变电站继电保护设备隐蔽隐患的防控技术

杨龙涛，唐晨凯，方 鸣，刘 璨，孙 静，张 蓓，张 露

(国网上海市电力公司奉贤供电公司，上海 201499)

继电保护二次回路是电力系统重要组成部分之一，当电力系统出现问题时，继电保护二次回路可对整个电力系统进行保护，当电力系统发生故障时，其可及时发现故障并作出警报，方便维修人员处理故障，保证电力系统的安全稳定运行。变电站二次设备的运行可靠性不言而喻，然而由于二次设备种类多样、结构复杂、回路密集，因二次设备异常导致的开关误跳、保护误出口、自动化系统误遥控、五防连锁失灵等事故此起彼伏[1-3]。由于二次设备异常引发的事故具有隐蔽性强、原因复杂等特点，因此通过常规的预防性试验及时发现难度较大，一般也仅有继电保护设备采用定期校验的手段验证其可靠性，对于很多辅助的交直流二次回路、户外信号回路、电源回路、电源模块、连锁回路等都很难定期对其进行性能验证。大量事实表明，很多二次设备导致的事故中，由继电保护设备故障引起的只是很小一部分，很多都是因二次回路接触不良、电源不稳定、二次回路接地、单一继电器损坏等引起。然而直到目前，针对二次回路与重要辅助设备的检验手段还是空白，这是因为二次回路遍及全站，很难在变电站运行时对某一个回路进行直接检测，很多辅助设备则因缺乏标准，很难对其健康水平进行评估[4-7]。因此，针对变电站二次系统重要的高发隐患与缺陷，研究具有可操作性和针对性的防控与检测技术，意义重大。

1 继电保护设备常见隐蔽隐患

1.1 电源模块/插件老化

很多变电站控制保护系统的缺陷或事故，均来自于内部电源的供电问题，直流电源板卡异常导致直流闭锁的事故已屡次发生，直流电源板卡将110～220 V公用直流电源变为3.3～24 V的低压直流，供装置内部板卡各组件使用。目前几乎所用的直流电源板卡均采用高频开关电源技术，开关电源模块与传统线性稳压电源相比较，具有体积小、效率高、成本低、自动化程度高等优点，因此在工业控制领域大量采用。同时开关电源具有明显的缺点，就是老化速度快，可能给供电的设备带来隐患。

开关电源输出端的滤波电容必须采用电解电容，电解电容高频损耗很大，在高频电流作用下会发热以致老化干枯，然而电解电容又不是突然损坏的，而是逐步老化，这就导致了电源模块的滤波效果会逐年降低，输出的纹波则会逐年增大。控制保护板卡对电源的要求很高，稍有波动就会导致程序出错跑飞，当电源模块的纹波增大到一定幅度时，必然会对板卡的运行产生明显影响，伴随输出电压的失稳、纹波、内阻、交流成分的增加，很容易导致相关板卡的突发故障或死机，甚至误发跳闸闭锁指令[8-10]。然而现有技术无论是离线还是在线，都没有对电源模块输出纹波进行检测的技术，使开关电源老化导致的隐患始终悬而未决。

1.2 直流系统交流入侵

遭受交流入侵后，变电站直流系统的稳定运行将受到极大的冲击。交流侵入后，易引发直流系统故障接地，这将严重影响整个直流系统甚至是变电站的安全运行。交流侵入导致的接地故障会导致保护设备拒动或误动，从而导致更大的风险。除此之外，交流入侵还会一定程度地影响蓄电池的使用寿命和检测装置的精确性。

110 V直流系统交流入侵造成的开关跳闸、换流站直流闭锁、发电厂机组跳闸事故近年来接连发生，造成多起严重事故。国网总部运检部已着手要求变电站、换流站直流系统强制性加装交流入侵检测装置，并纳入精益化生产考核要求，然而现有技术的交流入侵检测装置，仅仅能检测直流母线对地电压是否含有交流成分，不具备稳定直流母线对地电压的保护功能。大量案例表明，交流入侵导致的事故往往瞬时发生，此时即使给出报警也为时已晚，可见现有技术的交流入侵检测装置效果极其有限，不能从根本上解决交流入侵导致事故的问题，必须研制能够立即切除入侵交流电源的技术方案。

