基于弱電的斷路器控制回路仿真裝置的設計

任婷會，陳雪亮（.天津液化天然氣有限責任公司，天津300457； .武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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基于弱電的斷路器控制回路仿真裝置的設計

任婷會1，陳雪亮2
（1.天津液化天然氣有限責任公司，天津300457； 2.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘要：針對國內(nèi)高校教學用的變電站二次回路仿真實驗裝置缺乏的現(xiàn)狀，研發(fā)出一套基于弱電的斷路器控制回路仿真裝置。該仿真裝置的電源采用弱電48V，斷路器控制回路由各種繼電器和接觸器構(gòu)成，可以模擬斷路器的控制操作和觀察動作現(xiàn)象，滿足學生實踐操作的需要，有效提高相關(guān)專業(yè)學生的動手操作技能。

關(guān)鍵詞：弱電斷路器控制回路仿真裝置

0　引言

目前企業(yè)對寬口徑復合型高級技術(shù)人才的需求日益迫切，更看重相關(guān)專業(yè)大學生的實際動手操作能力，這就要求高校在人才培養(yǎng)方面更加注重學生操作能力的培養(yǎng)。電力系統(tǒng)的特殊性決定了電力系統(tǒng)的事故和異常不能在現(xiàn)場運行設備上進行預演，而對于電氣類專業(yè)的學生，要想更好地了解事故和異常現(xiàn)象，能理論聯(lián)系實際，就需要相應的變電站仿真系統(tǒng)和實驗裝置。因此，基于電力系統(tǒng)仿真實驗裝置的研究在高校的教學研究工作中具有十分重要的意義。

目前我國生產(chǎn)變電站仿真系統(tǒng)的廠家較多，但各有優(yōu)缺點，且主要是針對變電站值班員、監(jiān)控人員、電網(wǎng)調(diào)度人員及相關(guān)生產(chǎn)管理人員研發(fā)的，結(jié)構(gòu)復雜、功能集中強大，不適合高校學生進行實驗和操作［1-4］。而該裝置是專門針對電氣類專業(yè)的學生而研發(fā)的，能完成《工廠供電》、《發(fā)電廠及變電站的二次回路》等專業(yè)課的實驗。該裝置由繼電器和接觸器等電器元器件組成電路，可實現(xiàn)斷路器的就地操作和模擬遠方操作，同時以信號的形式顯示斷路器的工作狀態(tài)。提高學生的動手操作技能，解決相關(guān)專業(yè)學生懂理論卻無法實踐的難題，滿足企業(yè)注重學生實際動手操作能力的要求。

1　實驗裝置電路設計

由于高壓斷路器開關(guān)柜價格較高，斷路器的控制回路電壓是直流220V，直流220V的電源在實驗室實現(xiàn)的成本很高。為此采用接觸器、時間繼電器、中間繼電器、各種按鈕和信號燈、控制開關(guān)等元器件設計了斷路器的控制回路［5］，且控制回路電壓采用直流48V的弱電電壓。該實驗裝置實現(xiàn)了斷路器的基本操作功能，能觀察操作現(xiàn)象，學生能更好的理解繼電器和接觸器的功能，且成本低，弱電的電壓等級保證了設備和學生的人身安全。

斷路器控制信號電路如圖1和圖2所示。

圖2　斷路器控制信號電路（2）

圖1和圖2中FU1-FU4為熔斷器，SB1-SB3為按鈕，KT1-KT4為時間繼電器，KC1-KC2為中間繼電器，KM1-KM2為接觸器，SA為斷路器的手動控制開關(guān)，DX為閃光繼電器，GN、RD 和WH分別為綠色、紅色和白色信號燈，KCC和KCT分別為合閘位繼電器和跳閘位繼電器，KCA1為事故啟動回路的中間繼電器，M100（+）為閃光小母線。

在斷路器的控制信號電路的設計中，為了使實驗現(xiàn)象更接近實際現(xiàn)場，電路中采用了接觸器KM1-KM2，接觸器閉合和斷開時聲音更接近斷路器，現(xiàn)象更逼真。 由于不同繼電器和接觸器的固有動作時間不同，為了確保合閘接觸器KM1得電動作時跳閘接觸器KM2失電，或跳閘接觸器KM2得電動作時合閘接觸器KM1失電，時間繼電器KT1-KT4的常開觸點采用了延時。閃光回路中信號燈WH和電阻R4參數(shù)的選擇是電路設計的難點。

2　實驗裝置的工作原理

該實驗裝置中斷路器的操作可以通過手動控制開關(guān)SA就地操作斷路器的分合，也可以通過上位機控制進行遠方操作斷路器的分合，這樣的操作方式與實際現(xiàn)場的操作完全一致。此外本電路在設計時，增加了就地操作按鈕SB1和SB2，可以方便學生現(xiàn)場操作觀察實驗現(xiàn)象，此操作的的現(xiàn)象和上位機操作現(xiàn)象一致。下面就不同操作的工作原理進行介紹。

1）控制開關(guān)SA操作斷路器手動合閘

將控制開關(guān)SA旋轉(zhuǎn)至預備合閘PC位置，觸點9-10接通，斷路器在跳閘位，跳閘位置繼電器KCT的常開觸點閉合，綠燈GN發(fā)閃光。將控制開關(guān)SA旋轉(zhuǎn)至合閘C位置，觸點5-8和16-13接通，時間繼電器KT3得電，常開觸點延時閉合啟動中間繼電器KC1，其常開觸點啟動合閘接觸器KM1，KM1的常開觸點啟動合閘位置繼電器KCC，其常開觸點使紅燈RD發(fā)平光，表示斷路器在合閘位，完成手動操作，合閘聲音與信號和現(xiàn)場完全一致。

