电力系统继电保护二次回路技术应用研究

哈密鑫天能源有限公司 王 奇 邓 阳

继电保护装置应具备快速切除故障的功能，断路器是继电保护执行的主要单元。二次回路技术主要针对二次设备连接所形成的回路，包括控制、测量、调节等。为确保二次回路技术应用效果，本文以某工程为案例阐述电力系统中的二次回路技术保护方式，使用防跳回路、控制回路，完成系统的监视和保护，确保电力系统运行安全、稳定。

1 断路器控制回路在线监测

1.1 采样与模数变换

利用继电保护技术保护二次回路，采用断路器控制回路在线监测技术，以“四性”为基本要求，模拟本案例工程的继电保护数字核心结构、模拟量、开关量、通信接口等，完成数字采集和在线监测。设计输入模拟信号为XA（t）。设计时间为Tn，得到模拟信号在采样点的瞬时值，其具体序列表示如下：X（n）=XA（nTs）,n=1,2,3...输入模拟信号后得到公式：XA（t）=Xmsin（wt+θ）、Xn=Xmsin（wnTs+θ）。

式中：Ts表示采样周期，t表示时间内，m表示序列，w表示信号值，θ表示常数。设定采样频率之后，利用基波频率倍数表示采样速率。为了保障采样过程中不丢失原始信号，确保采样率为输入信号最高频率的两倍以上。在控制回路在线监测中，使用标准单位电压衡量电压值，得到有限度数字值，本案例使用A/D转换参数，使得数字量更加精确。A/D转换器分辨率会对量化误差数值产生影响，且两者之间呈现出反比例关系，设定满量程电压值为5V，使用二进制位数为12的变换器，计算所得分辨率数值为0.002V，在满足输入信号电压在0.002V基础上，满足变换器的实际分辨要求[1]。

1.2 数字滤波

本厂使用数字式的继电保护装置，将故障信号的基频分量为基础，在电力系统产生故障时，输入的电流、电压，除有效成分外，仍保护很多噪声分量，其中包括衰减直流分量和高频分量。数字滤波技术应用起到消除噪声的作用，利用算法完成信号的处理。使用的主要装置为数字滤波器，可结合采样序列，得到新的序列，并保留控制回路监测中的有效成分，滤波器采用线性表达方法，差分公式如下：

式中：y（n）表示输出序列，X（n）表示采样序列，k表示常熟，A、B表示滤波器的系数，t表示时间。滤波特征则使用相应频率表示，经过数字滤波处理后，信号幅值会发生光滑，则出现一定的位移，使用离散序列表示，则能够得到实际的位移量。

1.3 二次回路施工

二次回路控制点使用铜芯，使用聚氯乙烯控制电缆。二次回路保护设备用于切除电力系统故障，断开电源，保护设备，控制电源独立设置，使用双电源配置主保护供电，控制开关确保满足二次回路额定电压、电流和操作次数的基本要求。信号继电器的额定电压电流灵敏系数满足1.4倍额定电压的基本要求。整个二次回路施工中，为确保二次回路的质量满足实际要求，确定具体的二次接线参数，例如在进行屏柜安装时，控制其具体偏差满足表1的基本要求。安装完二次回路之后，对相关保护装置进行安装和调试，做好二次回路的检查工作，保护装置包括线路保护、母联保护、主变保护等。完成二次回路检验后，确定具体的继电保护方案[2]。

表1 偏差允许表（mm）

2 高压断路器防跳跃闭锁回路

2.1 防跳原理

继电保护应用微机保护装置，在保护系统中，断路器处于合闸状态时，微机保护动作启动，回路接通达到特定位置时，与合闸回路串联的闭触点断开，回路断开，在合闸信号存在时，则开触点闭合。达到节点电压线圈时，电压启动，完成跳闸过程。断路器触点节点断开后，回路同时断开，则电流线圈在受到影响后会复位。在此过程中，节点电压线圈持续处于动作过程，节点内的闭触点保持合闸回路断开的过程，避免在故障发生时出现多次合闸、跳闸的现象。

