高壓饋線二次回路仿真裝置的設計及演示

趙義明

(中國石油大學勝利學院，山東東營 257000)

由于電力系統(tǒng)的主要組成部分如發(fā)電機和變壓器等是嚴格禁止用于教育培訓操作的，使得許多電力實驗難以實現(xiàn)。因此，基于電力系統(tǒng)模型的分析方法在電力系統(tǒng)的研究工作中具有十分重要的意義［1］。

目前，國內各類電力專業(yè)院校在講解變電站高壓饋線二次回路動作過程時，使用的教具大都是采用工控機和單片機等技術制造而成的。其內部結構復雜，程序煩瑣，抗干擾能力差，維修困難［2］。由于國內電力教具市場未見到合適的仿真裝置，我們成功設計了一種用于實習教學的高壓饋線二次回路仿真綜合實驗裝置。

1 仿真裝置總體設計原則

為了在最大限度上與現(xiàn)場的實際情況相符，本仿真實驗裝置將斷路器操作環(huán)節(jié)、電流保護環(huán)節(jié)及重合閘環(huán)節(jié)融為一體，并且通過電路中燈光及音響的配合，演示高壓饋線二次回路的正常及故障狀態(tài)。

我們在電路中設置了控制開關環(huán)節(jié)，用以實現(xiàn)斷路器正常分、合閘操作，該環(huán)節(jié)主要利用燈光及各種表計的配合來仿真實際系統(tǒng)中對斷路器的操作過程。我們在電路中還設置了電流保護環(huán)節(jié)。當在饋線上發(fā)生故障時，設備利用所設計電路能夠讓電流保護動作跳開斷路器切除故障，以此來演示實際系統(tǒng)中斷路器與保護的相互配合。此外，我們還設置了自動重合閘環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)能夠模擬系統(tǒng)發(fā)生故障，保護動作進而重合閘裝置啟動合上斷路器的過程。該環(huán)節(jié)還能夠區(qū)分故障的性質。如果是瞬時性故障，則重合閘重合成功，反之若是永久性故障，保護再次動作，重合閘部分不再啟動。

為了保證實驗人員的人身安全，裝置中的瞬時性故障和永久性故障，都是通過人為短接過電流繼電器接點來觸發(fā)其后的保護電路來實現(xiàn)的。該保護裝置除了能對高壓饋出線的操作及保護等現(xiàn)象進行演示外，還具有較多的擴展功能，如通過給定不同數(shù)值的電壓量和電流量能夠實現(xiàn)對速斷保護動作和過電流保護動作，自動裝置動作可靠性和靈敏度的測試等試驗功能。通過保護試驗箱，可以進行二回路保護及自動裝置定值整定調試工作，并能實現(xiàn)對二次回路故障分析，查找及實際處理的實操訓練功能。

2 電路設計原理圖

2.1 仿真數(shù)量的構成

仿真裝置主要由箱體和電氣部件組成，電氣部件設置在箱體內。裝置包括一個電源部分:交流220V電源經(jīng)整流橋整流之后變?yōu)橹绷?20V電源，給控制母線KM和閃光小母線SM提供直流電源;還有完成不同功能的各種繼電器和控制開關KK;連接片和信號燈，電路原理圖如圖1所示。該裝置可模擬演示斷路器的手動分合操作、模擬瞬時故障速斷保護動作、模擬永久故障過流保護動作及重合閘動作演示。

2.2 模擬斷路器手動分合操作過程

1)控制開關置于“跳閘后”位置

圖1所示的電路在斷路器手動合閘前，控制開關置于“跳閘后”位置，跳閘位置繼電器TWJ線圈帶電，其常開觸點TWJ閉合。由正電源+KM經(jīng)KK的觸點11-10、綠燈LD、電阻和TWJ觸點形成通路，綠燈發(fā)平光，此時模擬斷路器處于跳閘位置。

2)控制開關置于“預備合閘”位置

手動合閘操作時，控制開關KK置于“預備合閘”位置，綠燈LD經(jīng)KK的觸點9-12和TWJ的觸點接至閃光小母線+SM上，則綠燈閃光。

圖1 高壓饋出線二次回路仿真裝置原理圖

3)控制開關置于“合閘”位置

將KK置于“合閘”位置，其觸點5-8接通，正電源經(jīng)防跳繼電器TBJ觸點，1ZJ觸點和合閘繼電器HJ線圈形成通路，使HJ帶電，由操作機構使斷路器合閘。

4)控制開關置于“合閘后”位置

合閘完成后，控制開關KK自動復歸至“合閘后”位置，繼電器HJ動作，其接點HJ1閉合。啟動中間繼電器1ZJ，中間繼電器1ZJ動作后其中一對常閉接點1ZJ1斷開了合閘繼電器HJ線圈與綠燈LD的回路。另一對常開接點1ZJ2接通跳閘繼電器TJ的線圈回路，跳閘繼電器TJ的線圈與紅燈通過KK16-13接點構成回路，此時紅燈亮，裝置完成了模擬斷路器處于合閘位置。

5)控制開關置于“預備跳閘”位置

手動跳閘操作時，控制開關KK置于“預備跳閘”位置，紅燈HD經(jīng)KK的觸點14-15、1ZJ的觸點和跳閘繼電器TJ接至閃光小母線+SM上，于是紅燈閃光。

6)控制開關置于“跳閘”位置

將KK置于“跳閘”位置，KK的觸點6-7接通，額定電壓加在跳閘繼電器TJ線圈上，跳閘繼電器TJ動作。其常閉接點TJ1斷開了中間繼電器1ZJ的線圈回路，中間繼電器1ZJ返回其常開接點1ZJ2和1ZJ3斷開，常閉觸點1ZJ1閉合。于是跳閘繼電器TJ返回，綠燈亮紅燈滅，裝置完成了模擬跳閘位置，又回到了跳閘后的原始狀態(tài)。

