防PT回路空開誤動作問題分析及可視化報警裝置硬件設計

張函　呂星岐　吳鎮宇　徐家將

摘要：隨著電網建設的不斷深入，電力設備的運行也隨著設備老化或工作人員的不規范操作出現了一系列的問題，電壓互感器回路空開誤動作是不可忽視的一個問題，空開誤動作可能會導致線路和保護裝置出現失壓運行狀況。本文首先分析了空開誤動作的原因和空開誤動作給電力系統帶來的影響，并在此基礎上提出了一種防止空開誤動作的可視化報警裝置的硬件設計，通過加裝報警指示燈和蜂鳴器模塊，能夠在空開誤動作工況下保證同時發出聲光報警信號，能夠有效保證電力設備和電力系統的安全穩定運行。

關鍵詞：PT回路；空開誤動作；報警；線路保護

隨著電力技術的發展，電力系統基本上都能夠正常穩定運行，但也會由于設備問題而使輸電線路發生故障，其中輸電線路母線PT二次回路空開誤動作問題尤為嚴重。PT回路空開誤動作會影響到電力系統的穩定運行和用戶端的正常用電，對于輸電線路母線PT二次空開跳閘現象發生的原因分析顯得格外重要，找到問題的根源并提出針對性的解決措施是目前的首要任務。現如今，眾多研究人員集中在分析PT空開設備的工作原理和參數設置方面，以更換動作元件原材料的方式迭代升級空開設備，解決動作靈敏度的問題，降低空開誤動率，隨著材料學等新技術的發展，這不失為一項可靠的選擇，但是輸電線路PT回路空開設備大多是舊式設備，要整體更換的話難免會使成本增加。本文研究了一種可附加于現有空開設備的誤動作報警裝置，可以通過報警控制回路檢測空開是否發生誤動作，并將報警信號通過WiFi模塊傳送到客戶端，通過可視化的聲光報警方式報告誤動作事件，為電力系統的穩定運行提供保障。

1 輸電線路PT回路空開誤動作影響

由于現代電力系統是一個各區域互聯互通的大型電力系統，所以輸電線路電力設備故障不僅會影響到本線路正常運行，還可能會影響到其他線路及設備，PT回路空開誤動作會引發造成二次回路突然斷電，也會影響到一次回路的正常運行［1］，另外，空開誤動作也會導致很多輸電線路保護裝置出現運行失壓現象［2］，輸電線路及相關的母線保護運行失壓造成線路失去主保護，只剩下零序電流保護正常運行，這將威脅到電網的安全運行［3］，嚴重時會使電力系統失去穩定或者發生嚴重的電力事故，威脅到人民的生命財產安全。所以深入問題，研究誤動作發生的原因，采取正確、適當的措施，消除隱患，設計出適合電力系統發展的PT空開誤動作保護裝置，配合其他電力保護設備實現輸電線路的全方位保護，對于電力系統穩定運行來說尤為重要。

一些空開長期變動工作狀態，金屬部件受金屬疲勞等因素影響，空開部件強度降低，無法保持最初的動作精度，當負載電流超過動作電流時，動作觸頭無法正確動作，使得過載情況下空開無法使用強制性鎖具。此種情況下若是有人員誤靠近將可能發生危險事故。

2 輸電線路PT回路空開誤動作原因分析

二次空氣斷路器是變電站繼電保護裝置的電壓控制和隔離裝置，起到分配和隔離電壓故障的作用。斷開繼電保護裝置的二次空氣斷路器是較常見的安全措施之一，為保證施工人員的安全和電網的穩定運行，將切斷開關中間的交直流電源［4］。

正常情況下，空氣開關接通電源，脫扣裝置處于閉鎖狀態使得觸頭無法動作，空氣開關正常接通輸電線路，當輸電線路中電流過大時，大電流產生高熱量，使脫扣機構中的金屬片受熱彎曲帶動杠桿使脫扣裝置動作，完成短路時的過載保護。從空氣開關的工作原理可以看出，空氣開關動作的關鍵是短路時發熱元件的熱量使金屬片發生形變，但是二次回路中工作的設備不只空氣開關，還存在繼電器、接觸器和變頻器等電力設備，這些設備的運行同樣伴隨著熱量的產生，故障溫度加上設備運行溫度高于空氣開關的感溫元件所設定的動作溫度，這促使工作人員設置更高的動作溫度，導致空氣開關發生誤動作。

輸電線路二次回路PT回路空開誤動作，一部分原因是工作人員沒有按照科學的規程執行操作，使得二次回路裝置出現運行失壓狀況，所以應該避免由于工作上的疏忽而導致系統運行問題。因此，應該對工作人員進行系統化的培訓，讓員工準確掌握包括空氣開關在內的各種元器件的操作規范，對于整個裝置的穩定運行尤為重要。

