10 kV 供配电实操系统的研制

2013-07-19王永红

实验室研究与探索 2013年1期

王永红

(包头职业技术学院电气工程系，内蒙古包头014030)

0 引言

经过调研、考查，目前高职院校供配电实操设备的现状是:①供配电实操设备无一次元件和企业真实的开关柜;②采用导线在实验台前面的插孔进行接插连线，开关柜布线、走线、捆扎等能力培养无法实现;③购置的教学设备与企业设备完全不同，致使走向工作岗位学生，对职业实境的设备不认识;④有的学校采用仿真软件实现变电站的运行控制，学生建立不起企业实境与真实设备的概念;⑤有的院校采用企业认识实习方式，由于变电所运行中不能实操，开关柜门关闭，不能观看到开关柜里面所有的器件，运行中所有的故障现象也不是想看就能看到的。学生在高压10 kV及以上的变电所，存在一定的危险性，特别是高压运行规程规定，不允许闲杂人员在高压现场逗留、观看或学习。

综上分析，目前高职院校的供配电实操设备不利于职业能力的培养;学校联系10 kV 及以上的变电所认识实习的教学模式根本无法实现。因此，与企业合作，开发、研制用于职业院校专业教学、与企业零对接的供配电系统尤为重要。我院与企业技术人员共同探讨，将供配电系统的读识图、实操、接线与调试、故障排查、运行与维护等能力培养作为研制这套供配电实操系统的出发点，以企业真实设备模型及工作任务作为载体，研制适合职业院校开展实施的一体化教学和企业职工在岗培训的供配电实操系统。

1 10 kV 供配电实操系统组成

10 kV 供配电实操系统是由XGN2-12(Z)高压开关柜、1#中央信号屏、2#10 kVⅠ段进线柜、3#10 kV 出线/母联柜、4#重合闸/PT 柜、5#10 kVⅡ段进线柜、6#低压双电源进线柜、7#无功补偿/馈电柜、过流给定模拟负载柜等组成的。研制的10 kV 供配电实操系统正面与内视图片，如图1、2 所示。

图1 10 kV 供配电实操系统正面图

图2 10 kV 供配电实操系统内视图

2 10 kV 供配电实操系统研制方案

2.1 双电源进线设计

10 kV 供配电实操系统采用双电源进线，用三相交流220 V 模拟变电所10 kV 进线电压。双电源进线引自学校动力电源三相交流380 V，经放置在1#中央信号屏的输出两绕组变压器降压，输出两路220 V 交流电源，一路作为10 kV 模拟电源Ⅰ段进线，由2#10 kVⅠ段进线柜引入;另一路作为10 kV 模拟电源Ⅱ段进线，由5#10 kVⅡ段进线柜引入。高压母线采用仿真母线，要刷上黄、绿、红漆色以识别A、B、C 相序，10 kV 供配电实操系统主接线如图3 所示。

图3 10 kV 供配电实操系统主接线图

2.2 高低压开关柜的选型

XGN2-12(Z)高压开关柜采用工厂普遍使用的、较为先进的柜体，且按照实际尺寸制作，具有“五防”功能，能按照操作规程进行停送电操作。高压开关柜由GN30-12/600 旋转式高压隔离开关组成上下隔离开关，高压真空断路器由ZN63A-12 户内真空断路器组成。2#、3#、4#、5#柜体材料采用普通实训柜材料进行制作，柜型尺寸要按照实际尺寸制作，2#、3#、4#、5#柜的高压断路器和上下高压隔离开关，均由接触器代替，即用模拟开关来代替。高、低压开关柜屏面上应装设带灯按钮，能操作，也能指示高低压断路器、隔离开关或低压刀开关的合闸与跳闸位置，同时能够事故报警。2#、3#、4#、5#开关柜具有停送电操作逻辑鉴别对错功能，有漏电保护措施，使学生实训较为安全。低压开关柜采用抽屉式四路配电输出，检修时，抽屉的开启具有一定操作顺序。为了直观体现整套系统由高压到低压的停送电操作顺序，在第7#开关柜的柜面上相应地用红色的漆线，画出了整套供配电实操系统图，如图1 图片所示。通过操作相应柜面的带灯按钮，来显示操作顺序，以满足现场教学的直观性。