断路器的防跳功能主要受合闸回路的影响，在断路器处于合闸状态时，闭触点断开，控制整个合闸回路处于切断的状态。在信号仍然存在的前提下，开关触点接收到信号之后会出现闭合的情况，与电压线圈的防跳回路连接。在电压线圈启动电压的状态下，节点的开触点因保持闭合状态，会使得电压线圈持续处于动作的状态，在跳闸完成之后，断路器也会起到辅助断开的功能，与合闸回路串联的闭接点，则会控制断开合闸回路，避免电力系统出现多次跳闸、合闸的现象。

在同时使用微机保护和断路器保护过程中，会产生共存“防跳”的现象。两者均能够完成防跳的基本功能。但对两者的防跳的基本原理分析，由于控制回路不同，会影响到电力系统的故障分析结果。例如，本案例中，断路器跳闸后，控制回路发送断线信号，无法判断是否由断路器本体作用导致。因此，为避免此类问题对故障分析产生的影响，在微机防跳运转中，将断路器的线圈拆除。选择断路器本体失效，则拆除微机保护装置电流线圈，以满足两者之间的共存要求，使得回路的“防跳”功能良好。

2.2 实际工程控制回路改进

某公司在同时安装断路器和继电微机保护装置后，在实际工程应用过程中出现了误差问题，致使出现跳闸与合闸二次回路耐压下降的情况。因此，使用断路器本体防跳的回路控制方案，将微机保护装置取消，在此基础上分析防跳回路中存在的问题，加以改进和优化。在正常合闸并解除的情况下，断路器的常闭触点端口，保持回路，开触点闭合，防跳回路无法接通。在开触点预先闭合时，合闸回路处于接通状态，会到配置线圈保持动作，无法切除和合闸。为确保继电保护实现对二次回路的保护，避免跳闸后无法恢复的情况，需要在回路中添加动作触点，在开触点预先闭合的情况下，断开合闸，使用继电器的自保持回路。在开接点有限闭触点动作的情况下，则合闸自保持回路持续运转，增加动作触点后，在保持一段时间之后，会断开，使得断路器可正常跳闸、合闸。

3 高压断路器控制回路监视保护

3.1 高压断路器监视方案

高压断路器主要负责保护电力系统的正常运行，故障发生时，会根据继电保护的要求，快速切除故障，实现对二次回路的保护。在断路器跳闸、合闸监视过程中，包括并联辅助回路红绿灯监视、跳合闸位置继电器监视、串联监视灯监视以及串接高内阻继电器监视灯。现有的四种监视方法，均无法实现完整性监视，当系统发生故障时，断路器可能会产生拒绝跳闸的情况，无法及时切除故障，甚至会使得设备损坏。在故障排除之后，也可能会产生断路器拒绝合闸的情况，影响电力系统供电稳定性。

在断路器实际运行过程中，某公司经常发生跳闸、合闸过程中线圈烧毁的情况，由于设定线圈动作为短时间通电，断路器在出现卡死或者触点切换不正常情况时，长时间通电会导致线圈烧毁。因此，在二次回路跳合闸线圈保护过程中，多采用人工的方法，观察跳合闸位置的指示灯变化情况，在异常现象发生时采取相应的措施，无法实现对二次回路继电保护中跳合闸线圈的有效保护。

3.2 高压断路器控制回路监视保护方案选择

本案例将220kV变控制回路作为研究对象，结合实际工程探讨跳合闸保护控制问题。“防跳”回路使用真空断路器，将继电保护装置内部防跳装置拆除，使用导线短接常闭节点。在控制回路跳合闸动作过程中，采用断路器手动控制方案，在跳闸之后，闭触点闭合，电流从正电源流过，经由合闸电磁铁、闭触点等，流通到负电源，当指示灯绿灯亮起时，合闸回路完整。在跳闸时，利用触点的切换功能，在闭合接通合闸位置设置监测回路，合闸位置继电器动作后，触点断开合位监测回路，继电器反馈。在此过程中，中央信号回路不启动，表明合闸状态完整，中央信号报警，则表明回路状态不完整。

