断路器的控制回路和信号回路.docx
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断路器的控制回路和信号回路
前言
此次设计的特点是：
对专业知识进行更好的巩固与吸收，我们进行了为期八周
的毕业设计。
通过三年的学习和两次简单的课程设计，为毕业设计打下了坚实的理论基础。
设计题目“
变电站电气主控制系统二次回路设计”，它主要包括断路器的控制和信号回路、断路器控制和信号元件选择、图纸设计及分析、设计原则、相关回路的动作过程分析及设计图纸等几个部分。
通过这次设计巩固了“发电厂及变电站二次回路部分”课程的理论知识并掌握了电气设计基本方法，培养了独立分析和解决问题的能力，提高了工作能力和工程设计的基本技能。
在设计过程中我们不但遇到了不少的难题，同时也发现了自己知识结构的薄弱环节，但在杨志辉老师精心指导和严格要求下圆满的完成此次设计，在这次设计中我们参考了《电力工程电气设计手册2》、《发电厂及变电站二次回路部分》等书籍来完成这次设计，受益匪浅。
摘要
本次设计是
变电站电气主控制系统二次回路设计。
着重培养学生对电力系统的基本设计能力，也特别注重培养对三年来所学的综合应用。
通过本次设计，我学习了设计的基本方法，巩固三年以来学过的知识，培养独立分析，并加深对变电站的理解。
本次设计历时十周，查阅了大量的相关资料，在杨志辉老师的支持与帮助下，现已基本完成。
在此对老师表示忠心的感谢！
本人水平有限，有不足之处请各位老师见谅。
[关键词]断路器的控制和信号元件的选择回路动作过程设计图纸
断路器的控制回路和信号回路
一、概述
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、电磁式和弹簧式。
信号系统是用来指示一次设备运行状态的二次系统。
分断路器位置信号、事故信号和预告信号。
断路器的控制回路和信号系统五点要求：
1、完好性
2、切断分合闸电源
3、指示状态
4、有事故跳闸信号，事故跳闸信号回路应按“不对应原理”接线。
5、有预告信号。
二、断路器控制回路的基本要求
断路器的控制回路应满足下列要求：
1、断路器操作机构中的合、跳闸线圈是按短时通电设计的，故在合、跳闸完成后应自动解除脉冲，切断合、跳闸回路，以防合、跳闸线圈长时间通电。
2、合、跳闸电流脉冲一般应直接作用于断路器的合、跳闸线圈，但对电磁操作机构，合闸线圈电流很大（35～250A左右），须通过合闸接触器接通合闸线圈。
3、无论断路器是否带有机械闭锁，都应具有防止多次合、跳闸的电气防跳措施。
4、断路器既可利用控制开关进行手动跳闸与合闸，有可由继电保护合自动装置自动跳闸与合闸。
5、应能监视控制电源及合、跳闸回路的完好性；应对二次回路短路或过负载进行保护。
6、应有反应断路器状态的位置信号合自动合、跳闸的不同的显示信号。
7、对于采用气压、液压和弹簧操作机构的断路器，应有压力是否正常、弹簧是否拉紧到位的监视回路合闭锁回路。
8、对于分相操作的断路器，应有监视三相位置是否一致的措施。
9、接线应简单可靠，使用电缆芯数应尽量少。
三、电磁式操作机构断路器的控制回路和信号回路
电磁操作机构是靠电磁力进行合闸的机构。
这种机构结构简单，加工方便，运行可靠，是我国断路器应用较普通的一种操作机构。
由于是利用电磁力直接合闸，合闸电流很大，可达几十安至数百安，所以合闸回路不能直接利用控制开关触点接通，必须采用中间接触器（即合闸接触器）
四、弹簧式操作机构断路器的控制回路和信号系统
弹簧操作机构是靠预先储存在弹簧内的位能来进行合闸的机构。
这种机构不需要配备附加设备，弹簧储能时耗用功率小（用1.5kW的电动机储能），因而合闸电流小，合闸回路可直接用控制开关触点接通。
