基于继电保护现场测试的实用新型模拟断路器研制

《基于继电保护现场测试的实用新型模拟断路器研制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于继电保护现场测试的实用新型模拟断路器研制（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、中国电机工程学会第十届青年学术会议吉林 - 1 - 基于继电保护现场测试的实用新型模拟断路器研制基于继电保护现场测试的实用新型模拟断路器研制 游步新 1 陈攀1 李杨1 杨浩1 周鼎1 张凌1 （1重庆市电力公司江北供电局 401147） 摘摘 要要 针对供电局生产实际以及目前市场上模拟断路器造价较高这一问题，作者根据实际断路器操作的电流、时间及线 圈励磁状态等问题进行设计， 研制了一种以磁保持继电器为核心的集成电路模拟断路器。 此模拟断路器能代替实际断路器对 操作回路、保护装置进行调试，可解决断路器在整组试验中反复分合闸带来的不便和损坏，多班组无法同步工作，受生产、 运输等因素影响，不能及时

2、交付使用，而影响调试等问题。经多次试验表明，此模拟断路器具有造价低、功耗小、并可与微 机型继电保护测试装置配合使用提高试验工作效率等特点，符合电力系统生产需求。 关键词：关键词：模拟断路器；磁保持；实用新型 1 引言 1 引言 电力系统运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见的同时也是最危险的故障是各种形式 的短路，它严重地危及电网、设备和人身的安全。继电保护装置作为电力系统中“寂静的哨兵” ，就是一 种能在电力系统中电气设备所发生故障或不正常状态时，迅速反应，并动作于断路器断开故障电流或发出 信号的自动装置1。为了保证在电力系统发生故障时保护装置可靠动作，每隔一定时期要对继电保护装置

3、 进行检修2，为验证全回路工作的正确性，必须将继电保护装置与高压断路器联结起来进行“整组传动” 试验。然而，在实际工作中经常遇到高压断路器也在进行检修或试验等其它工作，当对实际断路器进行整 组实验时，与断路器有关的一些工作将被迫中止，从而影响工作效率。使用实际断路器时，断路器现场须 派人看守，看守人员须与调试人员保持通讯通畅，以便断路器有异常时及时处理。另外检验调试人员每次 在对实际断路器进行操作前都要通知看守人员，以保证人身设备安全。如此频繁的联系将耗费大量的时间 和精力，从而降低工作效，继而可能影响检验、调试质量3。特别是在基建工程调试时，继电保护装置已 调试完毕而高压断路器还未安装完毕的

4、情况更是经常发生，使继电保护调试工作受到影响。同时，过于频 繁地操作高压断路器也会影响它的运行寿命，甚至会发生意外损坏。用模拟断路器替代实际断路器对操作 回路、保护装置以及自动装置进行检验、调试具有很明显的好处，不仅能够避免上述种种弊端，而且对检 验、调试工作无任何负面影响8。目前，市场上模拟断路器品种繁多，但大多数都不能与微机型继电保护 测试装置配合使用， 能配合使用的模拟断路器价格又普遍较高， 而且操作及维护需要的专业技术水平较高， 不能适应供电企业生产实际的实用性、可靠性及安全性要求。因此，针对供电企业生产实际，开发一套经 济实用的模拟断路器装置对提高继电保护相关工作的生产效率及安全性具

5、有显著优势。为此本文提出了一 种以磁保持继电器为核心的集成电路模拟断路器。此模拟断路器可与微机型继电保护测试装置配合使用以 检测成套保护装置，且造价低、功耗小、工作可靠，符合电力企业生产需求。 2 高压断路器工作原理和动作过程2 高压断路器工作原理和动作过程 高压断路器通常是直流操作的电磁操动机构， 由合闸回路和跳闸回路组成67， 简化的断路器控制回 路原理图见图1。KK为手动跳合闸开关，KK5-6为手动合闸开关，KK7-8为手动跳闸开关；TJ1，HJ1为继 电保护装置跳、合闸结点；TWJ，HWJ为跳、合闸位置监视继电器，通过其辅助触点TWJ1，HWJ1可分别 接通LD（分位）或HD（合位）监

