任婷会，陈雪亮（.天津液化天然气有限责任公司，天津300457； .武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）



基于弱电的断路器控制回路仿真装置的设计

任婷会1，陈雪亮2
（1.天津液化天然气有限责任公司，天津300457； 2.武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

摘要：针对国内高校教学用的变电站二次回路仿真实验装置缺乏的现状，研发出一套基于弱电的断路器控制回路仿真装置。该仿真装置的电源采用弱电48V，断路器控制回路由各种继电器和接触器构成，可以模拟断路器的控制操作和观察动作现象，满足学生实践操作的需要，有效提高相关专业学生的动手操作技能。

关键词：弱电断路器控制回路仿真装置

0　引言

目前企业对宽口径复合型高级技术人才的需求日益迫切，更看重相关专业大学生的实际动手操作能力，这就要求高校在人才培养方面更加注重学生操作能力的培养。电力系统的特殊性决定了电力系统的事故和异常不能在现场运行设备上进行预演，而对于电气类专业的学生，要想更好地了解事故和异常现象，能理论联系实际，就需要相应的变电站仿真系统和实验装置。因此，基于电力系统仿真实验装置的研究在高校的教学研究工作中具有十分重要的意义。

目前我国生产变电站仿真系统的厂家较多，但各有优缺点，且主要是针对变电站值班员、监控人员、电网调度人员及相关生产管理人员研发的，结构复杂、功能集中强大，不适合高校学生进行实验和操作［1-4］。而该装置是专门针对电气类专业的学生而研发的，能完成《工厂供电》、《发电厂及变电站的二次回路》等专业课的实验。该装置由继电器和接触器等电器元器件组成电路，可实现断路器的就地操作和模拟远方操作，同时以信号的形式显示断路器的工作状态。提高学生的动手操作技能，解决相关专业学生懂理论却无法实践的难题，满足企业注重学生实际动手操作能力的要求。

1　实验装置电路设计

由于高压断路器开关柜价格较高，断路器的控制回路电压是直流220V，直流220V的电源在实验室实现的成本很高。为此采用接触器、时间继电器、中间继电器、各种按钮和信号灯、控制开关等元器件设计了断路器的控制回路［5］，且控制回路电压采用直流48V的弱电电压。该实验装置实现了断路器的基本操作功能，能观察操作现象，学生能更好的理解继电器和接触器的功能，且成本低，弱电的电压等级保证了设备和学生的人身安全。

断路器控制信号电路如图1和图2所示。

图2　断路器控制信号电路（2）

图1和图2中FU1-FU4为熔断器，SB1-SB3为按钮，KT1-KT4为时间继电器，KC1-KC2为中间继电器，KM1-KM2为接触器，SA为断路器的手动控制开关，DX为闪光继电器，GN、RD 和WH分别为绿色、红色和白色信号灯，KCC和KCT分别为合闸位继电器和跳闸位继电器，KCA1为事故启动回路的中间继电器，M100（+）为闪光小母线。

在断路器的控制信号电路的设计中，为了使实验现象更接近实际现场，电路中采用了接触器KM1-KM2，接触器闭合和断开时声音更接近断路器，现象更逼真。 由于不同继电器和接触器的固有动作时间不同，为了确保合闸接触器KM1得电动作时跳闸接触器KM2失电，或跳闸接触器KM2得电动作时合闸接触器KM1失电，时间继电器KT1-KT4的常开触点采用了延时。闪光回路中信号灯WH和电阻R4参数的选择是电路设计的难点。

2　实验装置的工作原理

该实验装置中断路器的操作可以通过手动控制开关SA就地操作断路器的分合，也可以通过上位机控制进行远方操作断路器的分合，这样的操作方式与实际现场的操作完全一致。此外本电路在设计时，增加了就地操作按钮SB1和SB2，可以方便学生现场操作观察实验现象，此操作的的现象和上位机操作现象一致。下面就不同操作的工作原理进行介绍。

1）控制开关SA操作断路器手动合闸

将控制开关SA旋转至预备合闸PC位置，触点9-10接通，断路器在跳闸位，跳闸位置继电器KCT的常开触点闭合，绿灯GN发闪光。将控制开关SA旋转至合闸C位置，触点5-8和16-13接通，时间继电器KT3得电，常开触点延时闭合启动中间继电器KC1，其常开触点启动合闸接触器KM1，KM1的常开触点启动合闸位置继电器KCC，其常开触点使红灯RD发平光，表示断路器在合闸位，完成手动操作，合闸声音与信号和现场完全一致。