五、液压式操作机构的控制回路和信号系统
液压式操作机构是靠压缩气体（氮气）作为能源，一液压油作为传递媒介来进行合闸的机构。
此种机构所用的高压油预先储存在贮油箱内，用功率小（1.5Kw）的电动机带动油泵运转，将油压入贮油筒内，使预压缩的氮气进一步压缩，从而不仅合闸电流小，合闸回路可直接用控制开关触点接通，而且压力高，传动快，动作准确，出力均匀。
型式
优点
缺点
手动操作机构
1机构简单、造价低
2不需要合闸电源
1不能遥控和自动合闸
2合闸容量小
3就地操作不安全
电磁操作机构
1结构简单，加工容易
2运行经验多
1需要打功率直流电源
2耗费材料多
弹簧操作机构
1要求电源容量小
2交直流电源均可
3暂时失去电源仍能操作一次
1结构较复杂
2零部件加工精度要求高
气动操作机构
1不需要直流电源
2暂时失去电源仍能操作多次
1需要空压设备
2结构笨重
液压操作机构
1不需要直流电源
2失去电源时仍能操作多次
3功率大、动作快、操作平稳
1加工精度要求高
2价格高
通过比较上述操作机构的优缺点，从而选择了使用液压操作机构
图中，M721、M722、M723为同步合闸小母线；M7131为控制回路断线预告小母线；M709、M710为预告信号小母线；SS为同步开关；SA为LW2－Z型控制开关；HL1、HL2、H分别为绿灯、红灯、光字牌；KC1、KC2为三相合闸继电器和三相跳闸继电器，它主要是为了实现三相同时手动合闸或跳闸而增设的；KCF1、KCF2、KCF3为U、V、W三相的放跳继电器；KCC1、KCC2、KCC3、为U、V、W三相的合闸位置继电器；KCT1、KCT2、KCT3为U、V、W三相的跳闸位置继电器；YC1、YC2、YC3及YT1、YT2、YT3为U、V、W三相的合、跳闸线圈；KM1、KM2、KM3为U、V、W三相的直流接触器；KC31、KC32、KC33为U、V、W三相的压力中间继电器；KVP1、KVP2为压力监视继电器；K为综合重合闸装置中的重合出口继电器触点；K1、K2、K3为综合重合闸装置中的分相跳闸继电器触点；K4为综合重合闸装置中的三相跳闸继电器触点；XB为连接片；S1U～S5U、S1V～S5V、S1W～S5W为U、V、W三相的微动开关触点；S6U、S6V、S6W、S7U、S7V、S7W为U、V、W三相的压力表电触点。
微动开关触点及压力表电触点的动作条件如下表所示
表CY3型液压分相操作机构微动开关触点及压力表电触点的动作条件
触点符号
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
动作条件
＜23.5
闭合
＜23
闭合
＜20.1
断开
＜19.1
断开
＜21.6
断开
＜12.7
闭合
＞28.4
闭合
1、断路器的手动控制。
需要在同步条件下才能合闸的断路器，其合闸回路都经同步开关SS的触点加以控制。
当该断路器的同步开关SS在“工作”（即图中的“W”）位置时，其触点1-3，5-7闭合，断路器才有可能合闸。
当同步断路器满足同步条件进行合闸操作时，将控制开关SA置于“合闸”位置，其触点5-8接通，三相合闸继电器KC1的电压线圈经压力检查继电器KVP1的两对常开触点接通电源，KC1得电动作，接在U、V、W三相合闸回路的常开触点KC1均闭合，且每相经KC1的电流线圈（自保持）、防跳继电器的常闭触点、断路器的辅助常闭触点及合闸线圈，形成通路，是断路器三相同时合闸。