2）上位機操作斷路器自動合閘

自動裝置動作使斷路器合閘或繼電保護動作使斷路器跳閘時，為了引起運行人員注意，普遍采用指示燈閃光的辦法。其電路采用“不對應”原理設計。所謂不對應是指控制開關(guān)SA的位置與斷路器位置不一致。此實驗裝置的上位機操作自動合閘電路就采用不對應原理設計的。上位機操作（或按下SB1按鈕）使時間繼電器KT1得電，其常開觸點延時閉合啟動中間繼電器KC1，KC1常開觸點閉合啟動合閘接觸器KM1，KM1的常開觸點啟動合閘位置繼電器KCC，KCC其常開觸點閉合，手動控制開關(guān)在跳閘后TD位使觸點14-15接通，紅燈RD發(fā)閃光，表示斷路器在合閘位，此時控制開關(guān)SA的跳閘后TD位置與斷路器合閘位置不一致，故紅燈發(fā)閃光。

控制開關(guān)SA操作斷路器手動跳閘和上位機操作斷路器自動跳閘，其操作過程和原理與合閘類似，不同之處是斷路器事故跳閘時伴隨有音響信號，即警鈴響，引起值班人員的注意。

3　實驗裝置可完成的實驗

1）中間繼電器、時間繼電器的特性實驗，接觸器的特性實驗。

2）斷路器的手動分合閘實驗

（1）手動合閘

將控制開關(guān)SA置于“預備合閘”，綠燈閃光。將控制開關(guān)SA置于“合閘”，斷路器合閘，控制開關(guān)SA自動復歸值“合閘后”位置，紅燈發(fā)平光。

（2）手動跳閘

將控制開關(guān)SA置于“預備跳閘”，紅燈閃光。將控制開關(guān)SA置于“跳閘”，斷路器跳閘，控制開關(guān)SA自動復歸值“跳閘后”位置，綠燈發(fā)平光。

3）斷路器的自動分合閘實驗

（1）自動合閘

當自動裝置動作時，斷路器合閘，控制開關(guān)SA仍為“跳閘后”位置，紅燈閃光。

（2）自動跳閘

當繼電保護動作時，斷路器跳閘，控制開關(guān)SA仍為“合閘后”位置，綠燈閃光。

4）閃光電源實驗

按下實驗按鈕SB3，信號燈WH閃光。

4　實驗裝置的創(chuàng)新點和調(diào)試過程中遇到的問題

該裝置有兩個創(chuàng)新點，其一是現(xiàn)場的斷路器控制回路的電源均為直流220V，而該實驗裝置電源設計的是弱電的直流48V，保證了設備和學生的人身安全。其二是在沒有高壓開關(guān)柜的情況下用繼電器和接觸器等元器件設計了斷路器的控制回路，實現(xiàn)了斷路器的操作功能和實驗。

電路設計完成后，在安裝調(diào)試的過程中，首先進行部分電路調(diào)試，各部分電路調(diào)試正確之后再進行整體電路調(diào)試。在安裝調(diào)試的過程中，信號燈的選擇是難點。以閃光回路為例，首先選擇是LED信號燈，由于阻值太大，閃光回路無法啟動，信號燈不亮。于是需要找阻值小，直流電壓為48V以下的信號燈，最后選用的信號燈為直流24V，10 W的車燈，R5為100 Ω的可調(diào)電阻，可以根據(jù)燈的亮度來調(diào)整阻值，所有信號燈的回路正常啟動。

5　結(jié)論

本實驗裝置經(jīng)歷了設計、安裝、調(diào)試等過程，現(xiàn)已投入教學使用。通過實踐檢驗，該實驗裝置操作安全，現(xiàn)象逼真，使電氣類學生能理論聯(lián)系實際，提高了實際動手能力和實踐教學質(zhì)量，達到預期的效果。

參考文獻：

［1］35kV綜合自動化變電站仿真系統(tǒng)——用戶指南.武漢華勝電力科技有限公司.

［2］鄒寶欽.仿真變電站在變電運行人員培訓中的應用.福建電力培訓中心.

［3］河北省電力公司.35～110V變電站仿真培訓教材［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［4］李梅蘭.變電站仿真實訓設計思想和運行效果［J］.中國電力教育，2009，23：146-147.

［5］何永華.發(fā)電廠及變電站的二次回路［M］.北京：中國電力出版社，2007.

Design of Simulation Device of Circuit Breaker Control Loop at Weak Current

Ren Tinghui1， Chen Xueliang2
（1.Tanjin Natural Gas Company Limited，Tianjin 300457，China； 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract：Aimed at the current situation of the lack of the secondary loop simulation experimental device of the substation in the domestic university，a simulation device of the circuit breaker control loop is developed.The power supply of the simulation device is 48V，which is composed of various relay and contactor，It can simulate the control operation and observe the action phenomenon，meet the needs of students actual operation，and improve the practical operation skills of the students.

Keywords：weak current； breaker； control loop； simulation device

中圖分類號：TM561

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0078-03

收稿日期：2015-12-23

基金項目：山東省科研項目編號J11LG81

作者簡介：任婷會（1973-），女，碩士研究生，講師。研究方向：主要從事電力系統(tǒng)中電氣設備、二次回路和繼電保護方面的研究，重點研究微機保護和上位機監(jiān)控系統(tǒng)。