2）上位机操作断路器自动合闸

自动装置动作使断路器合闸或继电保护动作使断路器跳闸时，为了引起运行人员注意，普遍采用指示灯闪光的办法。其电路采用“不对应”原理设计。所谓不对应是指控制开关SA的位置与断路器位置不一致。此实验装置的上位机操作自动合闸电路就采用不对应原理设计的。上位机操作（或按下SB1按钮）使时间继电器KT1得电，其常开触点延时闭合启动中间继电器KC1，KC1常开触点闭合启动合闸接触器KM1，KM1的常开触点启动合闸位置继电器KCC，KCC其常开触点闭合，手动控制开关在跳闸后TD位使触点14-15接通，红灯RD发闪光，表示断路器在合闸位，此时控制开关SA的跳闸后TD位置与断路器合闸位置不一致，故红灯发闪光。

控制开关SA操作断路器手动跳闸和上位机操作断路器自动跳闸，其操作过程和原理与合闸类似，不同之处是断路器事故跳闸时伴随有音响信号，即警铃响，引起值班人员的注意。

3　实验装置可完成的实验

1）中间继电器、时间继电器的特性实验，接触器的特性实验。

2）断路器的手动分合闸实验

（1）手动合闸

将控制开关SA置于“预备合闸”，绿灯闪光。将控制开关SA置于“合闸”，断路器合闸，控制开关SA自动复归值“合闸后”位置，红灯发平光。

（2）手动跳闸

将控制开关SA置于“预备跳闸”，红灯闪光。将控制开关SA置于“跳闸”，断路器跳闸，控制开关SA自动复归值“跳闸后”位置，绿灯发平光。

3）断路器的自动分合闸实验

（1）自动合闸

当自动装置动作时，断路器合闸，控制开关SA仍为“跳闸后”位置，红灯闪光。

（2）自动跳闸

当继电保护动作时，断路器跳闸，控制开关SA仍为“合闸后”位置，绿灯闪光。

4）闪光电源实验

按下实验按钮SB3，信号灯WH闪光。

4　实验装置的创新点和调试过程中遇到的问题

该装置有两个创新点，其一是现场的断路器控制回路的电源均为直流220V，而该实验装置电源设计的是弱电的直流48V，保证了设备和学生的人身安全。其二是在没有高压开关柜的情况下用继电器和接触器等元器件设计了断路器的控制回路，实现了断路器的操作功能和实验。

电路设计完成后，在安装调试的过程中，首先进行部分电路调试，各部分电路调试正确之后再进行整体电路调试。在安装调试的过程中，信号灯的选择是难点。以闪光回路为例，首先选择是LED信号灯，由于阻值太大，闪光回路无法启动，信号灯不亮。于是需要找阻值小，直流电压为48V以下的信号灯，最后选用的信号灯为直流24V，10 W的车灯，R5为100 Ω的可调电阻，可以根据灯的亮度来调整阻值，所有信号灯的回路正常启动。

5　结论

本实验装置经历了设计、安装、调试等过程，现已投入教学使用。通过实践检验，该实验装置操作安全，现象逼真，使电气类学生能理论联系实际，提高了实际动手能力和实践教学质量，达到预期的效果。

参考文献：

［1］35kV综合自动化变电站仿真系统——用户指南.武汉华胜电力科技有限公司.

［2］邹宝钦.仿真变电站在变电运行人员培训中的应用.福建电力培训中心.

［3］河北省电力公司.35～110V变电站仿真培训教材［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［4］李梅兰.变电站仿真实训设计思想和运行效果［J］.中国电力教育，2009，23：146-147.

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

Design of Simulation Device of Circuit Breaker Control Loop at Weak Current

Ren Tinghui1， Chen Xueliang2
（1.Tanjin Natural Gas Company Limited，Tianjin 300457，China； 2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract：Aimed at the current situation of the lack of the secondary loop simulation experimental device of the substation in the domestic university，a simulation device of the circuit breaker control loop is developed.The power supply of the simulation device is 48V，which is composed of various relay and contactor，It can simulate the control operation and observe the action phenomenon，meet the needs of students actual operation，and improve the practical operation skills of the students.

Keywords：weak current； breaker； control loop； simulation device

中图分类号：TM561

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0078-03

收稿日期：2015-12-23

基金项目：山东省科研项目编号J11LG81

作者简介：任婷会（1973-），女，硕士研究生，讲师。研究方向：主要从事电力系统中电气设备、二次回路和继电保护方面的研究，重点研究微机保护和上位机监控系统。