高压断路器的控制和信号回路.docx
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高压断路器的控制和信号回路
高压断路器的控制和信号回路
在常规敞开式开关设备（AIS）,气体绝缘金属封闭开关设备（GIS），550kV（330kV）组合电器（HGIS）中关键部件都是高压断路器，高压断路器的控制回路就是控制（操作）断路器分、合闸的回路。
操作机构有手力式、电磁式、液压式和弹簧储能式。
电磁式操作机构只能采用直流操作电源，手力式和弹簧储能式可交直流两用，但一般采用交流操作电源。
一般高压断路器都有自配电流互感器。
由传统的继电装置或微机保护装置（PLC）对采集的电流量、开关量进行逻辑判断的。
若有两回跳闸路控制，也应分别从直流屏引出两回直流电源，以保证可靠地跳闸。
还要考虑以两侧的隔离开关联动及其闭锁。
若是线路测的高压断路器，还应考虑重合闸的问题。
信号回路是用来指示一次回路运行状态的二次回路。
信号按用途分，有断路器位置信号、事故信号和预告信号等。
断路器位置信号用来显示断路器正常工作的位置状态。
红灯亮，表示断路器处于合闸通电状态；绿灯亮，表示断路器处于分闸断电状态。
事故信号用来显示断路器在事故情况下的工作状态。
红灯闪光，表示断路器自动合闸通电；绿灯闪光，表示断路器自动跳闸断电。
此外，事故信号还有事故音响信号和光字牌等。
预告信号是在一次电路出现不正常状态或发现故障苗头时发出报警信号。
例如电力变压器过负荷或者油浸式变压器轻瓦斯动作时，就发出区别与上述事故音响信号的另一种预告音响信号（用电铃、电笛区别），同时光字牌亮，指示出故障性质和地点，以便值班员及时处理。
对断路器的控制和信号回路有下列主要要求：
1、 应能监视控制回路保护装置（熔断器）及分其分、合闸回路完好性，以保证断路器的正常工作，通常采用灯光监视的方式。
2、 分、合闸操作完成后，应能使命令脉冲解除，即能断开分、合闸的电源。
3、 应能指示断路器正常分、合闸的位置状态，并在自动合闸和自动跳闸时有如前所述的明显指示信号。
通常用红、绿灯的常亮来指示断路器的合闸和分闸的正常位置，而用红、绿灯的闪光来指示断路器的自动合闸和跳闸。
4、 断路器的事故跳闸回路，应按“不对应原理”接线。
当断路器采用手动力操纵机构时，利用手力操动机构的辅助触点与断路器的辅助触点构成“不对应”关系，即操作机构（手柄）在合闸位置而断路器已跳闸时，发出事故跳闸信号。
当断路器采用电磁操动机构时，则利用控制开关的触点与断路器的辅助触点构成“不对应”关系，即控制开关（手柄）在合闸位置而断路器已跳闸时，发出事故跳闸信号。
5、 对有可能出现不正常工作状态或故障的设备，应装设预告信号。
预告信号应能使控制室的中央信号装置发出音响和灯光信号，并能指示故障地点和性质。
通常用电铃做预告音响信号，用电笛事故音响信号。
8.3.2 手力式操作机构断路器的控制回路和信号系统
图7-11是手力式操作的断路器的控制回路和信号回路原理图。
合闸时，推上操作手柄使断路器合闸。
这时断路器的辅助触点QF3-4闭合，红灯RD亮，指示断路器已经合闸通电。
由于有限电阻R2，跳闸线圈YR虽有电流通过，但电流很小，不会跳闸。
红灯RD亮，还表示跳闸回路及控制回路电源的熔断器FU1和
FU2是完好的，即红灯RD同时起着监视跳闸回路完好性的作用。
分闸时，扳下操作手柄使断路器分闸。
这时断路器的辅助触点QF3-4断开，切断跳闸回路，同时辅助触点QF1-2闭合，绿灯GN亮，指示断路器已经分闸断电。
绿灯GN亮，还表示控制回路电源的熔断器FU1和FU2是完好的，即绿灯GN起着监视控制回路完好性的作用。
在正常操作断路器分、合闸时，由于操作机构辅助触点QM与断路器辅助触点QF5-6是同时切换的，所以事故信号回路（信号小母线WS所供的回路）总是断路的，不会错误地发出灯光、音响信号。
当一次电路发生短路故障时，继电保护装置动作，其出口继电器触点KM闭合，接通跳闸回路（QF3-4原已闭合），使断路器跳闸。
随后QF3-4断开，红灯RD灭，并切断YR的电源；同时QF1-2闭合，绿灯GN亮。
这时操动机构的操作手柄虽然然在合闸位置，但其黄色指示牌下掉，表示断路器自动跳闸。
在信号回路中，由于操作手柄仍在合闸位置，其辅助触点QM闭合，而断路器已事故跳闸，QF5-6返回闭合，因此事故信号接通，发出灯光和音响信号。