1.3 弱电系统绝缘异常

二次回路涉及众多设备, 线路设计复杂, 经过一些错误接线等人为因素和不可避免的环境因素影响, 二次回路的绝缘问题往往很容易出现，所以二次回路的绝缘测试尤为重要。二次回路新装时必须通过摇表检测绝缘，然而对于大量微机保护与自动化系统的弱电接口，如网口、232、RS-485接口、内部5～24 V直流电源等，很多也存在板卡内部绝缘不良引发的隐患，然而现有摇表的高电压无法测试这些精密弱电设备的绝缘，这就使得一些设备内部接地、户外设备进水、电缆受潮等隐患很难定位。

1.4 互感器二次回路零相开路或接地异常

电压或电流互感器零相回路正常电流电压很低，很多数字万用表检测不准，也不能检测多点接地问题，一旦零相连线开路或多点接地，发生事故后将直接引起继电保护误动或拒动，后果极其严重，然而现有手段对此无能为力，继电保护面板上的采样也不能很准确地反映零相情况。

1.5 二次设备内部发热

随着电力行业的快速发展，电气设备的热缺陷问题也日渐棘手，由之引发的事故增多,不仅造成了巨大的经济损失，也带来了人身安全的问题。如何更加精确地对电气设备进行温度测量和控制就显得尤其重要。继电保护板卡局部发热，引发设备损坏事故也偶尔发生，然而对于种类繁多的二次设备，要进行红外测温极其困难，如果有一种类似内窥镜的技术，通过对装置散热孔等部位进行窥探，发现内部热点，将能极大地提高二次设备运行的可靠性。

1.6 测量回路信号干扰

由于继电保护系统自身的抗干扰性能较弱，给其准备的抗干扰措施不够充足，一些外部的干扰经常会影响设备的正常运行，导致其误动作，给电网的安全运行带来了很大的隐患。二次电流电压回路，尤其是电压回路、3U0回路经常遇到干扰，如果此时借助一定的离线检测手段，及时发现这些现象的原因，到底是互感器本身的原因，还是二次电缆的干扰，会给故障的排除带来很大的方便。随着光伏逆变器大量接入电网，高次谐波对测量回路的干扰也将日益剧烈。

2 隐患分析与解决思路

2.1 电源模块/插件老化

开关电源也具有明显的缺点，就是老化速度快，可能给供电的设备带来隐患。然而现有技术无论是离线还是在线，都没有对电源模块输出纹波进行检测的技术，使开关电源老化导致的隐患始终悬而未决。本文提出一种专门检测电源模块输出是否正常的便携式测试仪表，其采用新型抗干扰高频毫伏电压检测传感器，专门测试开关电源输出的高次纹波、稳压性能、内阻、电压与交流分量，用该表定期检测站内电源板卡，可将老化而尚未损坏的电源板卡及早剔除，有效提高控制保护设备的运行可靠性，降低事故概率。样机原理与试验样机如图1所示。

2.2 直流系统交流入侵

本文提出一种采用新型直流系统交流干扰分离检测传感器电路，结合二极管母线电压钳位电路，可使该交流回路或直流支路的空气小开关迅速跳闸，切除入侵的交流分量；如果侵入的交流分量幅值很大(高压反击)，由于二极管的电压钳位作用，可以保证直流母线对地电压的相对稳定，至少可以使入侵的高压交流不再流入其他回路。采用本方案后110 V直流系统遭受220 V交流入侵时可以极大地稳定直流母线对低电压波动的幅度，二次设备为之误动概率也大为降低。交流入侵保护装置样机原理与试验样机如图2所示。