2.3 1#中央信号屏设计

1#中央信号屏实现整套系统运行与故障报警的监视及试验功能，由直流操作电源、事故信号回路、预告信号回路、手动/自动复归、试验连接片、试验按钮等组成的。

1#中央信号屏设计如图3 所示，引自学校动力电源交流380 V，经三相调压器降压，再经三相整流滤波电路板，输出两路直流220 V 电源，一路供XGN2-12(Z)高压开关柜作直流控制电源，另一路作为2#、3#、4#、5#开关柜的直流操作电源。1#中央信号屏面上装设了直流电压表进行监测。

系统还设计了能模拟电网电压升高、降低5%的变化情况，由1#屏的转换开关－5%、UN、+5%三个档位的操作及相应的接触器控制，分别接通电网额定电压UN、升高5%和降低5%电路，通过1#屏电压表显示波动电压值，若把转换开关拨到－5%位置，即给定一个低电压输入，则模拟实际电网电压低于额定电压情况，再将屏面上的电路连接片连到低压闭锁位置，则由2#柜可以完成低电压闭锁保护控制训练项目。

事故信号回路由灯光和音响信号组成的，当2#柜、3#柜、5#柜发生相间短路故障时，继电保护动作，使相应柜的断路器跳闸，从而接通事故冲击继电器、接通电铃音响回路，发出报警信号，相应的光字牌显示不正常运行状态。依据教学需要，系统设置了故障音响的手动和自动复归功能，通过屏面上的电路连接片的不同位置的连接，实现不同功能。若连接片连接到自动复归位置，故障时，则通过时间继电器的延时控制，自动解除故障音响;若连接片连接到手动复归位置，故障时，则通过手动按钮按下，手动解除故障音响。

预告信号回路是由工作/试验按钮、给定信号按钮、冲击继电器、手动复归、自动复归、中间继电器、电笛、光字牌等组成的。将工作/试验转换开关拨到试验位置，通过给定信号按钮按下，来模拟电压互感器二次回路、控制回路断线等不正常情况，从而接通冲击继电器，由电笛发出报警声响，系统也设计了手动和自动复归解除报警方式，设置、操作方式与上述的事故信号回路相同。

2.4 高压进线柜设计

高压进线柜由2#10 kVⅠ段进线柜、5#10 kVⅡ段进线柜组成的。为了体现技术的先进性与实用性，需要把企业多个变电所的多种控制技术，改造、研制在这一套教学系统中，以满足教学任务的丰富性与多样性要求。因此，2#10 kVⅠ段进线柜采用电磁式继电保护控制方式，由电磁式定时限、速断、低电压闭锁等过流保护组成的。屏面上设计有定时限、速断、低压闭锁等电路切换连接片，通过连接片的连接，实现一柜多种控制功能的目的。

5#10 kVⅡ段进线柜采用微机综合保护控制方式，由1#中央信号屏供给直流220V 操作电源，可以实现不同的保护功能，如相间两段式过流、速断、零序等多种满足教学的综合保护。微机综合保护装置型号为WXH-822，能够设置、整定参数，具有良好的自诊断功能，并留有计算机控制接口，便于通信、录波与打印。屏面上还装设了重合闸和遥控连接片，可以实现控制的不同方式;通过转换开关选择就地/远方控制要求。

在2#柜、5#柜屏面的中部位置分别装设有上隔离开关带灯按钮、高压断路器带灯按钮、下隔离开关带灯按钮，2#柜、5#柜的高压断路器和上下隔离开关分别用模拟器件，即接触器来替代，能够实现2#柜、5#柜的停、送电操作，并设计有操作顺序正确、错误闭锁控制，若操作顺序错误，1#中央信号屏报警，方便教学使用。两个柜面上分别装设了电流表，以实现进线电流的监测。