6、视回路；HQ为合闸线圈，TQ为跳闸线圈，在跳闸回路与合闸回路中还 接入了高压断路器辅助触点QF，QF触点在断路器的操动机构中与断路器的传动轴联动。它有两种触点： 一种为常开触点，其位置与断路器的主触点位置是一致的；另外一种为常闭触点，其位置与断路器主触点 位置相反8。在断路器的合闸回路中引入QF1常闭触点，在未进行合闸操作之前它是闭合的，TWJ励磁， LD亮表示断路器在分位，此时只要将KK开关手柄转至“合闸”位置，其触点5-6接通，合闸线圈HQ中有 电流通过，断路器进行合闸。当断路器合闸过程完成时，与断路器传动轴一起联动的辅助触点QF1立即断 开，自动切断合闸线圈HQ中的电流，断路器辅助触点Q

7、F2闭合，HWJ励磁，HD亮表示断路器在合位。同 理，此时手动操作KK开关手柄将进行分闸。模拟断路器就是要根据实际断路器分、合闸操作时出现的电 流、时间配合及线圈励磁状态等问题进行设计而具备相同的试验效果。 中国电机工程学会第十届青年学术会议吉林 - 2 - 图 1 断路器控制回路图 3 模拟断路器的设计原理 3 模拟断路器的设计原理 断路器模拟装置以磁保持继电器为核心，由集成电路，分、合闸控制，指示电路和场效应管及固态元 件构成，能实现分相跳、 合闸及三相跳闸逻辑控制功能， 从而模拟断路器跳合闸动作且提供一组辅助常开、 常闭接点，具备断路器分、合闸位置指示，反馈功能。模拟断路器的单相（实际装

8、置为三相）设计原理图 如图2所示。 3.1 分合闸线圈电阻等效设计 3.1 分合闸线圈电阻等效设计 断路器都有分、合闸线圈，为了尽量减少分、合闸时间，设计分、合闸线圈时应尽量减少其电抗，而 使其以电阻性为主。所以在模拟断路器中，可以用电阻来代替分、合闸线圈的 电阻。各种实际断路器的 分、合闸线圈的电阻互不相同。因此，所做的模拟断路器如要模拟大多数实际断路器的分、合闸线圈的电 阻，实现起来较为复杂，而且也不能实现全部模拟。考虑到我们的设计方案为模拟断路器，所以只要模拟 电阻电流能够有效驱动磁保持继电器，保证模拟断路器的正常分、合闸，且与大多数继电保护测试装置能 够有效配合使用即可4。经过作者反复

9、试验论证，模拟电阻（如图2中 2 R， 3 R）取110欧姆最为合适。此 时当分、合闸电压为220V时，分、合闸电流为2A，与实际断路器分、合闸电流相当，能够保证磁保持继 电器正常动作，同时也能够避免电流过大而提高对分、合闸电阻，开关元件等耗散功率的要求，在降低模 拟断路器功耗的同时，提高了模拟断路器装置工作的安全性。 图 2 模拟断路器设计原理图 3.2 分、合闸控制电路的设计原理分析3.2 分、合闸控制电路的设计原理分析 实际断路器的分闸过程是：当分闸线圈励磁后，断路器开始分闸，其主触点从合闸位置到分闸位置要 经过一定的时间，在这段时间里，实际断路器中用了一付常开滑行辅助接点，使分闸线圈继

10、续保持励磁状 态以保证断路器的可靠分闸。这付接点在断路器处于合位时就保持接通，在分闸过程中也一直保持在接通 中国电机工程学会第十届青年学术会议吉林 - 3 - 状态，直至主触点到达分闸位置后才断开。 本方案中采用了一种双线圈的磁保持继电器，它有2付桥接点，功能类似于双位置继电器，其接点位 置有2个稳定的状态。从一个状态向另外一个状态转变时，只须使其相对应的线圈短时励磁即可，在状态 转换完后两线圈均可失压，继电器靠内部永磁铁的作用就可将转换后的状态加以保持。使用时我们可将一 线圈定为动合线圈,另一线圈定为动分线圈。动合线圈励磁后，动合接点闭合，动分接点断开；动分线圈动 作后，正好相反。采用此继电

11、器后，模拟断路器具备了记忆功能。即模拟断路器在断电后，下次再接上电 时，能自动恢复到原来的位置状态，这一特点在一定程度上方便了检验、调试人员的工作。此外，采用该 继电器后，只需要在继电器的两线圈上各并联一个一定数值的电容器，就可以控制分、合闸时间。本设计 中因继电器选型的时间配合较好，没有使用并联电容。 断路器在分、合闸过程中，线圈必须一直励磁直到分、合闸动作完成，才能保证断路器的可靠动作。 为了解决这一问题，时间继电器，单片机以及CPLD电路等被大量的应用于模拟断路器的集成电路设计中， 实现起来较为复杂，而且成本过高，不易维护。在本电路中运用FHJ与DL的二次重动，可以巧妙简单地模 拟实际断