对跳闸回路完整性监测过程中，建立仿真模型，模型构建应用MATLAB软件。断路器未跳闸之前，则利用合位监视回路起到监视的功能，在跳闸操作期间，触点动作，连接点保持闭合。完成跳闸之后，断路器开节点断开，提取整个动作过程中的电流波形变化情况。在跳闸回路未受到监视的过程中，无法了解跳闸回路是否良好，在合闸结束后，可辅助利用触点的切换功能，保持监视回路处于接通的状态。但在合闸过程中如果出现故障问题，则跳闸回路完整性也会受到影响。因此，在监视方案中，将跳闸完毕后的回路纳入监视体系之中，避免合闸故障对二次回路的影响持续扩大。

由于本案例采用短时线圈动作时间，此时控制开关如果发生未复归的情况，则跳闸线圈可能会因此烧毁，在增加动断触点后，在微弱监视跳闸回路时，则动断触点不会发生动作，回路监测可靠。在回路存在动作电流时，线圈长时间通电，延时断开跳闸回路，避免出现线圈烧毁的问题。

在实际工程中，为确保继电保护能够实现完整性监测，实现对二次回路的准确保护，在监视系统中采集跳合闸回路电流，使用霍尔传感器的磁电效应，实现对电流的科学采集。在半导体装置上，沿着同一方向通过电流，并在垂直方向上施加均匀磁场，会产生电动势，具体公式表达如下：Uh=Rh/d×I×B，式中：Rh为霍尔系数，Uh为电动势，I表示控制电流，B表示匀强磁场。在具体电流采集过程中，半导体材料的性质和厚度会影响到数据采集的结果。通过对电流的采集，能够实时了解跳合闸线圈保护的实际情况。

在断路器跳闸线圈保护过程中，增设高压断路器二次回路保护器，在异常状态下，可起到保护跳闸线圈的情况。增加霍尔传感单元采集电流，并将采集的电流利用硬件系统传输到上位机中，计时电流动作，增加控制节点，可实现对二次回路跳合闸线圈的科学保护。

3.3 高压断路器控制回路监视保护设计

硬件设计：高压断路器控制回路系统监视保护功能的实现主要依据硬件系统和软件系统的配置，硬件系统包括传感器、单片机、通信系统、上位机监控系统等。单片机使用A/D转换模块，设置SPI和MCU接口，传感器主要负责采集电流、电压、温度等信号，通信系统采用RS485总线配置方案，上位机负责实时数据的分析，用于显示诊断结果和预警。在硬件电路方案设计中，霍尔传感器负责断路器跳合闸回路电流信号的转换，在经过电阻后将其转化为电压信号，投入到运放单元之中。电压信号则使用运算放大器，供给5V电压，经过放大运算后转换为标准电压。电压信号转换的输出量，用于作为单片机的输入量。

软件设计：高压断路器控制回路软件设计中，利用单片机的软件程序，发送指令，完成二次回路保护的过程。主程序具备电流检测功能，支持初始化过程和子程序循环。子程序负责启动A/D变换，并根据变换结果，启动监视保护程序。子程序分支数量共计9个，分别负责不同的状态预警。例如，在跳闸回路过电流状态时，发出过流预警信号，判断定时器的启动情况，启动定时器后计时，在达到预设的跳闸上限后，如果结束，则保存数据，上传到显示装置中，如果未结束，则关闭定时器，启动跳闸保护指令，完成二次回路的计算保护过程，控制触点断开，保存数据后，上传到上位机中显示。

综上所述，高压断路器动作可靠性与系统运行稳定性直接相关，控制回路的可靠性会影响到继电保护动作的准确性，防跳回路、跳合闸回路是保障继电保护功能实现的关键。本案例以实际工程为例，建立仿真分析模型，分析控制回路中的“防跳”问题，采用回路接线改动方法，提高“防跳”回路的性能，并引入了跳合闸线圈的保护，有效提高了电力系统的稳定性。