高压馈线二次回路仿真装置的设计及演示

赵义明

(中国石油大学胜利学院，山东东营 257000)

由于电力系统的主要组成部分如发电机和变压器等是严格禁止用于教育培训操作的，使得许多电力实验难以实现。因此，基于电力系统模型的分析方法在电力系统的研究工作中具有十分重要的意义［1］。

目前，国内各类电力专业院校在讲解变电站高压馈线二次回路动作过程时，使用的教具大都是采用工控机和单片机等技术制造而成的。其内部结构复杂，程序烦琐，抗干扰能力差，维修困难［2］。由于国内电力教具市场未见到合适的仿真装置，我们成功设计了一种用于实习教学的高压馈线二次回路仿真综合实验装置。

1 仿真装置总体设计原则

为了在最大限度上与现场的实际情况相符，本仿真实验装置将断路器操作环节、电流保护环节及重合闸环节融为一体，并且通过电路中灯光及音响的配合，演示高压馈线二次回路的正常及故障状态。

我们在电路中设置了控制开关环节，用以实现断路器正常分、合闸操作，该环节主要利用灯光及各种表计的配合来仿真实际系统中对断路器的操作过程。我们在电路中还设置了电流保护环节。当在馈线上发生故障时，设备利用所设计电路能够让电流保护动作跳开断路器切除故障，以此来演示实际系统中断路器与保护的相互配合。此外，我们还设置了自动重合闸环节。该环节能够模拟系统发生故障，保护动作进而重合闸装置启动合上断路器的过程。该环节还能够区分故障的性质。如果是瞬时性故障，则重合闸重合成功，反之若是永久性故障，保护再次动作，重合闸部分不再启动。

为了保证实验人员的人身安全，装置中的瞬时性故障和永久性故障，都是通过人为短接过电流继电器接点来触发其后的保护电路来实现的。该保护装置除了能对高压馈出线的操作及保护等现象进行演示外，还具有较多的扩展功能，如通过给定不同数值的电压量和电流量能够实现对速断保护动作和过电流保护动作，自动装置动作可靠性和灵敏度的测试等试验功能。通过保护试验箱，可以进行二回路保护及自动装置定值整定调试工作，并能实现对二次回路故障分析，查找及实际处理的实操训练功能。

2 电路设计原理图

2.1 仿真数量的构成

仿真装置主要由箱体和电气部件组成，电气部件设置在箱体内。装置包括一个电源部分:交流220V电源经整流桥整流之后变为直流220V电源，给控制母线KM和闪光小母线SM提供直流电源;还有完成不同功能的各种继电器和控制开关KK;连接片和信号灯，电路原理图如图1所示。该装置可模拟演示断路器的手动分合操作、模拟瞬时故障速断保护动作、模拟永久故障过流保护动作及重合闸动作演示。

2.2 模拟断路器手动分合操作过程

1)控制开关置于“跳闸后”位置

图1所示的电路在断路器手动合闸前，控制开关置于“跳闸后”位置，跳闸位置继电器TWJ线圈带电，其常开触点TWJ闭合。由正电源+KM经KK的触点11-10、绿灯LD、电阻和TWJ触点形成通路，绿灯发平光，此时模拟断路器处于跳闸位置。

2)控制开关置于“预备合闸”位置

手动合闸操作时，控制开关KK置于“预备合闸”位置，绿灯LD经KK的触点9-12和TWJ的触点接至闪光小母线+SM上，则绿灯闪光。

图1 高压馈出线二次回路仿真装置原理图

3)控制开关置于“合闸”位置

将KK置于“合闸”位置，其触点5-8接通，正电源经防跳继电器TBJ触点，1ZJ触点和合闸继电器HJ线圈形成通路，使HJ带电，由操作机构使断路器合闸。

4)控制开关置于“合闸后”位置

合闸完成后，控制开关KK自动复归至“合闸后”位置，继电器HJ动作，其接点HJ1闭合。启动中间继电器1ZJ，中间继电器1ZJ动作后其中一对常闭接点1ZJ1断开了合闸继电器HJ线圈与绿灯LD的回路。另一对常开接点1ZJ2接通跳闸继电器TJ的线圈回路，跳闸继电器TJ的线圈与红灯通过KK16-13接点构成回路，此时红灯亮，装置完成了模拟断路器处于合闸位置。

5)控制开关置于“预备跳闸”位置

手动跳闸操作时，控制开关KK置于“预备跳闸”位置，红灯HD经KK的触点14-15、1ZJ的触点和跳闸继电器TJ接至闪光小母线+SM上，于是红灯闪光。

6)控制开关置于“跳闸”位置

将KK置于“跳闸”位置，KK的触点6-7接通，额定电压加在跳闸继电器TJ线圈上，跳闸继电器TJ动作。其常闭接点TJ1断开了中间继电器1ZJ的线圈回路，中间继电器1ZJ返回其常开接点1ZJ2和1ZJ3断开，常闭触点1ZJ1闭合。于是跳闸继电器TJ返回，绿灯亮红灯灭，装置完成了模拟跳闸位置，又回到了跳闸后的原始状态。

