多台变压器联锁关系及柴油发电机起动信号的探讨

2018-12-28齐东明段素政孙人杰

现代建筑电气 2018年11期

关键词：合闸触点断路器

齐东明, 段素政, 孙人杰

(1.中国海诚工程科技股份有限公司, 上海 200031;2.华润电力江苏大区, 江苏宜兴 214200)

0 引言

工程设计中,3台或4台变压器组合时,各主断路器和母联开关之间需设置电气联锁。另外,为提高电源可靠性,会增加柴油发电机作为备用电源。本文分析多台变压器电气联锁关系及实现形式,并对柴油发电机起动信号的拾取进行探讨。

1 3台变压器的联锁关系

1.1 3台变压器的组合

3台变压器的组合形式如图1所示。

图1中,QF1、QF2、QF3分别为3台变压器T1、T2、T3的主开关,QF4、QF5为母联开关。3台变压器平时正常运行,各自负责所带负载的供电。8种运行方式逻辑如表1所示,其中“1”表示合闸,“0”表示分闸[1]。

图1 3台变压器的组合形式

当T1、T2、T3中的1台或2台故障或检修时,5个开关需满足合闸3个的要求。另外,对于QF1、QF2、QF4组合和QF2、QF3、QF5组合,还需满足3个开关不能同时合闸的要求。因此,表1中没有11010、01101、11101等组合。

1.2 联锁关系的简化

表1中逻辑关系可以采用真值表的方法。基于卡诺图和狄摩根定理[2-3],可以将真值表简化为最小表达式,就可将二次回路中复杂的逻辑关系运用数学的方法推导和简化。其中“+”表示或运算,“·”表示与运算,常省略。

表1 8种运行方式逻辑

以表1中各类运行方式为基础,以QF1为输出量,输入量为QF2、QF3、QF4、QF5,进行分析,简化联锁关系。QF1对应的逻辑表达式为F1=F(QF2,QF3,QF4,QF5)。QF1对应的真值如表2所示。

表2中,“0”表示分闸,“1”表示合闸。对于断路器,既要满足5个断路器合闸3个的要求,又要部分满足3个断路器合闸2个的要求,因此有些输入量组合是不被允许的。以QF1为输出量,输入变量QF2、QF3、QF4、QF5对应的0000、0001、0010、0100、1000、1010、1101、1111是无效组合。由于这些未允许的状态不会在涉及代码的应用中出现,可以被当作“无关紧要”项来处理,对输出没有影响。即这些“无关紧要”项可以赋予输出一个1或0,有利于最小表达式的进一步形成。表2及后述类似表格中,对“无关紧要”项用X来表示。

表2中表达输出项和输入项的逻辑关系,在实际应用中还需进一步简化,使用卡诺图是一种简便、有效的方法。4个输入变量的卡诺图布局如图2所示。

卡诺图利用几何位置上的相邻,表示各个最小项之间在逻辑上的相邻性。两个相邻最小项可以合并为一个“与”项并消去一个变量,因此对于卡诺圈越大越好,这样消去的互非变量越多[2-3]。

图2 4个输入变量的卡诺图布局

对于QF1的表达式F1,卡诺图的化简过程(一)如图3所示,表示简化时的各个卡诺圈(如圈k1、圈k2、圈k3)。

图3 卡诺图的化简过程(一)

2 4台变压器的联锁关系

2.1 4台变压器的组合

4台变压器的组合形式如图4所示,QF1、QF2、QF3、QF4分别为4台变压器T1、T2、T3、T4的主开关,QF5、QF6、QF7为母联开关。此时7个开关需满足合闸4个的要求,同时QF1、QF2、QF5这种组合还需满足3个开关不能同时合闸的要求。21种运行方式逻辑如表3所示[4]。

图4 4台变压器的组合形式

2.2 联锁关系的简化

卡诺图的输入变量超过5时,原有的卡诺图已不能表示其中的逻辑关系,需采用降维、奎恩-麦克拉斯基化简法(Q-M法) 、对称合并等方法[2-3]。本文选择对称合并的方法。逻辑函数有6个输入变量时,表达式为F(A、B、C、D、E、F)。多变量时的卡诺图布局如图5所示。多变量逻辑函数最小项合并原则为:使用卡诺圈得出最小项后,再观察是否关于L1、L2、L3、L4、L5、L6轴对称,如果对称,则可以合并。当有多个合并结果时,选择结果最简的合并法[2-3]。

表3 21种运行方式逻辑

图5 多变量时的卡诺图布局

4台变压器组合时,主开关和母联开关共7个,每个开关相对于其他的为6个输入变量。QF1为输出变量时,对应的输入变量为QF2、QF3、QF4、QF5、QF6、QF7。以表3为逻辑基础,QF1的逻辑表达式为F1(QF2,QF3,QF4,QF5,QF6,QF7)。采用类似1.2节的方式,可以列出以QF1为输出对象的真值。

对F1采用卡诺图的化简过程如图6所示。

图6 对F1采用卡诺图的化简过程

同理,可得出QF2、QF3、QF4、QF5、QF6、QF7的对应的表达式F2、F3、F4、F5、F6、F7依次如下:

采用狄摩根定理对上述进行取非运算,如下所示:

