繼電保護回路極性校驗儀的開發應用

盧興麗， 李彥吉， 姜　越

(北京鐵路局　石家莊供電段, 河北石家莊 050000)

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鐵路供電技術

繼電保護回路極性校驗儀的開發應用

盧興麗， 李彥吉， 姜越

(北京鐵路局石家莊供電段, 河北石家莊 050000)

供電系統的繼電保護和綜合自動化裝置對互感器的極性有不同的配置要求，在保護裝置新安裝或大修更換了互感器等后都要進行互感器及其回路的極性校驗、判斷極性的配置是否正確。針對現有測試中存在的諸多弊端和問題，提出了可以剔除和解決這些問題的多路模擬量回路極性校驗儀項目，簡述了其使用效果。

PT； CT； 多回路； 極性； 無線

電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)是電力系統重要的電氣設備,其本體與二次布線極性的正確與否,對系統的保護、測量、監察等設備的正常工作有極其重要的意義。在新安裝、大修PT、CT或更換PT、CT二次電纜及測控裝置后，利用極性試驗法檢驗PT、CT接線的正確性，是繼電保護工作人員必不可少的工作程序。

1　現狀調查

現場大多使用互感器校驗儀完成伏安特性、極性的測試，但這種測試的目的是確認互感器本體極性的正確性，對于二次連接線極性正確性檢查無能為力。現階段對于從互感器的一次側到測控裝置入口處整個模擬量回路的正確性檢查手段只有1個，就是直流法的點極性方案。

1.1點極性[1]

將指針式萬用表接在互感器二次輸出繞組引至繼電保護安裝處，用萬用表直流電壓或電流最小量程檔；將1～6節干電池的負極固定在電流互感器的一次輸出導線上；再用干電池的正極去點電流互感器的一次輸入導線，這樣在互感器一次回路就會產生一個正脈沖電流；同時觀察二次回路指針萬用表的表針向哪個方向偏移，若萬用表的表針從0由左向右偏移，說明干電池正極所接電流互感器一次端子與指針式萬用表正接線柱連接的電流互感器二次電纜引入測控裝置的某端是同名端，這種接線就稱為反極性或減極性；反之稱為正極性或加極性。

1.2存在的問題

從上述過程來看，點極性這一過程摻雜著太多的人為因素，費時費力、易出錯。并且對極性校驗的錯誤結果不能通過設備傳動及試運行來發現和消除。

鐵路牽引供電普遍存在的牽引回流也往往對極性校驗產生不利影響。在電壓互感器測試時，需對線圈先期充電，存在對操作人員電擊的危險，可能由此引起其他意外。

2　極性錯誤引起的典型事故

近幾年設備運行中，因繼電保護回路極性錯誤，先后多次、多地發生了非正常跳閘、計量不準等問題。

2.1差動保護誤動

2012年8月7～8日京廣高速鐵路沖擊送電時，因為主變壓器低壓側CT極性接反造成高邑西、邯鄲東變電所先后8次出現比率差動保護誤動跳閘問題。

2.2阻抗保護拒動

2013年8月7日京廣高速鐵路姚莊變電所全并聯供電時，213阻抗I段保護動作跳閘、但214阻抗保護沒有動作出口，檢查發現214保護測量到的負荷阻抗角為174°左右、進一步檢查發現電壓互感器極性接反，將YHT與YHF對調后顯示正常、保護動作正常。

2.3計量錯誤

從2008年10月份開始，京廣線黃粱夢變電所的損失率呈逐月增加的趨勢，最大達到15%。通過檢查發現4#饋線計量電度較同樣運營條件的其他供電臂月電度差達到1萬kWh，最終發現214計量回路錯誤地接入了對應電壓[2]。