当值班员得知事故跳闸信号后，可将断路器操作手柄扳下至分闸位置，这时黄色指示牌随之返回，事故灯光、音响信号也随之解除。
控制回路中分别与指示灯GN和RD串联的电阻R1和R2，除了具有限流作用外，还有防止指示灯座短路时造成控制回路短路或断路误跳闸的作用。
8.3.3 电磁式操作机构断路器的控制回路和信号系统
图7-12是采用电磁式操作机构断路器的控制和信号回路原理图。
其操作电源采用图7-5所示的硅整流电容储能的直流系统。
控制开关采用双向自复式并具有保持触点的LW5型万能转换开关，其手柄正常为垂直位置（0°）。
顺时针扳转45°为合闸操作（ON），手松开即自动返回（复位），保持合闸状态。
反时针扳转45°为分闸操作（OFF），手松开也自动返回，保持分闸状态。
图中控制开关SA两侧虚线上打黑点（·）的触点，表示该触点在此接通。
SA两侧的箭头（→），指示SA手柄自动返回的方向。
表7-4是图7-12所示控制开关SA的触点图表，可供读图参考。
表7-4 图7-12所示控制开关SA的触点图表
SA触点编号
1-2
3-4
5-6
7-8
9-10
手柄位置
分闸后
↑
×
合闸操作
↗
×
×
合闸后
↑
×
×
分闸操作
↖
×
×
注：
“×”表示触点接通
合闸时，将控制开关SA的手柄顺时针扳转45°。
这时触点SA1-2接通，合闸接触器KO通电（其中QF1-2原已闭合），其主触点闭合，使电磁合闸线圈YO通电动作，使断路器合闸。
合闸完成后，控制开关SA自动返回，其触点SA1-2断开，切断合闸回路；同时QF3-4闭合，红灯RD亮，指示断路器已经合闸，并监视着跳闸线圈YR回路的完好性。
分闸时，将控制开关SA的手柄反时针扳转45°，这时其触点SA7-8接通，跳闸线圈YR通电（其中QF3-4原已闭合），使断路器分闸。
分闸完成后，控制开关SA自动返回，其触点SA7-8断开，断路器辅助触点QF3-4这时也断开，切断跳闸回路；同时触点SA3-4闭合，QF1-2也闭合，绿灯GN亮，指示断路器已经分闸，并监视着合闸接触器KO回路的完好性。
由于红绿指示灯兼有监视分、合闸回路完好性的作用，长时间运行，耗能较多。
因此为减少操作电源中储能电容器能量的过多消耗，故另设灯光指示小母线WL（+），专用来接入红绿指示灯。
储能电容器的能量只用来供电给控制小母线WC。
当一次电路发生短路故障时，继电保护动作，其出口继电器触点KM闭合，接通跳闸线圈YR回路（其中QF3-4原已闭合），使断路器跳闸。
随后QF3-4断开，使红灯RD消灭，并切断跳闸回路。
同时QF1-2闭合，而SA尚在合闸后位置，其触点SA5-6闭合，从而接通闪光电源小母线WL（+），使绿灯GN闪光，表示断路器已自动跳闸。
由于断路器自动跳闸，SA仍在合闸位置，其触点SA9-10闭合，而断路器却已跳闸，其触点QF5-6返回闭合，因此事故音响回路接通，在绿灯GN闪光的同时，并发出音响信号（电笛响）。
当值班员得知事故跳闸信号后，可将控制开关SA的手柄扳向分闸位置，即反时针扳转45°后松开让其自动返回，使SA的触点与QF的触点恢复对应关系，这时全部事故信号立即解除。
8.3.4 采用弹簧操动机构的断路器控制和信号回路
弹簧机构是利用预先储能的合闸弹簧释放能量，使断路器合闸。
合闸弹簧由交直流两用电动机拖动储能，也可手动储能。
以其能量消耗低,无渗漏,环境适应性强等特点近年来得到了广泛应用,尤其在126kV及以下电压等级的高压断路器中较多,252kV开关中的使用量也在不断增加,550kV开关也早有应用。
图7-13是采用CT7型弹簧操动机构的断路器控制和信号回路原理图，其控制开关采用LW2或LW5型万能转换开关，大家自己分析。
目前常采用的二次回路包含控制回路,信号回路,电机贮能控制回路.电路解决了
1）为了解决调试时的虚假信号问题,可加一个小型断路器将弹簧机构的控制电源单独给出.2）实际上出现上述问题的根本原因是时间继电器K12的工作缺少控制条件两个问题。
电机贮能控制及贮能状态指示信号如图7-14,
KL+,KL-:
直流控制电源;CL+,CL-:
直流操作电源;-SP:
贮能位置开关;-K12:
时间继电器;-SBT3:
手动/电动转换开关;M1:
交直流电机;-KM:
交流接触器;-EL2:
合闸簧已贮能信号灯
其工作原理分析如下.