3 Multisim软件在逻辑化简中的应用

Multisim是一款适用于板级的模拟/数字电路板的设计和仿真软件,包含电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式等丰富内容[5]。此软件的逻辑变换器功能,可有效快速地将真值表化简为最简的与/或形式。Multisim软件的化简对话框界面如图7所示。

图7 Multisim软件的化简对话框界面

4 变压器联锁逻辑关系的实现形式

以3台变压器的5个开关为例,断路器QF1、QF2、QF3、QF4、QF5对应的常开辅助触点取为QF1-1、QF2-1、QF3-1、QF4-1、QF5-1,对应的常闭辅助触点取为QF1-2、QF2-2、QF3-2、QF4-2、QF5-2。

图8 QF1的合闸逻辑回路和分闸逻辑回路

对于其他断路器的分合闸逻辑回路,使用上述得出的逻辑表达式,采用类似方法均可得出。

在上述分析中,多处用到断路器的常闭和常开触点,但对于断路器的常闭和常开的辅助触点,厂家一般最多做到6闭6开,再考虑到其他用途,断路器自带的辅助触点不够用,可采用双位中间继电器或可编程逻辑控制器(PLC)扩展的方法来弥补[1-4]。

5 多台变压器与柴油发电机结合时起动信号的拾取

5.1 起动信号的拾取

当增加柴油发电机作为备用电源时,柴油发电机的出线可以与所有变压器结合,也可以从逻辑运行表(表1和表3)中综合分析,从而使系统简明清晰。对于3台变压器与柴油发电机的结合,配电系统图(一)如图9所示。自动转换开关装置(ATSE)用于电源之间的切换。有用于末端设备的后端ATSE,也有在配电系统前端进行切换的ATSE。相对于后端ATSE,为便于分析,将图9中QF6和QF7形成的ATSE称之为前端ATSE。

对于后端的ATSE,可分为3种情况。柴油发电机起动信号的来源分析[6-7]如下:

图9配电系统图(一)

第1种情况,后端ATSE的两路来自于T1的母线1和T2的应急母线,则选择QF1和QF2的辅助常闭触点都动作时作为起动信号,两个辅助触点采用逻辑与的方式串联,即T1和T2都失电时起动柴油发电机。

第2种情况,后端ATSE的两路来自于T3的母线3和T2的应急母线,则选择QF3和QF2的辅助常闭触点都动作时作为起动信号,即T3和T2都失电时起动柴油发电机。柴油发电机的起动信号原理图(一)如图10所示。

图10柴油发电机起动信号原理图(一)

图11 柴油发电机起动信号原理图(二)

在柴油发电机起动信号拾取的分析中,如果同时考虑母联情况,将使起动信号来源复杂。以第1种情况为例,虽然T2失电后,T3可以向T2或T1供给电源,但通过母联向相关变压器供电的时间不一定比柴油发电机起动时间短,且柴油发电机起动来源应简单、可靠。如果来源复杂,不利于柴油发电机起动。其他情况的分析前提也与此类似。

对于4台变压器与柴油发电机的结合,配电系统图(二)如图12所示。由于4台变压器之间可以互相供给,对于重要设备的配电形式,为避免系统混乱,对于含有应急母线1的后端ATSE,后端ATSE的另一路引自母线2;对于含有应急母线2的后端ATSE,后端ATSE的另一路引自母线3。

图12 配电系统图(二)

此时,QF2和QF1的辅助常闭触点都动作时可以起动柴油发电机;QF3和QF4的辅助常闭触点都动作时也可以起动柴油发电机,即上述两者任意一组触点接通,都可以起动柴油发电机。发电机起动信号原理图(三)如图13所示。

图13 发电机起动信号原理图(三)

5.2 ATSE远离变压器时的情况

以3台变压器的情况为例,当QF6和QF7形成的前端ATSE离变压器较远时,如前端ATSE在柴油发电机房,且柴油发电机房又离变电所较远,配电系统图(三)如图14所示。与图9相比,由于离变电所较远,增加QF8断路器。

ATSE本身起动柴油发电机的原理,以QF6和

图14 配电系统图(三)

QF7形成的前端ATSE为例,工作原理[8-9]为:当QF6动作(可能为失压、过压或欠压等)后,内部控制器开始动作,经过数次时间间隔延时,完成QF6断开、QF7闭合、发送柴油发电机起动信号等一系列动作,这种方式满足相关规范要求。但由于此方式只取一个节点为信号,会产生误动作。如QF2失电后,QF6也将失电,进而ATSE内部控制器将起动柴油发电机,对于前述5.1节的3种情况来说,无论哪一种情况,后端ATSE的另外一路(来自T1或T2)都是有电的,即在后端ATSE其中一路有电的情况下起动柴油发电机。

如果取自后端ATSE,误动作的原因也类似。且在供电系统复杂时,后端ATSE的数量也较多。对于后端ATSE,动作时应发出信号,及时告知相关人员和控制中心。另外,内部控制器处于连续工作状态,ATSE的大多数故障是控制器故障。

因此,为了避免上述误动作,同时考虑前端ATSE远离变压器等情况。相对于5.1节描述的起动信号的拾取点,此处将QF2的常闭触点用QF6的常闭触点替代,其余保持不变。例如,当后端ATSE的两路既有来自于母线1和应急母线的情况,也有来自于母线3和T2的应急母线时(即5.1节的第3种情况),发电机起动信号原理图(四)如图15所示。