2.5 3#出线/兼母联柜设计

3#柜既作为出线柜，也作为母联柜，其目的是节约研制成本。3#柜是由定时限、定时限与速断、母联断路器的暗备用自投等电路器件组成的。屏面上设置了Ⅰ段进线/Ⅱ段进线工作切换选择开关，母联断路器的暗备用自投转换开关。通过开关的转换，可以实现Ⅰ段、Ⅱ段进线工作电源的选择及备用自投电路的功能选择。屏面上装设了进线电压、电流的监测;母联柜高压断路器、隔离开关的带灯按钮，以实现母联柜的实操训练。

2.6 4#重合闸/PT 柜设计

4#柜是由YO/YO/开口三角绝缘监视、一次重合闸继电器及相关电路组成的。在屏面上设置了重合闸转换开关，将开关选择为重合闸位置，当高压线路发生相间短路瞬时故障时，即由过流给定模拟负载柜人为设置给定短路模拟信号，则3#柜的高压断路器QF32(接触器触点，为模拟的)跳闸，信号继电器发跳闸信号，1#屏发事故报警信号;同时4#柜的一次重合闸继电器动作，自动重合3#柜的高压断路器QF32，使得1#屏的光字牌显示“重合闸”信号，完成一次重合闸控制。

在屏面上还设置了YO/YO/开口三角转换开关，将开关选择为YO/YO/开口三角位置，当高压线路发生单相接地故障时，即由过流给定模拟负载柜人为设置模拟接地故障信号，使4#柜接地信号继电器动作，同时接通1#屏事故报警回路，发出接地报警信号，但QF32 不跳闸。为了判断接地故障相，屏面上还装设了三块监测每一相的相电压表及一块线电压表，通过电压表的示值来判断接地故障相。

2.7 6#低压双电源进线柜设计

低压系统主接线如图4 所示。6#低压双电源进线柜由A 路进线的KLDW1-2000 智能型万能式断路器QF61，刀开关QS61、QS62(接触器替代，为模拟触点)，B 路进线的低压断路器QF62(接触器替代，为模拟触点)，电流互感器TA61 和TA62、备用自投装置等组成的。6#低压双电源进线柜可以实现双电源互为备用自投功能。低压进线电压220 V 模拟实际的380 V。柜面上设计了A 路和B 路合闸、分闸控制按钮及指示灯显示;A 路、B 路电压表监测;三相电流表监测;两路电源投切方式设有自动/手动转换方式。若A 路工作，B路备用，当A 路故障断电，由互为备自投电路控制B 路投入运行，满足现场教学的可操作性与可控制性要求。

图4 低压系统主接线图

2.8 7#无功补偿/馈电柜设计

7#柜采用抽屉式四路输出低压配电柜，设计有两路照明、两路动力配电输出，可以自动和手动无功补偿切换，如图4 所示。7#柜设计有6L2-A 功率因数表、电压表、RVC-6 自动补偿装置控制器、补偿电容板(用模拟电容来替代)、手动/自动转换开关、有功电度表、无功电度表等组成的。补偿电容板的设计是根据配电模拟感性负载的大小计算出来，每个补偿回路的补偿电容计算值为150Var，共有4 个补偿回路组，可以实现手动一组一组投切补偿，同时监控功率因数表的示值，直到功率因数指标达到0.9 以上;也可以选择自动补偿方式，配合自动补偿控制器观测，自动完成补偿回路组的投切任务。7#柜还装设有功电度表、无功电度表，以训练学生电度表的装接能力。

