變電站繼電保護設備隱蔽隱患的防控技術

楊龍濤，唐晨凱，方 鳴，劉 璨，孫 靜，張 蓓，張 露

(國網上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201499)

繼電保護二次回路是電力系統重要組成部分之一，當電力系統出現問題時，繼電保護二次回路可對整個電力系統進行保護，當電力系統發生故障時，其可及時發現故障并作出警報，方便維修人員處理故障，保證電力系統的安全穩定運行。變電站二次設備的運行可靠性不言而喻，然而由于二次設備種類多樣、結構復雜、回路密集，因二次設備異常導致的開關誤跳、保護誤出口、自動化系統誤遙控、五防連鎖失靈等事故此起彼伏[1-3]。由于二次設備異常引發的事故具有隱蔽性強、原因復雜等特點，因此通過常規的預防性試驗及時發現難度較大，一般也僅有繼電保護設備采用定期校驗的手段驗證其可靠性，對于很多輔助的交直流二次回路、戶外信號回路、電源回路、電源模塊、連鎖回路等都很難定期對其進行性能驗證。大量事實表明，很多二次設備導致的事故中，由繼電保護設備故障引起的只是很小一部分，很多都是因二次回路接觸不良、電源不穩定、二次回路接地、單一繼電器損壞等引起。然而直到目前，針對二次回路與重要輔助設備的檢驗手段還是空白，這是因為二次回路遍及全站，很難在變電站運行時對某一個回路進行直接檢測，很多輔助設備則因缺乏標準，很難對其健康水平進行評估[4-7]。因此，針對變電站二次系統重要的高發隱患與缺陷，研究具有可操作性和針對性的防控與檢測技術，意義重大。

1 繼電保護設備常見隱蔽隱患

1.1 電源模塊/插件老化

很多變電站控制保護系統的缺陷或事故，均來自于內部電源的供電問題，直流電源板卡異常導致直流閉鎖的事故已屢次發生，直流電源板卡將110～220 V公用直流電源變為3.3～24 V的低壓直流，供裝置內部板卡各組件使用。目前幾乎所用的直流電源板卡均采用高頻開關電源技術，開關電源模塊與傳統線性穩壓電源相比較，具有體積小、效率高、成本低、自動化程度高等優點，因此在工業控制領域大量采用。同時開關電源具有明顯的缺點，就是老化速度快，可能給供電的設備帶來隱患。

開關電源輸出端的濾波電容必須采用電解電容，電解電容高頻損耗很大，在高頻電流作用下會發熱以致老化干枯，然而電解電容又不是突然損壞的，而是逐步老化，這就導致了電源模塊的濾波效果會逐年降低，輸出的紋波則會逐年增大。控制保護板卡對電源的要求很高，稍有波動就會導致程序出錯跑飛，當電源模塊的紋波增大到一定幅度時，必然會對板卡的運行產生明顯影響，伴隨輸出電壓的失穩、紋波、內阻、交流成分的增加，很容易導致相關板卡的突發故障或死機，甚至誤發跳閘閉鎖指令[8-10]。然而現有技術無論是離線還是在線，都沒有對電源模塊輸出紋波進行檢測的技術，使開關電源老化導致的隱患始終懸而未決。

1.2 直流系統交流入侵

遭受交流入侵后，變電站直流系統的穩定運行將受到極大的沖擊。交流侵入后，易引發直流系統故障接地，這將嚴重影響整個直流系統甚至是變電站的安全運行。交流侵入導致的接地故障會導致保護設備拒動或誤動，從而導致更大的風險。除此之外，交流入侵還會一定程度地影響蓄電池的使用壽命和檢測裝置的精確性。

110 V直流系統交流入侵造成的開關跳閘、換流站直流閉鎖、發電廠機組跳閘事故近年來接連發生，造成多起嚴重事故。國網總部運檢部已著手要求變電站、換流站直流系統強制性加裝交流入侵檢測裝置，并納入精益化生產考核要求，然而現有技術的交流入侵檢測裝置，僅僅能檢測直流母線對地電壓是否含有交流成分，不具備穩定直流母線對地電壓的保護功能。大量案例表明，交流入侵導致的事故往往瞬時發生，此時即使給出報警也為時已晚，可見現有技術的交流入侵檢測裝置效果極其有限，不能從根本上解決交流入侵導致事故的問題，必須研制能夠立即切除入侵交流電源的技術方案。