3　解決方案

點極性的方案是現場檢查極性最為簡便易行的測試方法，繼電保護回路極性校驗儀仍舊采用此原理。由于從互感器本體到測控裝置保護回路普遍都有70 m左右的距離，所以選用了主機加無線分機的設計方案。主機在互感器一次側注入電流，分機在互感器二次回路末端進行采樣分析，確定其輸出極性，并能通過無線傳輸的方式將測試結果傳送給主機，使用原理框圖如圖1。

3.1CT測試實現

由于電流互感器一次線圈匝數很少，其阻抗值接近于零，所以采用在其一次側瞬間正向放電，使在其二次側感應出電流的方式。在互感器側，主機先對大容量電容器充電，然后控制其對電流互感器一次線圈放電。分機在保護回路末端采集電流信號，收到主機通知后將采集到的數據信息以無線的方式傳回主機。主機根據接收到的信息進行計算解碼，在液晶屏上顯示出測試結果。

3.2PT測試實現

與電流互感器相反，電壓互感器一次線圈匝數較多，其電流不能突變。在互感器側，主機先控制電池對一次線圈進行充電，在電流達到一定值時，瞬間斷開充電回路，使互感器二次側產生一個峰值脈沖。分機通過對脈沖正向或反向的判斷，確定互感器的極性，并通過無線信號將測試結果傳回到主機。

圖1　裝置使用示意圖

3.3極性判斷

對于電流互感器，在其一次側正向瞬間放電時，會在其二次側產生正負兩個脈沖，對于第一個脈沖的正負的判斷是確定互感器極性的關鍵。

為防止牽引供電系統的外界干擾和回流造成測試裝置內部元器件的燒損問題，在模擬信號進入主機前、增加了1∶1的隔離變壓器。這樣在進行電壓互感器試驗時，因為線圈充電需要一個過程、此時在隔離變壓器的二次側檢測不到此微弱的脈沖，但在斷開充電回路的過程中會有一個較大的反向脈沖，因此對于電壓互感器采用了反向檢測的方案。

由于分機接收到的脈沖寬度較窄，特別對于互感器有多個二次線圈時，瞬間同時捕捉幾個脈沖信號將會變得比較困難。為了實現對脈沖的準確捕捉，采用了特別設計的脈沖捕捉保持電路。在每一個二次回路的末端，都有正負兩個脈沖捕捉電路，且正負兩個電路之間互為閉鎖。任一脈沖捕捉電路捕捉到相應的脈沖后，將閉鎖另外一支脈沖捕捉電路，使其失去捕捉功能。其原理接線如圖2所示，當任一可控硅Q2或者Q3導通后，將斷開另一回路的電源，使其不能夠再導通，以保證一次測試只返回一個脈沖信號。

圖2　脈沖采集保持電路原理圖

3.4無線傳輸

無線傳輸采用單片射頻發射器芯片nRF24L01+，實現主機與分機之間的通訊。它是一款工作在2.4～2.5 GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：頻率發生器、增強型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器調制器、解調器。輸出功率頻道選擇和協議可以通過SPI接口進行設置。該芯片有極低的電流消耗，在發射模式下發射功率為0dBm時、電流消耗為11.3 mA，接收模式時為13.5 mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。

4　裝置結構

4.1主機裝置結構(見圖3)

主機主要由MCU、電源、電流互感器放電回路、電壓互感器放電回路、無線傳輸單元、顯示輸出單元6個部分組成。

(1)MCU

以MICROCHIP公司的PIC16F877A單片機做為核心，實現CT、PT的測試控制，并對分機發送過來的數據進行分析計算，確定互感器的正負極性，對錯誤信息進行排除等。

(2)電源

采用12 V鋰電做為主電源，經過DC-DC變換，產生3.3 V和5 V兩路電源。分別供給MCU、無線芯片和液晶屏。

(3)電流互感器放電回路

為防止鋰電池因為瞬間放電而損壞，采用電池先給電容充電，然后由電容對電流互感器一次線圈放電的方式。由4接點繼電器與大容量放電電容組成。繼電器的兩對常閉接點對電容進行充電，兩對常開接點實現對電流互感器一次線圈進行放電。這樣做的目的是實現主機與互感器之間的電氣隔離，防止放電回路斷開瞬間產生的高壓引入到主機內部電路。