2.3 模擬瞬時故障速斷保護動作

人為短接速斷電流繼電器1LJ或2LJ其中的任何一對接點，則+KM電源通過2XJ信號繼電器線圈、3LP連接壓板、中間繼電器ZJ出口繼電器線圈與－KM電源構成回路。于是中間繼電器ZJ出口繼電器動作。其常開接點ZJ1閉合將+KM電源引致33號線跳閘回路，通過1ZJ2接點構成回路起動跳閘繼電器TJ，跳閘繼電器TJ動作過程如上述裝置模擬斷路器手動跳閘時完全一致。其常閉接點TJ1斷開了中間繼電器1ZJ的線圈回路，中間繼電器1ZJ返回其常開接點1ZJ2、1ZJ3斷開。常閉1ZJ1閉合，跳閘繼電器TJ返回，跳位繼電器TWJ吸合，綠燈亮紅燈滅。

與此同時，跳位繼電器TWJ吸合后另一接點TWJ2也閉合將－KM電源引致重合閘繼電器ZCH端子7，由于此前KK在合閘后狀態(tài)其接點21-22已在接通狀態(tài)。+KM電源已引致重合閘繼電器端子8，于是重合閘繼電器ZCH內的時間繼電器SJ起動。經(jīng)一定延時后其接點SJ1閉合，使電容器C對重合閘繼電器內的小中間繼電器ZJ線圈放電。小中間繼電器ZJ起動后其串聯(lián)常開接點ZJ1、ZJ3。同時，閉合并與電流自保持線圈、信號繼電器XJ、連接壓板QP、TBJ常閉接點、1ZJ1、合閘繼電器 HJ線圈構成回路，于是合閘繼電器HJ起動吸合。

合閘繼電器HJ動作后如上述裝置模擬手動合閘過程一致，至此裝置完成了模擬瞬時故障速斷保護動作跳閘，重合閘重合成功的動作過程。

2.4 模擬永久故障過流保護動作

人為短接過電流繼電器3LJ或4LJ其中的任何一對接點，則+KM電源通過3LJ或4LJ常開接點起動過流時間繼電器1SJ繼電器。1SJ動作后經(jīng)一定延時其接點1SJ1閉合，+KM電源通過1XJ信號繼電器線圈、2LP連接壓板、中間繼電器ZJ出口繼電器線圈與－KM電源構成回路，于是中間繼電器ZJ出口繼電器動作完成上述跳閘過程。

跳閘后重合閘繼電器起動完成重合閘過程，但在重合閘完成重新合閘瞬間，由于是永久性故障過流繼電器3LJ或4LJ的常開接點將再次閉合，時間繼電器1SJ再次起動。此時1SJ的瞬時接點1SJ2不用等到延時接點1SJ1閉合前早已閉合，而此前重合閘重新合閘時內部小中間繼電器接點ZJ4閉合，通過重合閘繼電器端子4將“+KM”電源引至后加速繼電器JSJ線圈回路。后加速繼電器起動后串聯(lián)在過流時間繼電器瞬時接點1SJ2，回路的接點JSJ3是一個通電瞬時閉合，斷電延時斷開的常開接點。

此時一致處于閉合狀態(tài)，于是+KM電源通過1SJ2、1LP連接壓板、中間繼電器ZJ出口繼電器線圈與－KM電源構成回路。中間繼電器ZJ出口繼電器動作再次完成跳閘過程，跳閘后重合閘繼電器內電容器C由于充電時間太短達不到小中間繼電器ZJ的最低啟動電壓。此時盡管重合閘繼電器內時間繼電器再次起動，但小中間繼電器ZJ不會起動，裝置也就不會進行第二次重合閘。至此完成了模擬永久性故障過流保護動作重合閘重合不成功加速跳閘的動作過程。

另一方面由于KK1、3，19和17接點在合閘后已閉合，此時經(jīng)跳閘繼電器TJ常開接點TJ2接通了中間繼電器2ZJ的線圈回路，中間繼電器2ZJ動作后常開接點2ZJ1接通了FM蜂鳴器回路。于是，裝置給出聲、光報警信號。當手動將控制開關把手打到跳閘后狀態(tài)時，KK1、3，19和17接點斷開，蜂鳴器才返回。

3 結論

本文所介紹的變電站高壓饋線二次回路仿真裝置，將斷路器的操作、電流保護的動作及重合閘的動作集中在一起，有著與運行現(xiàn)場完全相同的聲、光等信號指示，其原理清晰，操作方便，易于學生學習掌握。而且本設計的仿真裝置結構簡單，動作可靠，制造成本低，抗干擾性能強。經(jīng)過在相關實驗課中應用，本實驗裝置取得了較好的教學效果，因而具有較好的推廣應用價值。

當然，系統(tǒng)還存在著一些不足，比如模塊化設計和功能擴展接口有待進一步提高，這也是我們下一步應繼續(xù)進行的工作。

［1］ 焦彥軍.張新國等.電力系統(tǒng)繼電保護通用仿真分析系統(tǒng)的方案設計.電力系統(tǒng)及其自動化學報.2001，13(2):44～46

［2］ 徐祖華，王彥，黃智偉.高校仿真教學的調查與研究.理工高教研究，2002，21(6):94 ～96

［3］ 何永華.發(fā)電廠及變電站的二次回路.北京:中國電力出版社，2007，44 ～61