1.弹簧贮能
给上控制电源和操作电源,如果合闸弹簧处于未贮能状态,则位置开关SP的1,2节点闭合,时间继电器K12带电,那么,K12的常开节点13,14及43,44同时闭合,如果此时电动/手动转换开关SBT3处于电动位置,直流接触器KM线圈就得电,KM的常开节点闭合使电机得电而转动压缩弹簧贮能,同时主控室内"合闸簧正在贮能"的指示灯将亮起提醒运行人员合闸弹簧正在贮能.
2.贮能完毕信号
弹簧贮能到位后,推动位置开关SP转换,其1,2节点断开,K12线圈失电,K12的节点13,14及43,44同时返回,切断电机电源完成贮能过程,"合闸簧正在贮能"的指示灯熄灭;同时SP的1,3节点闭合,"合闸弹簧已贮能"的指示灯"亮起,提醒运行人员可以进行合闸操作.
3.故障报警信号
如果由于某种原因合闸簧在规定的时间内（16~20s）没有完成贮能动作,那么,时间继电器K12的延时开节点56,56将切断电机回路电源,以免电机带电时间过长烧毁,同时K12的延时闭节点67,68将使"贮能超时"指示灯亮起,提醒运行人员弹簧贮能环节出现问题应立即解决.
即使K13线圈带电13,14节点闭合,在贮能控制回路不通或没送电的异常情况下,K12将不会带电,主控室在给上电源KL后,若看不到"合闸簧正在贮能"的指示灯,即可大致判断出问题之所在.如果贮能控制回路接通而电机贮能环节出现问题,则K12经过一定时延后55,56节点断开切断电机电源防止电机带电时间过长烧毁,同时67,68节点闭合给出贮能超时的报警信号.