1.3 弱電系統絕緣異常

二次回路涉及眾多設備, 線路設計復雜, 經過一些錯誤接線等人為因素和不可避免的環境因素影響, 二次回路的絕緣問題往往很容易出現，所以二次回路的絕緣測試尤為重要。二次回路新裝時必須通過搖表檢測絕緣，然而對于大量微機保護與自動化系統的弱電接口，如網口、232、RS-485接口、內部5～24 V直流電源等，很多也存在板卡內部絕緣不良引發的隱患，然而現有搖表的高電壓無法測試這些精密弱電設備的絕緣，這就使得一些設備內部接地、戶外設備進水、電纜受潮等隱患很難定位。

1.4 互感器二次回路零相開路或接地異常

電壓或電流互感器零相回路正常電流電壓很低，很多數字萬用表檢測不準，也不能檢測多點接地問題，一旦零相連線開路或多點接地，發生事故后將直接引起繼電保護誤動或拒動，后果極其嚴重，然而現有手段對此無能為力，繼電保護面板上的采樣也不能很準確地反映零相情況。

1.5 二次設備內部發熱

隨著電力行業的快速發展，電氣設備的熱缺陷問題也日漸棘手，由之引發的事故增多,不僅造成了巨大的經濟損失，也帶來了人身安全的問題。如何更加精確地對電氣設備進行溫度測量和控制就顯得尤其重要。繼電保護板卡局部發熱，引發設備損壞事故也偶爾發生，然而對于種類繁多的二次設備，要進行紅外測溫極其困難，如果有一種類似內窺鏡的技術，通過對裝置散熱孔等部位進行窺探，發現內部熱點，將能極大地提高二次設備運行的可靠性。

1.6 測量回路信號干擾

由于繼電保護系統自身的抗干擾性能較弱，給其準備的抗干擾措施不夠充足，一些外部的干擾經常會影響設備的正常運行，導致其誤動作，給電網的安全運行帶來了很大的隱患。二次電流電壓回路，尤其是電壓回路、3U0回路經常遇到干擾，如果此時借助一定的離線檢測手段，及時發現這些現象的原因，到底是互感器本身的原因，還是二次電纜的干擾，會給故障的排除帶來很大的方便。隨著光伏逆變器大量接入電網，高次諧波對測量回路的干擾也將日益劇烈。

2 隱患分析與解決思路

2.1 電源模塊/插件老化

開關電源也具有明顯的缺點，就是老化速度快，可能給供電的設備帶來隱患。然而現有技術無論是離線還是在線，都沒有對電源模塊輸出紋波進行檢測的技術，使開關電源老化導致的隱患始終懸而未決。本文提出一種專門檢測電源模塊輸出是否正常的便攜式測試儀表，其采用新型抗干擾高頻毫伏電壓檢測傳感器，專門測試開關電源輸出的高次紋波、穩壓性能、內阻、電壓與交流分量，用該表定期檢測站內電源板卡，可將老化而尚未損壞的電源板卡及早剔除，有效提高控制保護設備的運行可靠性，降低事故概率。樣機原理與試驗樣機如圖1所示。

2.2 直流系統交流入侵

本文提出一種采用新型直流系統交流干擾分離檢測傳感器電路，結合二極管母線電壓鉗位電路，可使該交流回路或直流支路的空氣小開關迅速跳閘，切除入侵的交流分量；如果侵入的交流分量幅值很大(高壓反擊)，由于二極管的電壓鉗位作用，可以保證直流母線對地電壓的相對穩定，至少可以使入侵的高壓交流不再流入其他回路。采用本方案后110 V直流系統遭受220 V交流入侵時可以極大地穩定直流母線對低電壓波動的幅度，二次設備為之誤動概率也大為降低。交流入侵保護裝置樣機原理與試驗樣機如圖2所示。