三相合闸后，断路器三相辅助常闭触点QFU、QFV、QFW断开，切断三相合闸回路；三相辅助常开触点QFU、QFV、QFW闭合，使三相的合闸位置继电器KCC1、KCC2、KCC3的线圈经压力监视继电器KVP2的常开触点接电源而带电；控制开关自动复归至“合闸后”位置，由正电源（+）经SA的触点16-13、红灯HL2及附加电阻R、合闸位置继电器的三相常开触点KCC1、KCC2、KCC3至负电源（—），形成通路，红灯发平光。
由于液压操作机构的断路器在液压低时，即不允许合闸也不允许跳闸，所以在三相合闸和跳闸回路中串入压力监视继电器的常开触点KVP1和KVP2（使用两对触点并联，以增加可靠性）。
进行断路器跳闸操作时，将控制开关SA置于“跳闸”位置,其触点6-7接通，三相跳闸继电器KC2的电压线圈带电，接在U、V、W三相跳闸回路的常开触点KC2均闭合，且每相经KC2的电流线圈、防跳继电器的电流线圈，断路器的辅助常开触点、跳闸线圈及压力监察继电器的常开触点KVP2，形成通路，使断路器三相同时跳闸。
三相跳闸后，断路器的三相辅助常开触点QFU、QFV、QFW断开，切断三相跳闸回路，三相辅助常开触点QFU、QFV、QFW闭合，使三相的跳闸位置继电器KCT1、KCT2、KCT3线圈带电，控制开关自动复归至“跳闸后”位置，有正电源（+）经SA的触点11-10，绿灯HL1及附加电阻R，跳闸位置继电器的常开触点KCT1或KCT2或KCT3至负电源（—），形成通路，绿灯发平光。
2、断路器的自动控制。
综合重合闸装置要求正常操作采用三相式，单相接地故障则单相跳闸和单相重合；两相接地及相间短路故障则三相跳闸和三相重合。
当发生但相接地故障时，综合重合闸装置中故障相的分相跳闸继电器动作，其触点K1或K2或K3闭合，相应故障相跳闸线圈YT1、YT2、YT3通电，故障相跳闸。
故障相跳闸后，启动重合闸出口中间继电器K，其常开触点闭合，使三相合闸继电器KC1启动，发出三相合闸脉冲。
但在分相合闸回路中，只有故障相的断路器辅助常闭触点QFU或QFV或QFW闭合，因而只有故障相U或V或W自动重合。
若故障为瞬时性故障，则重合闸成功。
若为永久性故障，则接于综合重合闸M或N端子上的保护动作，使综合重合闸中的三相跳闸继电器动作，其常开触点K4闭合，启动三相跳闸继电器KC2，实现断路器三相跳闸。
当发生两相接地、两相短路及三相短路故障时，综合重合闸装置中的三相跳闸继电器动作，其触点K4闭合，启动三相跳闸继电器KC2，实现三相同时跳闸。
同理，三相跳闸后，启动重合闸出口中间继电器K，及三相合闸继电器KC1，实现三相同时重合。
任一相断路器事故跳闸时，该相的跳闸位置继电器都动作，相应的常开触点KCT1或KCT2或KCT3闭合，且与SA的触点1-3、19-17串联，发事故音响信号。
当断路器出现三相位置不一致时，如U相跳闸，V、W两相合闸，则常开触点KCT1、KCT2、KCT3闭合，接通预告信号回路，一方面光字牌H亮，一方面发音响信号。
当控制回路断线时，常闭触点KCT1、KCT2、KCT3闭合，发控制回路断线信号。
3、断路器的液压监视及控制。
当油压低于19.1Mpa时，微动开关触点S4U、S4V、S4W断开，压力监视继电器KVP2线圈失电，其两对常开触点断开，切断跳闸回路；当油压低于20.1Mpa时，微动开关触点S3U、S3V、S3W断开，压力监视继电器KVP1线圈失电，其两对常开触点断开，切断合闸回路。
当油压低于23Mpa时，微动开关触点S2U、S2V、S2W闭合，启动直流接触器KM1、KM2、KM3，三相油泵电动机启动，当油压高至23.5Mpa时，微动开关触点S14U、S1V、S1W断开，切断接触器的自保持回路，三相油泵电动机停止运转。
当油压低于21.6Mpa时，微动开关触点S5U、S5V、S5W断开，对综合重合闸实行闭锁。