2.3 弱电系统绝缘异常

采用特殊的零漏电积分电路，利用全新的电容积分传感器实现绝缘检测技术，使得绝缘兆欧表输出的电流仅有毫安级，电压仅仅10 V，可从零开始无极调节，从而在弱电设备或运行二次系统中，可安全地检测这些环节的绝缘，不会出现高压打坏设备或构成回路误跳闸的风险。弱电系统绝缘检测仪样机框图如图3所示。

2.4 互感器二次回路零相开路或接地异常

电压或电流互感器零相回路正常电流电压很低，本文提出一种新型高精度零相专用检测表，其具有大尺寸的漏电流钳夹功能，使用时只要将互感器ABCN四根回路同时夹取，就能灵敏地检测出入地的漏电流，一旦多点接地，就能有效发现，同时也能灵敏地检测出零相有无开路，其附带的毫伏交流电压测量功能则能很好地检测电压回路、3U0回路是否正常。

核心技术是弱电流小信号的无损检测，常规漏电流钳表或毫伏表，难以抵御外部干扰，从而给多点接地判别造成困难，采用独特的合金材料电场磁场双屏蔽钳形互感器与全屏蔽电压测试棒，与传感器信号放大看干扰电路结合，实现了弱电电流电压信号的无损检测。

弱电流传感器零相检测原理如图4所示。

2.5 二次设备内部发热

红外热像探头技术成熟，与可见光摄像头组合的一体化探头也应用广泛，然而与工业内窥镜技术结合的内窥镜红外热像技术还不多见。基于红外宽频传输光纤，借助特殊设计的锗玻璃广角镜头，设计成功了全绝缘光纤红外光导探头，利用该探头能非常方便地与现有红外热像仪结合，只要将内窥镜镜头伸入或对准设备的散热孔、锁孔等部位，就能清晰地导出内部红外热像图像。由于整个内窥镜内部不含电缆，整体绝缘强度可达5 kV/mm，因此对于二次设备不会引起放电等问题，这样就解决了二次设备长年以来内部元件红外测温困难的问题。内窥镜红外热像仪原理如图5所示。

2.6 测量回路信号干扰

通过改善优化电流检测电路的结构，以及开口电流互感器的机械结构、增加的屏蔽结构与双互感器铁芯外部磁场抵消结构，实现了模拟量过程信号中毫安级的微弱抖动信号的采集。为了能在外界磁场干扰较大的换流站直流开关场长期稳定运行，设计了带有磁场、电场双重屏蔽功能的霍尔直流电流互感器，来精确地检测互感器二次电流，大致电路结构包括电池、信号指示电路、霍尔传感器调零电路、模拟放大电路、模拟开关电路等构成，为保证长期运行的可靠性，所有电路均由硬件电路实现。

对于传感器测量回路干扰原因的检测，项目使用两个同样的屏蔽磁轭互感器，一个钳夹信号电流线芯，另一个钳夹整根电缆，因为电缆芯两根电流回路电流方向相反，传感器抖动产生的电流波动的磁通互相抵消，而外部电场干扰通过接地点流入屏蔽层，再通过屏蔽层对地电容构成回路，会在屏蔽层靠近接地点处产生感应电流，磁场干扰则会在屏蔽层的接地端与整体对地电容之间耦合处感应电流，钳夹整根电缆靠近接地点处，如果在电缆芯的电流信号发生抖动时钳夹整根电缆的互感器未检测到电流，说明抖动来自传感器；反之则说明电缆受到了外部干扰，检测方案如图6所示。

3 结语

变电站二次设备种类多样、结构复杂、回路密集，因二次设备异常导致的开关误跳、保护误出口、自动化系统误遥控、五防连锁失灵等事故此起彼伏。由于二次设备异常引发的事故具有隐蔽性强、原因复杂等特点，通过对大量二次设备结构的研究与事故案利的分析，提出了6种有针对性的隐患缺陷防控方案，可为研发有针对性的检测设备提供思路与借鉴。