12、路器的分合闸过程。以合闸过程为例：当FHJ的动合线圈励磁后直至其动合接点闭合并启动DL使 其常闭接点断开之前，FHJ的动合线圈一直处于励磁状态，直至DL的常闭接点断开后才瞬时切断合闸电流 使FHJ的动合线圈失磁。此时的FHJ早已完成了桥接点的切换过程，其时间配合曲线见图3，图4，图5。分 闸过程中，磁保持继电器的动分接点动作后，DL中间继电器才失去励磁作用，经过DL中间继电器常开接 点的固有延时断开时，磁保持继电器也己完成了分闸过程，即磁保持继电器在分闸过程中，其动分线圈一 直处于励磁状态。 在现有继电保护设备的控制回路中，均设置了分、合闸自保持继电器及防跳继电器。在分、合闸过程 中，自保持继

13、电器动作接通分、合闸回路，形成自保持通路，直到断路器可靠动作后返回，避免了继电保 护设备长时间发出动作脉冲，又保证了断路器的可靠动作。继电保护设备在动作分合断路器时，可能会因 为故障（如设备故障，电源故障等）原因，而造成分闸脉冲与合闸脉冲同时存在的状态，为了保证断路器 及设备安全与电网稳定，还设置了防跳继电器，当分闸脉冲与合闸脉冲同时存在时，切断合闸回路，保证 断路器可靠分闸，保障设备安全及电网安全。鉴于自保持继电器的重要性，在模拟断路器中还应合理设置 分、合闸时间，用以检查操作回路中的电流自保持继电器能否正确动作。继电保护操作回路在设计时均尽 量采用了快速中间继电器，其动作时间一般小于40m

14、s。经过大量试验发现，将分、合闸的时间设置为70ms 是比较合适的。设置分、合闸时间最简单的方法是在磁保持继电器的两线圈上各并联一电容器，反复调整 电容器的大小直到分合闸时间为70ms左右。但目前随着继电器生产技术的提高，各种继电器参数（主要关 心动作时间）都较为准确，在设置分、合闸时间时，也可根据磁保持继电器的动作时间与中间继电器的动 作时间相配合来设置。 图 3 磁保持继电器励磁时间 图 4 磁保持继电器动作时间 中国电机工程学会第十届青年学术会议吉林 - 4 - 图 5 中间继电器动作时间 3.3 直流灭弧及保护回路设计3.3 直流灭弧及保护回路设计 模拟断路器必须能可靠熄灭直流电弧，否

15、则在装置中将有220V，2A的电流长期通过，将造成测试装 置和被试装置的损坏。对于一般的电磁继电器来讲, 由于触点距离较近，且直流电流没有过零点，要熄灭 直流电弧实非易事。本人采用2SKT790NMOS-FET场效应管后, 解决了一般电磁继电器直流灭弧问题。 2SKT790场效应管，耐压500V，额定电流15A，通过试验表明该场效应管是一种理想的开关元件及直流灭 弧元件。 由于场效应管的开关速度极快，达到数百纳秒级。在跳合闸过程中如此快速的关断，将在磁保持继电 器分、合闸线圈中产生很高的反电势，因为电阻器也不可避免地带有电感分量，同样也会产生反电动势， 如不能有效的消除反电动势，将会导致场效应

16、管损坏或降低其使用寿命。为此采用如下的保护回路，见图 6所示。 图6 反电动势保护回路 由上图可见， 当在磁保持线圈以及电阻中产生反电动势时， 该电动势就会通过 6 D或 7 D形成放电通道， 而保护场效应管不受损坏。 4 模拟断路器测试 4 模拟断路器测试 为了全面测试模拟断路器的各项功能，将模拟断路器分别在我局220kV人和，110kV龙兴等变电站与 检修，高压试验班组协同进行了预试定检及保护整组试验测试。试验表明本模拟断路器时间配合良好，动 作逻辑正确，性能可靠，且操作简单。当检修或高压试验班组在一次断路器上进行相关工作时，继电保护 班组不用等待工作结束，就可以利用微机保护测试装置结合继电保护装置及模拟断路器进行整组测试，较 好的实现了多班组协同工作，极大的提高了供电企业工作效率。使用模拟断路器后预试定检及整组试验的 测试时间如表1所示，其测试原理框图见表7所示。 中国电机工程学会第十届青年学术会议吉林 - 5 - 图7 模拟断路器整组试验框图 表 1 整组试验测试时间 日期 工作地点 工作内容 时间 2007 年 2 月 2