当油压升高至28.4Mpa以上或降低至12.7Mpa以下时，高压力表触点S7或低压力表触点S6闭合，启动压力中间继电器KC31、KC32、KC33，其常闭触点断开，切断油泵电动机启动回来，电动机退出运行并发油压异常信号。
六、断路器控制方式
断路器是电力系统中最重要的开关设备，在正常运行时断路器可以接通和切断电气设备的负荷电流，在系统发生故障时则能可靠地切断短路电流。
断路器一般由动触头、静触头、灭弧装置、操动机构及绝缘支架等构成。
为实现断路器的自动控制，在操动机构中还有与断路器的传动轴联动的辅助触头。
断路器的控制方式有多种，分述如下。
1．按控制地点分
断路器的控制方式接控制地点分为集中控制和就地（分散）控制两种。
（1）集中控制。
在主控制室的控制台上，用控制开关或按钮通过控制电缆去接通或断开断路器的跳、合闸线圈，对断路器进行控制。
一般对发电机、主变压器、母线、断路器、厂用变压器35kV以上线路等主要设备都采用集中控制。
（2）就地（分散）控制。
在断路器安装地点（配电现场）就地对断路器进行跳、合闸操作（可电动或手动）。
一般对10kV线路以及厂用电动机等采用就地控制，可大大减少主控制室的占地面积和控制电缆数。
三、控制开关
控制开关又称万能转换开关，是由运行人员手动操作，发出控制命令使断路器进行跳、合闸的装置。
发电厂和变电所常用的控制开关为LW系列自动复位的控制开关，有三种类型：
（1）LW2系列控制开关：
是跳、合闸操作都分两步进行，手柄和触点盒有两个固定位置和两个操作位置的封闭式控制开关。
此种开关常用于火电厂和有人值班的变电所中。
（2）LW1系列控制开关：
是跳、合闸操作只用一步，其手柄和触点只有一个固定位置和两个操作位置的控制开关。
此种开关常用于无人值班的变电所和水电站中。
（3）LWX系列强电小型控制开关：
其跳、合闸为一步进行，近年来在各种集控台的控制和300MW以上机组的分控室中已被广泛应用。
下面以LW2型控制开关为例说明控制开关的结构及作用。
在这次设计中，我选择了LW2型控制开关。
此开关有两个固定位置（垂直和水平）和两个操作位置（由垂直位置再顺时针转45°。
和由水平位置再逆时针转45°）由于具有自由行程，所以控制开关的触点位置共有六种状态，即“预备合闸”、“合闸”、“合闸后”、“预备跳闸”、“跳闸”、“跳闸后”。
操作方法为：
当断路器为断开装态，操作手柄置于“跳闸后”的水平位置，需进行合闸操作时，首先将手柄顺时针旋转45°至“合闸”位置，此时常开触点闭合，发合闸脉冲，断路器合闸后，松开手柄，操作手柄在复位弹簧的作用下，自动返回至“合闸后”的垂直位置，进行跳闸操作时，是将操作手柄从“合闸后”的垂直位置逆时针转90°至“预备跳闸”位置，再继续旋转45°至“跳闸”位置，此时常闭触点打开，发跳闸脉冲。
断路器跳闸后，松开手柄使其自动复归至“跳闸后”的水平位置。
这样，合、跳闸操作分两步进行，可以防止误操作。
2．按控制电源电压分
断路器的控制方式接控制电源电压分为强电控制和弱电控制两种。
（1）强电控制。
从断路器的控制开关到其操作机构的工作电压均为直流110V或220V。
（2）弱电控制。
控制开关的工作电压是弱电（直流48V），而断路器的操动机构的电压是220V。
目前在500kV变电所二次设备分散布置时，在主控室常采用弱电一对一控制。
3．按控制电源的性质分
断路器的控制方式按控制电源的性质可分为直流操作和交流操作（包括整流操作）两种。
直流操作一般采用蓄电池组供电；交流操作一般是由电流互感器、电压互感器或所用变压器提供电源。
4熔断器的选择
（1）熔断器的安秒特性熔断器的动作是靠熔体的熔断来实现的，当电流较大时，熔体熔断所需的时间就较短。
