操作回路接触电阻在线监测与实现

南京国电南自自动化有限公司 冯晓华 阮青亮 吴 凯 王闰羿

随着现代电力系统的不断发展，电力系统的容量和规模也在日益扩大，近年来电力系统各种故障引起的连锁事故时有发生，其主要原因是继电保护二次设备的设计存在隐性的不够完善的地方[1-2]。在电力系统中断路器是连接电网设备和保护线路的重要环节，直流操作回路作为继电保护装置与断路器重要的接口，其设计不够完善导致的保护装置不正确动作占比较高，因此设计合理的直流操作回路能最大程度地保证断路器动作的可靠性，从而有效减少因断路器故障导致的电力系统事故[3]。

为使继电保护装置更加紧凑以便于生产调试和工程维护，国内大多数电力设备二次厂家都将断路器的直流操作回路设计成单插件形式，作为保护装置的一块插件，目前绝大部分直流操作回路都不具备在线监控和自检功能，而在直流操作回路常见问题中，回路接触电阻不良导致跳合闸失败是最为常见的一种故障形式，因此对操作回路中接触电阻的精准监测可以有效排查和预警其功能异常而导致的跳合闸故障[4-5]。

1 接触电阻检测原理

实际跳合闸时间很短且动作过程中整个回路中有继电器线圈的存在，会导致整个回路中电流变化很大难以实现回路电阻的准确测量，另外由于各设备厂家的插件一般都采用的标准尺寸，直流操作插件上继电器和功率电阻均较多，一般不会存在模拟量采集设计回路用于测量回路中的电流，因此在操作箱或操作插件中设计直接检测回路难度较大。

本文基于测量直流操作回路中的电流来判断回路中的接触电阻是否异常，在控制电源正极和跳闸出口压板正端之间并联一个检测电阻和检测开关，并在直流操作回路中增加一个电流检测点，通过检测点电流的变化来判断回路中接触电阻是否异常，进而判断直流操作回路是否会导致跳闸失败，具体原理图如图1，图中TWJ为跳闸位置继电器，HWJ为合闸位置继电器；TBJ为跳闸保持继电器，HBJ为合闸保持继电器；TQ为跳闸线圈，HQ为合闸线圈；TJ为跳闸回路时间继电器，HJ为合闸回路时间继电器。

图1 检测回路原理图

2 硬件设计方案及硬件电路设计

由于直流操作回路插件上继电器和功率电阻很紧凑，一般没有多余的空间设计电流检测电路，因此考虑将电流检测电路置于同装置的其他模件上，通过端子接线将检测电路接至直流操作回路上，本文提出的设计将电流检测回路设计在装置的出口模件上。如图2，需对检测模块中检测回路电流进行检测，即流经TBJ或HBJ回路的电流，为节省硬件资源在实际应用中跳闸回路与合闸回路只有一路可导通，装置根据TWJ及HWJ的位置判别对哪一个回路进行检测，由CPU驱动对应回路的检测开关使检测开关闭合，将检测模块串入出口压板与+KM之间，回路中的电流通过检测电阻将电流信号转换为电压信号，再经过隔离运放电路后通过母板进入CPU板的ADC通道进行采样处理。

图2 操作回路电流检测原理图

检测回路中的电源使用操作电源+KM，该电源由保护装置精确测量后参与回路电流的计算，从而保证所测量的回路接触电阻精度，考虑到直接操作回路接触电阻的检测频次一天按5次计算一年约2000次，松下2a型继电器的动作寿命至少10万次，因此选用松下2a型继电器作为检测回路开关完全满足要求。电流测量回路检测的电流范围设为100mA以下，回路中电流的测量最终是要到保护装置的CPU模件上的ADC进行测量参与运算，因此电气隔离就是必须考虑的一个重要参数。

本文选用TI公司的AMC1200B芯片，该芯片的电气隔离是4250V，精度0.5%，输入范围是正负250mV，满足设计要求，电流检测回路中串入采样电阻将电流信号转换为电压信号输入隔离运放，隔离运放的前端有RC组成的滤波电路，RC参数根据实际电路进行设计，后端有运放实现差分转单端输出和RC滤波电路，输出的模拟量可以直接进ADC进行模拟采样，经ADC采样的信号进入CPU参与回路接触电阻的计算，回路电流检测原理如图3。

图3 回路电流检测原理

3 结语

直流操作回路的可靠性是保证断路器正确动作的重要一环，而直流操作回路最常见的接触电阻异常是导致跳合闸失败最常见的一种故障形态，因此对直流操作回路的接触电阻在线监测就变的异常重要。本文分析了直流操作回路接触电阻检测的原理，详细介绍了接触电阻的检测方案和硬件检测电路的设计，该方法通过在线监测操作回路的电流来对直流操作回路工作状况进行监测，在不影响系统正常运行的前提下保证直流操作回路安全可靠地运行。