继电保护回路极性校验仪的开发应用

卢兴丽， 李彦吉， 姜　越

(北京铁路局　石家庄供电段, 河北石家庄 050000)



铁路供电技术

继电保护回路极性校验仪的开发应用

卢兴丽， 李彦吉， 姜越

(北京铁路局石家庄供电段, 河北石家庄 050000)

供电系统的继电保护和综合自动化装置对互感器的极性有不同的配置要求，在保护装置新安装或大修更换了互感器等后都要进行互感器及其回路的极性校验、判断极性的配置是否正确。针对现有测试中存在的诸多弊端和问题，提出了可以剔除和解决这些问题的多路模拟量回路极性校验仪项目，简述了其使用效果。

PT； CT； 多回路； 极性； 无线

电压互感器(PT)和电流互感器(CT)是电力系统重要的电气设备,其本体与二次布线极性的正确与否,对系统的保护、测量、监察等设备的正常工作有极其重要的意义。在新安装、大修PT、CT或更换PT、CT二次电缆及测控装置后，利用极性试验法检验PT、CT接线的正确性，是继电保护工作人员必不可少的工作程序。

1　现状调查

现场大多使用互感器校验仪完成伏安特性、极性的测试，但这种测试的目的是确认互感器本体极性的正确性，对于二次连接线极性正确性检查无能为力。现阶段对于从互感器的一次侧到测控装置入口处整个模拟量回路的正确性检查手段只有1个，就是直流法的点极性方案。

1.1点极性[1]

将指针式万用表接在互感器二次输出绕组引至继电保护安装处，用万用表直流电压或电流最小量程档；将1～6节干电池的负极固定在电流互感器的一次输出导线上；再用干电池的正极去点电流互感器的一次输入导线，这样在互感器一次回路就会产生一个正脉冲电流；同时观察二次回路指针万用表的表针向哪个方向偏移，若万用表的表针从0由左向右偏移，说明干电池正极所接电流互感器一次端子与指针式万用表正接线柱连接的电流互感器二次电缆引入测控装置的某端是同名端，这种接线就称为反极性或减极性；反之称为正极性或加极性。

1.2存在的问题

从上述过程来看，点极性这一过程掺杂着太多的人为因素，费时费力、易出错。并且对极性校验的错误结果不能通过设备传动及试运行来发现和消除。

铁路牵引供电普遍存在的牵引回流也往往对极性校验产生不利影响。在电压互感器测试时，需对线圈先期充电，存在对操作人员电击的危险，可能由此引起其他意外。

2　极性错误引起的典型事故

近几年设备运行中，因继电保护回路极性错误，先后多次、多地发生了非正常跳闸、计量不准等问题。

2.1差动保护误动

2012年8月7～8日京广高速铁路冲击送电时，因为主变压器低压侧CT极性接反造成高邑西、邯郸东变电所先后8次出现比率差动保护误动跳闸问题。

2.2阻抗保护拒动

2013年8月7日京广高速铁路姚庄变电所全并联供电时，213阻抗I段保护动作跳闸、但214阻抗保护没有动作出口，检查发现214保护测量到的负荷阻抗角为174°左右、进一步检查发现电压互感器极性接反，将YHT与YHF对调后显示正常、保护动作正常。

2.3计量错误

从2008年10月份开始，京广线黄粱梦变电所的损失率呈逐月增加的趋势，最大达到15%。通过检查发现4#馈线计量电度较同样运营条件的其他供电臂月电度差达到1万kWh，最终发现214计量回路错误地接入了对应电压[2]。

3　解决方案

点极性的方案是现场检查极性最为简便易行的测试方法，继电保护回路极性校验仪仍旧采用此原理。由于从互感器本体到测控装置保护回路普遍都有70 m左右的距离，所以选用了主机加无线分机的设计方案。主机在互感器一次侧注入电流，分机在互感器二次回路末端进行采样分析，确定其输出极性，并能通过无线传输的方式将测试结果传送给主机，使用原理框图如图1。

3.1CT测试实现

由于电流互感器一次线圈匝数很少，其阻抗值接近于零，所以采用在其一次侧瞬间正向放电，使在其二次侧感应出电流的方式。在互感器侧，主机先对大容量电容器充电，然后控制其对电流互感器一次线圈放电。分机在保护回路末端采集电流信号，收到主机通知后将采集到的数据信息以无线的方式传回主机。主机根据接收到的信息进行计算解码，在液晶屏上显示出测试结果。

3.2PT测试实现

与电流互感器相反，电压互感器一次线圈匝数较多，其电流不能突变。在互感器侧，主机先控制电池对一次线圈进行充电，在电流达到一定值时，瞬间断开充电回路，使互感器二次侧产生一个峰值脉冲。分机通过对脉冲正向或反向的判断，确定互感器的极性，并通过无线信号将测试结果传回到主机。

图1　装置使用示意图

3.3极性判断

对于电流互感器，在其一次侧正向瞬间放电时，会在其二次侧产生正负两个脉冲，对于第一个脉冲的正负的判断是确定互感器极性的关键。

为防止牵引供电系统的外界干扰和回流造成测试装置内部元器件的烧损问题，在模拟信号进入主机前、增加了1∶1的隔离变压器。这样在进行电压互感器试验时，因为线圈充电需要一个过程、此时在隔离变压器的二次侧检测不到此微弱的脉冲，但在断开充电回路的过程中会有一个较大的反向脉冲，因此对于电压互感器采用了反向检测的方案。