而电流较小时，熔体熔断所需用的时间就较长，甚至不会熔断。
因此对熔体来说，其动作电流和动作时间特性即熔断器的安秒特性，为反时限特性，如图所示。
图熔断器的安秒特性
每一熔体都有一最小熔化电流。
相应于不同的温度，最小熔化电流也不同。
虽然该电流受外界环境的影响，但在实际应用中可以不加考虑。
一般定义熔体的最小熔断电流与熔体的额定电流之比为最小熔化系数，常用熔体的熔化系数大于1.25，也就是说额定电流为10A的熔体在电流12.5A以下时不会熔断。
熔断电流与熔断时间之间的关系如表1-2所示。
从这里可以看出，熔断器只能起到短路保护作用，不能起过载保护作用。
如确需在过载保护中使用，必须降低其使用的额定电流，如8A的熔体用于10A的电路中，作短路保护兼作过载保护用，但此时的过载保护特性并不理想。
表1-2熔断电流与熔断时间之间的关系
（2）熔断器的选择
主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。
对于容量小的电动机和照明支线，常采用熔断器作为过载及短路保护，因而希望熔体的熔化系数适当小些。
通常选用铅锡合金熔体的RQA系列熔断器。
对于较大容量的电动机和照明干线，则应着重考虑短路保护和分断能力。
通常选用具有较高分断能力的RM10和RL1系列的熔断器；当短路电流很大时，宜采用具有限流作用的RT0和RTl2系列的熔断器
熔体的额定电流可按以下方法选择：
1、保护无起动过程的平稳负载如照明线路、电阻、电炉等时，熔体额定电流略大于或等于负荷电路中的额定电流。
2、保护单台长期工作的电机熔体电流可按最大起动电流选取，也可按下式选取：
IRN≥（1.5～2.5）IN
式中IRN--熔体额定电流；IN--电动机额定电流。
如果电动机频繁起动，式中系数可适当加大至3～3.5，具体应根据实际情况而定。
3、保护多台长期工作的电机（供电干线）
IRN≥（1.5～2.5）INmax+ΣIN
INmax-容量最大单台电机的额定电流。
ΣIN其余.电动机额定电流之和。
（3）熔断器的级间配合
为防止发生越级熔断、扩大事故范围，上、下级（即供电干、支线）线路的熔断器间应有良好配合。
选用时，应使上级（供电干线）熔断器的熔体额定电流比下级（供电支线）的大1～2个级差。
常用的熔断器有管式熔断器R1系列、螺旋式熔断器RLl系列、填料封闭式熔断器RT0系列及快速熔断器RSO、RS3系列等。
电缆线的选择
交流电力线指的是配电工程中的低压电力线。
一般选择的依据有以下四种：
1、按机械强度允许的导线最小截面选择
2、按允许温升来选择
3、按经济电流密度选择
4、按允许电压损失选择
通信中常用的主要是低压动力线，因其负荷电流较大，一般应按照发热（温升）条件来选择。
因为如果不加限制的话，导线的绝缘就会随温度升高迅速老化和损坏，严重时会引发电气火灾。
对于220V单相交流电
1、I＝P/220〔P为所带设备功率〕
2、电源线面积S＝I/2.5（mm2）
对于380V三相交流电
1、I=P/（380*Γ3*功率因数）
2、相线截面积S相=I/2.5（mm2）
3、零线截面积S零=1.7×S相
同步系统
众所周知，同步操作（或同步并列）是将同步发电机投入电力系统参加同步并列运行的操作。
同步操作是借助于同步电压和同步装置实现的。
在发电厂和变电站中，通常把反应同步装置和同步电压连接关系的回路称为同步系统。
同步操作是一项很重要的操作，若误操作会造成非同步并列（即步满足并列条件的并列），给电力系统带来及其严重的后果：
可能产生巨大的冲击电流；引起电力系统电压严重下降；可能使电力系统发生震荡甚至瓦解。
而巨大的冲击电流将产生强大的电动力，可能对电气设备造成严重的损坏。