2.3 模拟瞬时故障速断保护动作

人为短接速断电流继电器1LJ或2LJ其中的任何一对接点，则+KM电源通过2XJ信号继电器线圈、3LP连接压板、中间继电器ZJ出口继电器线圈与－KM电源构成回路。于是中间继电器ZJ出口继电器动作。其常开接点ZJ1闭合将+KM电源引致33号线跳闸回路，通过1ZJ2接点构成回路起动跳闸继电器TJ，跳闸继电器TJ动作过程如上述装置模拟断路器手动跳闸时完全一致。其常闭接点TJ1断开了中间继电器1ZJ的线圈回路，中间继电器1ZJ返回其常开接点1ZJ2、1ZJ3断开。常闭1ZJ1闭合，跳闸继电器TJ返回，跳位继电器TWJ吸合，绿灯亮红灯灭。

与此同时，跳位继电器TWJ吸合后另一接点TWJ2也闭合将－KM电源引致重合闸继电器ZCH端子7，由于此前KK在合闸后状态其接点21-22已在接通状态。+KM电源已引致重合闸继电器端子8，于是重合闸继电器ZCH内的时间继电器SJ起动。经一定延时后其接点SJ1闭合，使电容器C对重合闸继电器内的小中间继电器ZJ线圈放电。小中间继电器ZJ起动后其串联常开接点ZJ1、ZJ3。同时，闭合并与电流自保持线圈、信号继电器XJ、连接压板QP、TBJ常闭接点、1ZJ1、合闸继电器 HJ线圈构成回路，于是合闸继电器HJ起动吸合。

合闸继电器HJ动作后如上述装置模拟手动合闸过程一致，至此装置完成了模拟瞬时故障速断保护动作跳闸，重合闸重合成功的动作过程。

2.4 模拟永久故障过流保护动作

人为短接过电流继电器3LJ或4LJ其中的任何一对接点，则+KM电源通过3LJ或4LJ常开接点起动过流时间继电器1SJ继电器。1SJ动作后经一定延时其接点1SJ1闭合，+KM电源通过1XJ信号继电器线圈、2LP连接压板、中间继电器ZJ出口继电器线圈与－KM电源构成回路，于是中间继电器ZJ出口继电器动作完成上述跳闸过程。

跳闸后重合闸继电器起动完成重合闸过程，但在重合闸完成重新合闸瞬间，由于是永久性故障过流继电器3LJ或4LJ的常开接点将再次闭合，时间继电器1SJ再次起动。此时1SJ的瞬时接点1SJ2不用等到延时接点1SJ1闭合前早已闭合，而此前重合闸重新合闸时内部小中间继电器接点ZJ4闭合，通过重合闸继电器端子4将“+KM”电源引至后加速继电器JSJ线圈回路。后加速继电器起动后串联在过流时间继电器瞬时接点1SJ2，回路的接点JSJ3是一个通电瞬时闭合，断电延时断开的常开接点。

此时一致处于闭合状态，于是+KM电源通过1SJ2、1LP连接压板、中间继电器ZJ出口继电器线圈与－KM电源构成回路。中间继电器ZJ出口继电器动作再次完成跳闸过程，跳闸后重合闸继电器内电容器C由于充电时间太短达不到小中间继电器ZJ的最低启动电压。此时尽管重合闸继电器内时间继电器再次起动，但小中间继电器ZJ不会起动，装置也就不会进行第二次重合闸。至此完成了模拟永久性故障过流保护动作重合闸重合不成功加速跳闸的动作过程。

另一方面由于KK1、3，19和17接点在合闸后已闭合，此时经跳闸继电器TJ常开接点TJ2接通了中间继电器2ZJ的线圈回路，中间继电器2ZJ动作后常开接点2ZJ1接通了FM蜂鸣器回路。于是，装置给出声、光报警信号。当手动将控制开关把手打到跳闸后状态时，KK1、3，19和17接点断开，蜂鸣器才返回。

3 结论

本文所介绍的变电站高压馈线二次回路仿真装置，将断路器的操作、电流保护的动作及重合闸的动作集中在一起，有着与运行现场完全相同的声、光等信号指示，其原理清晰，操作方便，易于学生学习掌握。而且本设计的仿真装置结构简单，动作可靠，制造成本低，抗干扰性能强。经过在相关实验课中应用，本实验装置取得了较好的教学效果，因而具有较好的推广应用价值。

当然，系统还存在着一些不足，比如模块化设计和功能扩展接口有待进一步提高，这也是我们下一步应继续进行的工作。

［1］ 焦彦军.张新国等.电力系统继电保护通用仿真分析系统的方案设计.电力系统及其自动化学报.2001，13(2):44～46

［2］ 徐祖华，王彦，黄智伟.高校仿真教学的调查与研究.理工高教研究，2002，21(6):94 ～96

［3］ 何永华.发电厂及变电站的二次回路.北京:中国电力出版社，2007，44 ～61