由于分机接收到的脉冲宽度较窄，特别对于互感器有多个二次线圈时，瞬间同时捕捉几个脉冲信号将会变得比较困难。为了实现对脉冲的准确捕捉，采用了特别设计的脉冲捕捉保持电路。在每一个二次回路的末端，都有正负两个脉冲捕捉电路，且正负两个电路之间互为闭锁。任一脉冲捕捉电路捕捉到相应的脉冲后，将闭锁另外一支脉冲捕捉电路，使其失去捕捉功能。其原理接线如图2所示，当任一可控硅Q2或者Q3导通后，将断开另一回路的电源，使其不能够再导通，以保证一次测试只返回一个脉冲信号。

图2　脉冲采集保持电路原理图

3.4无线传输

无线传输采用单片射频发射器芯片nRF24L01+，实现主机与分机之间的通讯。它是一款工作在2.4～2.5 GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶体振荡器调制器、解调器。输出功率频道选择和协议可以通过SPI接口进行设置。该芯片有极低的电流消耗，在发射模式下发射功率为0dBm时、电流消耗为11.3 mA，接收模式时为13.5 mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

4　装置结构

4.1主机装置结构(见图3)

主机主要由MCU、电源、电流互感器放电回路、电压互感器放电回路、无线传输单元、显示输出单元6个部分组成。

(1)MCU

以MICROCHIP公司的PIC16F877A单片机做为核心，实现CT、PT的测试控制，并对分机发送过来的数据进行分析计算，确定互感器的正负极性，对错误信息进行排除等。

(2)电源

采用12 V锂电做为主电源，经过DC-DC变换，产生3.3 V和5 V两路电源。分别供给MCU、无线芯片和液晶屏。

(3)电流互感器放电回路

为防止锂电池因为瞬间放电而损坏，采用电池先给电容充电，然后由电容对电流互感器一次线圈放电的方式。由4接点继电器与大容量放电电容组成。继电器的两对常闭接点对电容进行充电，两对常开接点实现对电流互感器一次线圈进行放电。这样做的目的是实现主机与互感器之间的电气隔离，防止放电回路断开瞬间产生的高压引入到主机内部电路。

(4)电压互感器放电回路

MCU系统控制继电器利用锂电池对一次线圈充电、当电流达到一定数量级时、自动断开充电回路。

(5)无线传输单元

实现主机与分机之间的无线通讯。

(6)显示输出单元

采用128×64液晶屏，显示测量、帮助信息及测量结果。

图3　主机原理框图

4.2分机装置结构(见图4)

分机主要由MCU系统、电源、采样保持电路、极性显示电路、无线传输单元5个部分组成。

(1)MCU系统

分机同样采用MICROCHIP公司的PIC16F877A单片机做为核心，主要控制无线芯片的收发，采集采样电路的动作信号，形成数据发送给主机。

(2)电源

与主机一样，采用12 V锂电池做为主电源，经过DC-DC变换后产生3.3 V电源分别供给继电器、MCU、无线芯片等。

(3)采样保持电路

采集互感器二次回路产生的脉冲信号并保持，以供MCU采集数据。

(4)极性显示

为防止保护回路较长，无线通讯无法联络时、主机无法收到分机信号做出判断，在分机上采用了LED发光二极管来指示所测回路的加、减极性。同时，作为辅助显示与主机比较，以确保测试结果的准确性。

(5)无线传输部分

实现分机与主机间的无线通讯。

图4　无线分机原理框图

4.3功能设置

主机采用独立的电流互感器与电压互感器测试输出端子，并配以测试选择键、实现回路极性的测试功能；为减轻测试仪质量，面板上装配充电口，充电采用外接充电器的方式。

分机设有4路8只采集端子，能同时采集4个回路的脉冲信号，实现互感器若干次边输出的同时测试；并配以LED发光管显示。同样，分机充电也采用外接充电器的方式。

5　结束语

2014年8～11月在北京铁路局石家庄供电段邯长线牵引变电所验收试验中，推广使用了该装置(见图5)，先后发现了馈线阻抗保护、差动保护极性错误等问题。

继电保护回路极性校验仪在牵引供电系统高次谐波、过电压、较大回流等外界干扰下，工作均正常、运行稳定。装置集成度高，质量不足1 kg、现场携带使用方便，测试时仅需单人操作、省时省力，一次可完成多个线圈回路的校验，避免了不同人员接线、联系传递方面带来的误差。最大传输距离达到1 000 m，可以满足电气化铁路牵引变电所任何位置的互感器回路测试的需求。装置的应用，极大地方便了现场、减轻了检修试验人员的劳动强度，并确保了互感器一次至二次回路连接的牢固性、准确性和正确性。

图5　继电保护回路极性校验仪

[1]李建明,朱康.高压电气设备试验方法[M].第2版.北京:中国电力出版社,2003.

[2]李彦吉，罗长久，王凡. 一起牵引变电所损失率超标原因分析及处理[J].铁道机车车辆，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，工程师(

2015-09-30)

U224.4

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.12