对同步并列的基本要求：
（1）、并列时，冲击电流和冲击力矩不应超过允许值；
（2）、并列后，发电机应能迅速拉入同步。
同步并列的方法：
自同步并列、准同步并列
1、自同步并列
自同步并列，是将待并发电机转速升至接近同步转速时，就把待并发电机投入系统，然后在给发电机加励磁，使发电机自行拉入同步。
自同步并列的特点是并列过程迅速；操作简单，减少了误操作的可能性；易于实现操作过程自动化。
但是，并列时冲击电流较大，会引起电力系统电压暂时降低。
因此有关规程规定：
对于单机容量在100MW以下的汽轮发电机，当最大冲击电力周期分量I步超过额定电力的0.74/x″d倍时，才允许采用自同步并列；对于各种容量的水轮发电机和同步调相机，可采用自同步并列；对两个系统之间的并列则步能采用自同步并列。
2、准同步并列
准同步并列操作是将待并发电机转速升至同步转速后加励磁，当发电机（或待并系统）频率、电压相角、电压大小分别与运行系统频率、电压相角、电压大小接近相同时，把待并发电机（或待并系统）投入系统，即合上相应的断路器。
准同步并列的特点是并列时间较长，还可能由于操作人员失误，发生误动作，而造成非同步并列。
但是由于并列时冲击电流小，不会引起系统电压降低，从而获得广泛的应用。
准同步并列不仅适用于发电机并入系统，而且也适用于两个系统之间的并列，所以变电站都采用准同步并列。
手动准同步并列电路
手动准同步并列有分散手动准同步并列和集中手动准同步并列两种。
上图中，M721、M722、M723为全厂（站）公用同步合闸小母线；M717、M718为全厂公用自动调速小母线；SSM1为手动准同期开关，型号为LW2-H-2，2，2，2，2，2，2，2/F7-8X，SSM为接触手动准同步开关；P为组合式同步表；KY为同步监察继电器；SB为集中同步合闸按钮；SM为集中调速开关；SM1为调速方式选择开关；SM2为分散同步调速开关；M为原动机调速机构伺服电动机。
3、分散手动准同步并列的步骤：
（1）上与待并断路器相关的隔离开关。
（2）检查自动准同步开关SSA1、自同步开关SSA2、解除手动准同步开关SSN及SSM1开关在断开位置。
（3）并断路器的同步开关SS置于“投入（W）”位置，其触点1-3接通，使合
闸小母线M721从控制小母线正极取得正的操作电源。
（4）手动准同步开关SSN1置于“粗略”位置，其触点2-4、6-8、10-12接通，
观察P1、P2表，判别压差、频差是否满足并列条件。
若步满足并列条件时，在待并发电机控制屏上，调整待并发电机的电压；利用分散调速开关SN2调整待并发电机的转速。
当压差、频差都满足并列条件时，停止上述调整。
（5）将SSM1置于“精确”位置，其触点1-3、5-7、9-11、17-19、21-23、29-31
接通。
在同步监察继电器KY处于返回状态时，合闸小母线M722取得征得操作电源。
（6）根据同步表P3的指示，选择合适的超前相角，将控制开关SA置于“合闸
C”位置，其触点5-8接通，即发出了合闸脉冲。
（7）合闸成功后红灯闪光，再将SA置于“合闸后（CD）”位置，使SA与断路
器位置相符，红灯停止而发平光。
（8）将SS、SSM1置于“断开”位置。
4、集中手动准同步并列
所谓集中是指各同步点的并列操作均在集中同步屏上进行，即此屏能对任一台待并发电机进行调整（有的也能调压）和并列操作。
分散手动准同步与集中手动准同步比较有以下特点：
（1）频率和电压的调整均在待并发电机控制屏上进行。
（2）合闸脉冲的发出也是在待并发电机控制屏上进行。
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