8.3.5 断路器微机保护装置（智能脱扣器）
ABB,GE，SIEMENS，WestingHouse等世界主要低压断路器生产厂家大量采用微机保护装置，断路器微机保护装置（又称智能脱扣器），用它可取代/升级老的脱扣器，还有的直接安装在断路器内成为一体。
其核心主要由美国URC公司等几家生产，主要功能包括：
过流速断保护，过流保护，接地保护，相序不平衡，事件记录，RS485通讯接口，通讯规约MODBUSRTU，电力参数测量，等等。
采用了断路器微机保护装置的断路器又叫智能型断路器。
智能脱扣器使断路器实现了遥测、遥控、遥信和遥调等功能。
现在智能脱扣器都采用单片机、DSP等微处理器作为逻辑处理的基础，其发展趋势一是功能越来越多，除了传统的脱扣功能外，还有脱扣前报警功能、线路参数检测功能以及试验功能；另外一种趋势是采用现场总线技术，把设备的网络化作为目标。
根据智能脱扣器所要实现的功能，硬件可以分为中央处理单元（微处理器及其外围电路）、采样电路、按键显示电路、通讯电路、执行机构等几个部分。
1．采样电路
采样电路实现的功能是将外部的电流、电压信号经过互感器、滤波、幅值调整环节后送到微处理器A/D采样通道口。
在这些环节要注意以下几个问题。
1）互感器的选择互感器的作用是将线路中幅值很大的电信号线性地转换成可以处理的电信号，其转换的线性和精度将直接影响关键数据的可信度，这些数据是智能脱扣器工作的基础。
常用的电流互感器有铁心和空心两种，铁心型互感器在处理小电流时线性度很好，但大电流时铁心容易饱和，从而出现线性失真，测量范围小；空心型在处理大电流时线性度好，测量范围广，但小电流时易受干扰，也会出现线性失真，测量误差大。
然而智能脱扣器电流测量范围从几百A到几十kA，变化范围很大，要想在整个测量范围内不失线性，最好采用两种类型互感器相互结合的方法。
2）幅值调整环节由于电流的测量范围很大，而微处理器A/D转换参考电压一般很小，我们采用多量程转换的方法，每一种量程中信号送到A/D转换口的幅值最大值都稍小于3.3V，硬件上根据信号幅值大小采用不同的输送通道，当然实现这个功能还要软件上面的判断。
2．中央处理单元
CPU芯片采用CYGNAL公司的C8051，这是一种新型高速集成芯片，拇指盖大小的体积内集成了8路A/D转换通道、温度传感器、32K的FLASH存储器，WATCHDOG监视器、通讯接口和标准的JTAG程序烧写口。
这使控制系统的外围元器件少、电路简单，从而提高了稳定性和抗干扰能力。
3．键盘显示电路
键盘显示电路采用串行接口的7281芯片，该芯片通过外接移位寄存器74HC164，最多可以控制16位数码管或128只独立LED，其驱动输出极性和输出时序均为软件可控，从而可以和各种驱动电路配合。
同时，7281芯片不仅可以控制各显示位闪烁属性和闪烁频率，而且可以最多连接64键的键盘矩阵，键盘为互锁式，内部具有消去抖动功能。
此外，7281芯片采用高速二线接口与CPU通讯，只占用很少的I/O口和CPU时间。
4．执行单元
执行单元采用永磁体的电磁铁，正常工作时在永磁体作用下保持吸合状态，当执行电路接收到CPU发出的脉冲控制信号时，触发达林顿管使线圈通有电流而产生反向磁通，在反力弹簧的作用下铁心打开，带动断路器分断。
5．硬件设备比较容易忽视的问题
CYGNAL51芯片自带内部复位和简单的外部复位电路，这部分复位电路是不容易被忽视的。
但是在实际运行中，由于键盘和显示是由管理芯片7281所控制的，当程序跑飞后，C8051芯片经过外部或内部复位电路可以重新复位运行，但是C8051芯片的复位无法传送到7281芯片，这时显示板上的显示不会刷新，因此要在C8051芯片复位的同时，让7281芯片也进行复位，可行的解决方法是让C8051芯片和7281芯片共用相同的复位源，这样一旦程序死掉，这两种芯片会同时复位。
智能脱扣器的软件设计基于小波分析和FFT的改进算法，小波算法在采样过程中检测到可疑信号点后，由FFT算法进行有效值判断，如果没有超过门槛值，则可疑信号点无效，回到小波算法中继续寻找采样可疑点；如果有效值超过门槛值，则认为可疑点有效，根据保护条件输出相应信号。
其算法的流程图如图7-16所示。
脱扣器的设计难点将体现在:
1电磁兼容性设计;2短路时瞬时动作出口时间的要求;3工作电源的获取及分闸电磁铁的驱动;4软件平台的设计;5适应小型化结构的设计;
随着高性能、低价格芯片的不断涌现，在保留传统设备优点的基础上，智能脱扣器在保护的多样性、判断准确性和抗干扰性、自诊断保护、实时通讯和显示等方面将较大的改进。
智能脱扣器介绍
5／40型智能脱扣器是为我国自行研制的第三代万能式低压断路器DW45和MA40配套的核心测控部件。
主要用于检测断路器母排的电流、电压等基本参数，并根据不同的情况提供相应的保护特性。
保护主电路免受短路、过载、接地（漏电）等故障的危害。
主要技术指标如下：
（1）电流检测精度±2.5%。
（2）短延时延时精度±10%。
（3）长延时延时精度±5%。
（4）接地延时精度±10%。
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