2.3 弱電系統絕緣異常

采用特殊的零漏電積分電路，利用全新的電容積分傳感器實現絕緣檢測技術，使得絕緣兆歐表輸出的電流僅有毫安級，電壓僅僅10 V，可從零開始無極調節，從而在弱電設備或運行二次系統中，可安全地檢測這些環節的絕緣，不會出現高壓打壞設備或構成回路誤跳閘的風險。弱電系統絕緣檢測儀樣機框圖如圖3所示。

2.4 互感器二次回路零相開路或接地異常

電壓或電流互感器零相回路正常電流電壓很低，本文提出一種新型高精度零相專用檢測表，其具有大尺寸的漏電流鉗夾功能，使用時只要將互感器ABCN四根回路同時夾取，就能靈敏地檢測出入地的漏電流，一旦多點接地，就能有效發現，同時也能靈敏地檢測出零相有無開路，其附帶的毫伏交流電壓測量功能則能很好地檢測電壓回路、3U0回路是否正常。

核心技術是弱電流小信號的無損檢測，常規漏電流鉗表或毫伏表，難以抵御外部干擾，從而給多點接地判別造成困難，采用獨特的合金材料電場磁場雙屏蔽鉗形互感器與全屏蔽電壓測試棒，與傳感器信號放大看干擾電路結合，實現了弱電電流電壓信號的無損檢測。

弱電流傳感器零相檢測原理如圖4所示。

2.5 二次設備內部發熱

紅外熱像探頭技術成熟，與可見光攝像頭組合的一體化探頭也應用廣泛，然而與工業內窺鏡技術結合的內窺鏡紅外熱像技術還不多見。基于紅外寬頻傳輸光纖，借助特殊設計的鍺玻璃廣角鏡頭，設計成功了全絕緣光纖紅外光導探頭，利用該探頭能非常方便地與現有紅外熱像儀結合，只要將內窺鏡鏡頭伸入或對準設備的散熱孔、鎖孔等部位，就能清晰地導出內部紅外熱像圖像。由于整個內窺鏡內部不含電纜，整體絕緣強度可達5 kV/mm，因此對于二次設備不會引起放電等問題，這樣就解決了二次設備長年以來內部元件紅外測溫困難的問題。內窺鏡紅外熱像儀原理如圖5所示。

2.6 測量回路信號干擾

通過改善優化電流檢測電路的結構，以及開口電流互感器的機械結構、增加的屏蔽結構與雙互感器鐵芯外部磁場抵消結構，實現了模擬量過程信號中毫安級的微弱抖動信號的采集。為了能在外界磁場干擾較大的換流站直流開關場長期穩定運行，設計了帶有磁場、電場雙重屏蔽功能的霍爾直流電流互感器，來精確地檢測互感器二次電流，大致電路結構包括電池、信號指示電路、霍爾傳感器調零電路、模擬放大電路、模擬開關電路等構成，為保證長期運行的可靠性，所有電路均由硬件電路實現。

對于傳感器測量回路干擾原因的檢測，項目使用兩個同樣的屏蔽磁軛互感器，一個鉗夾信號電流線芯，另一個鉗夾整根電纜，因為電纜芯兩根電流回路電流方向相反，傳感器抖動產生的電流波動的磁通互相抵消，而外部電場干擾通過接地點流入屏蔽層，再通過屏蔽層對地電容構成回路，會在屏蔽層靠近接地點處產生感應電流，磁場干擾則會在屏蔽層的接地端與整體對地電容之間耦合處感應電流，鉗夾整根電纜靠近接地點處，如果在電纜芯的電流信號發生抖動時鉗夾整根電纜的互感器未檢測到電流，說明抖動來自傳感器；反之則說明電纜受到了外部干擾，檢測方案如圖6所示。

3 結語

變電站二次設備種類多樣、結構復雜、回路密集，因二次設備異常導致的開關誤跳、保護誤出口、自動化系統誤遙控、五防連鎖失靈等事故此起彼伏。由于二次設備異常引發的事故具有隱蔽性強、原因復雜等特點，通過對大量二次設備結構的研究與事故案利的分析，提出了6種有針對性的隱患缺陷防控方案，可為研發有針對性的檢測設備提供思路與借鑒。