn)行中對繼電保護(hù)裝置的要求也越來越高，在電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置作為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分，其自身的安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電力用戶的用電安全，因此對繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源故障問題進(jìn)行研究具有十分重要的意義。在分析繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源工作原理的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)開關(guān)電源存在的不足提出了一種新型的開關(guān)電源改進(jìn)方法。該改進(jìn)后的方法可以有效提高繼電保護(hù)裝置開關(guān)電源的可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾能力。