3 防PT空開誤動作報警裝置硬件設計

本文研究了一種PT回路空開誤動作可視化報警方法，在空開斷開后，采取自動保護與聲光無線報警的方式實現可視化報警，并區分空開是誤斷開還是過載斷開。報警裝置電路設計如圖1所示，共分為三個回路，分別是交流回路、整流回路和直流回路。交流回路為自動保護回路，主要控制各繼電器和指示燈；整流回路完成交流變直流的任務；直流回路為聲光無線報警回路，完成信號發送和聲音報警。電路中OF為空開。F為接觸器線圈，F1、F2、F3為該接觸器開關，SD為過電流繼電器線圈，SD1和SD2分別為該繼電器的常閉、常開觸點，R1、R2為功率電阻，阻值為10Ω。D0、D1、D2為交流燈，其額定電壓為220V。T1為變壓器，將220V交流電壓變換為9V交流電壓。D3、D4、D5、D6為整流二極管，將交流電壓變為直流電壓。C1、C2、C3、C4為濾波電容，其容值分別為1000μF、10μF、10pF、10pF。U1為直流穩壓芯片LM2576，U2為微處理器STC89C52。L1為續流電感，其電感值為450μH。R4、R5為電子電阻，其阻值為1Ω，R3為電位器，其阻值為10kΩ。D7為發光二極管。WiFi指的是無線報警模塊WiFi，B為聲音報警器。

報警裝置中交流回路為自動保護回路，如圖2所示。

繼電器線圈SD得電，由于回路電流I小于SD動作電流i，故常閉觸點SD1保持閉合，常開觸點SD2保持斷開，此時空開誤斷指示燈D1燈亮，空開過載斷開指示燈D2燈滅。當交流回路空開OF因過載發生斷開時，接觸器線圈F斷電，F1、F2、F3常閉開關閉合，正常工作指示燈D0燈滅，過電流繼電器線圈SD得電，由于過載回路電流I大于SD動作電流i，常閉觸點SD1斷開，常開觸點SD2閉合，此時空開誤斷指示燈D1燈滅，空開過載斷開指示燈D2燈亮。此時再次檢測交流回路空開OF是否發生誤斷開。當交流回路空開OF閉合，接觸器線圈F通電，F1、F2、F3常閉開關斷開。

對于整流回路，如圖3所示，當交流回路空開OF發生誤斷開或是過載斷開時，接觸器線圈F斷電，F1、F2、F3常閉開關閉合，整流回路開始工作。當交流回路空開OF閉合，接觸器線圈F通電，F1、F2、F3常閉開關斷開，整流回路停止工作。

對于直流回路，如圖4所示，當交流回路中的空開OF發生誤斷開或是過載斷開時，接觸器線圈F斷電，F1、F2、F3常閉開關閉合，整流回路開始工作，直流回路開始工作，微控制器U2開始工作。微控制器U2控制點亮D7燈，并控制蜂鳴器B報警。微控制器在開始工作瞬間計時，每60秒通過WiFi模塊發出一次報警。

當交流回路空開OF閉合，電流繼電器線圈SD與接觸器線圈F通電，F1、F2、F3常閉開關斷開，整流回路停止工作，直流回路停止工作。

對于整個報警裝置，其動作及報警流程如圖5所示，整流流程如下：

（1）建立空開保護與報警控制的交流、整流和直流回路；

（2）初始化電路，判斷交流回路中的空開OF是否斷開；

（3）并根據初始空開OF合斷條件判斷各個回路的動作情況；

（4）若空開OF發生誤斷開，則電流繼電器線圈SD與接觸器線圈F斷電也將失電；

（5）若是回路因為過電流而使空開OF動作，則交流回路將會斷開，此時不會觸發誤動作報警；

（6）不斷執行以上步驟（2）～（5），判斷結合電路電流和空開OF動作情況，確定保護報警回路的動作情況。

具體實施過程為，首先判斷電路中的空開OF的開斷情況，當交流回路空開OF發生誤斷開時，電流繼電器線圈SD與接觸器線圈F斷電，F1、F2、F3常閉開關閉合，正常工作指示燈D0燈滅，D1與D2根據空開動作情況亮燈或滅燈，當發生空開誤動作時，指示燈D1亮；當發生過載時，指示燈D2亮。無論是空開誤動作還是空開應過載斷開，整流回路中的常閉開關F3都將閉合，F3閉合后直流回路中的微處理器U2開始計時，當T大于60s時，直流回路中的WiFi模塊向工作人員發出報警信號，D7報警指示燈點亮。工作人員根據指示燈可判斷空開動作情況，并根據實際情況選擇對應的施工措施。

結語

電力系統的穩定運行離不開各電力設備的正常工作，PT回路空開誤動作不僅會影響到一、二次設備的運行，還會影響到用戶端的正常用電。為了解決空開誤動作報警問題，本文研究了一種防止電壓互感器空開誤斷回路的保護與報警裝置，這種裝置能夠實現空開誤動作的判斷和可視化報警，并且其直流回路和交流回路均可以直接通過輸電線路取電，不需要二次加裝電源，有較高的實用價值。

參考文獻：

［1］孫興，勾成霞.低壓配電系統二次回路中小型單相空開誤動作的改進方法［J］.科技與企業，2014（20）：182.

［2］王金花，張紅艷，崔紅玲.變電站母線PT二次空開跳閘原因分析［J］.通訊世界，2017（5）：221222.

［3］馮尚峰.35kV變電站母線PT二次空開跳閘原因分析［J］.電子技術與軟件工程，2015（10）：242.

［4］張慶偉.一種繼電保護裝置二次空開防誤閉鎖裝置［J］.江西電力職業技術學院學報，2018，31（01）：12+7.

作者簡介：張函（1996—），女，漢族，云南宣威人，助理工程師，研究方向：輸變電設備狀態評估、特高壓直流輸電技術及交直流保護研究。