(4)電壓互感器放電回路

MCU系統控制繼電器利用鋰電池對一次線圈充電、當電流達到一定數量級時、自動斷開充電回路。

(5)無線傳輸單元

實現主機與分機之間的無線通訊。

(6)顯示輸出單元

采用128×64液晶屏，顯示測量、幫助信息及測量結果。

圖3　主機原理框圖

4.2分機裝置結構(見圖4)

分機主要由MCU系統、電源、采樣保持電路、極性顯示電路、無線傳輸單元5個部分組成。

(1)MCU系統

分機同樣采用MICROCHIP公司的PIC16F877A單片機做為核心，主要控制無線芯片的收發，采集采樣電路的動作信號，形成數據發送給主機。

(2)電源

與主機一樣，采用12 V鋰電池做為主電源，經過DC-DC變換后產生3.3 V電源分別供給繼電器、MCU、無線芯片等。

(3)采樣保持電路

采集互感器二次回路產生的脈沖信號并保持，以供MCU采集數據。

(4)極性顯示

為防止保護回路較長，無線通訊無法聯絡時、主機無法收到分機信號做出判斷，在分機上采用了LED發光二極管來指示所測回路的加、減極性。同時，作為輔助顯示與主機比較，以確保測試結果的準確性。

(5)無線傳輸部分

實現分機與主機間的無線通訊。

圖4　無線分機原理框圖

4.3功能設置

主機采用獨立的電流互感器與電壓互感器測試輸出端子，并配以測試選擇鍵、實現回路極性的測試功能；為減輕測試儀質量，面板上裝配充電口，充電采用外接充電器的方式。

分機設有4路8只采集端子，能同時采集4個回路的脈沖信號，實現互感器若干次邊輸出的同時測試；并配以LED發光管顯示。同樣，分機充電也采用外接充電器的方式。

5　結束語

2014年8～11月在北京鐵路局石家莊供電段邯長線牽引變電所驗收試驗中，推廣使用了該裝置(見圖5)，先后發現了饋線阻抗保護、差動保護極性錯誤等問題。

繼電保護回路極性校驗儀在牽引供電系統高次諧波、過電壓、較大回流等外界干擾下，工作均正常、運行穩定。裝置集成度高，質量不足1 kg、現場攜帶使用方便，測試時僅需單人操作、省時省力，一次可完成多個線圈回路的校驗，避免了不同人員接線、聯系傳遞方面帶來的誤差。最大傳輸距離達到1 000 m，可以滿足電氣化鐵路牽引變電所任何位置的互感器回路測試的需求。裝置的應用，極大地方便了現場、減輕了檢修試驗人員的勞動強度，并確保了互感器一次至二次回路連接的牢固性、準確性和正確性。

圖5　繼電保護回路極性校驗儀

[1]李建明,朱康.高壓電氣設備試驗方法[M].第2版.北京:中國電力出版社,2003.

[2]李彥吉，羅長久，王凡. 一起牽引變電所損失率超標原因分析及處理[J].鐵道機車車輛，2010，30(3)：98-100.

Development and Application of Polarity Calibrator for Relay Protection

LUXingli,LIYanji,JIANGYue

(Shijiazhuang Power Supply Section, Beijing Railway Bureau, Shijiazhuang 050000 Hebei, China)

The power supply system’s relay protection and integrated automation device require different configuration for mutual inductors’ polarity. The polarity of mutual inductors are needed to test when the relay protection is a new installation or the mutual inductor is replaced and so on. Aiming at the disadvantages and problems existing in the test, this paper introduces the project of multi-channel analog polarity calibrator which can eliminate and solve these problems, and describes the application effect.

PT; CT; multiple circuit; polarity; wireless

1008-7842 (2016) 02-0053-03

??)女，工程師(

2015-09-30)

U224.4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.12