2.9 过流给定模拟负载柜设计

这套系统所有故障是通过过流给定模拟负载柜人为给定的。过流给定模拟负载柜是由九组模拟负载组成的，每组模拟负载由可调电阻器和电抗器串联组成的。调节可调电阻器及电抗器，就可以调节故障电流及改变负载性质，通过拨动过流给定柜六组控制开关，就能实现相间短路动作电流、过负荷电流及单相接地故障电流、正常多路配电电流的给定控制。模拟负载能够模拟感性电动机负载和容性负载，通过三组控制开关的选择及监测装置，能反应出功率因数的变化及欠补偿、过补偿、正常指标补偿的效果。通过过流给定模拟负载柜上装设的长2 m 的三相插头，插入2#、3#、4#、5#、7#柜面下方设置的插座，拨动过流给定模拟负载柜的相应控制开关闭合，从而调节相应开关柜各种故障电流、正常低压配电电流的给定值，实现高压断路器跳闸或报警，实现无功补偿的投切。

3 系统可以提供的实训项目

系统可以提供的综合训练项目有:10 kV 进出线柜接线与调试、10 kV 母联柜接线与调试、10 kV 电压互感器柜接线与调试、中央信号屏接线与调试、微机综合保护柜接线与调试、低压开关柜接线与调试、高压器件运行与维护、低压配电柜接线与检修。

系统可以提供的理实一体化现场教学项目有:高低压器件认识、高压开关柜停送电操作、定时限与速断过流保护控制、单相接地故障绝缘监视控制、自动重合闸控制、重合闸前加速与后加速保护控制、高压线路备用电源自动投入控制、微机综合保护与参数整定、手动与自动无功补偿控制、手动与自动复归中央音响信号控制。

4 结语

研制10 kV 供配电实操系统不仅实现了高低压柜体完全与现场变电所一致，且开关柜二次布线与实际一样，还可以随时停电，查看线路和现场操作，具有漏电保护，系统最高电压为380 V，较为安全，实现了学校设备与企业岗位的零对接，使学生在真实的职业情境中完成各种职业能力的训练，是集安全、可操作、可控制、可显示、可接线与配线为一体的多功能实训教学系统。本项目于2008 年开始，边研制，边使用，边改进，该设备训练使用学生人数为2600 人以上，涉及开设的专业有电气自动化技术、电力系统自动化技术、机电一体化技术等，同时，还为企业在岗职工和周边高职院校骨干教师进行培训。目前，此系统能完成理实一体化教学和综合实训项目，承载着多门专业课程的知识和技能教学点，实训效果显著，对周边其它职业类院校具有一定示范、辐射作用，取得的成效显著。

［1］刘介才.工厂供电［M］.3 版.北京:机械工业出版社，1998.5.

［2］耿毅.工厂企业供电［M］.北京:冶金工业出版社，1985.

［3］苏文成.工厂企业供电［M］.2 版.北京:机械工业出版社，1990.

［4］黄兴权，郭琳.电气设备运行与检修［M］.北京:中国电力出版社，2010.10.

［5］何首贤，葛廷友，姜秀玲.供配电技术［M］. 北京:中国水利水电出版社，2005.2.

［6］行业标准DL408-91，电业安全工作规程［S］. 北京:水利电力出版社，1991.

［7］国家标准GB50060-92，3-110 kV 高压配电装置设计规范［S］. 北京:中国计划出版社，1993.

［8］国家标准GB50062-92，电力装置的继电保护和自动装置设计规范［S］.北京:中国计划出版社，1992.

［9］国家标准GB50053-94，10 kV 及以下变电所设计规范［S］.北京:中国计划出版社，1994.

［10］张俊民，徐国政，线家骊，等.一种永磁操动机构的智能控制与电子驱动装置的研制［J］.高压电器，2003，39(1):27-20.

［11］杨永华，曾辉.型内中心和合金棒温度检测系统的研［J］.实验室研究与探索，2012(1):27-29.

［12］罗新.IPV6 实验环境及实验方案的设计与实现［J］. 实验室科学，2012(1):142-145.