断路器、隔离开关的控制及操作回路设计

三、断路器、隔离开关的控制及操作回路设计目前断路器、隔离开关与二次系统的控制操作命令的实现主要通过操作箱或操作继电器屏实现，国内比较普遍采用操作箱实现跳闸回路自保持、发出断路器、隔离开关跳合闸命令、完成对断路器、隔离开关电气防跳功能，及手动操作断路器、隔离开关的控制功能。3.1断路器、隔离开关的配置原则与规范3.1.1断路器控制回路的设计原则在变电站内，断路器的控制类型按控制方式对断路器控制可分为一对一控制盒一对N控制的选线方式。一对一般使用于重要且操作机会少的设备，如调相机。变压器等。一对N的选线控制是利用一个控制开关，通过控制多台断路器，一般适用于馈线较多，接线和要求基本相同的高压和厂用馈线。按其操作电源的不同，断路器的控制又可分为强电控制和弱电控制。强电控制电压为110V或220V，弱电控制电压为48V及以下。对于强电控制，按其控制地点可分为远方控制和就地控制。就地控制一般适用于不重要设备。远方控制是在几十米至几百米的主控制室的主控制屏（台）上，装设能发出跳、合闸命令的控制开关或按钮，一般适用于重要设备。根据DL/T5136-2001《火力发电厂、变电所二次接线设计技术规定》，断路器在控制回路时应满足一下要求：（1)应有对控制电源的监视回路；（2)应经常监视断路器跳闸、合闸回路的完好性；（3)应有防止断路器“跳跃”的电气闭锁装置；（4)跳闸、合闸命令应保持足够长的时间，并且当跳闸或合闸完成后，命令脉冲应能自动解除；（5)对断路器的合闸、跳闸状态，应有明显的位置信号，故障自动跳闸、自动合闸时，应有明显的动作信号；（6)断路器的操作动力消失或不足时，应闭锁断路器的动作并发信号。3.1.2隔离开关控制回路的设计原则隔离开关的控制分就地控制和远方控制两种。110KV及以下的隔离开关一般采用就地控制；220KV及以上的隔离开关既可以采用就地控制，也可采用远方控制。根据DL/T5136-2011《火力发电厂、变电所二次接线设计技术规定》隔离开关控制回路应满足一下要求：（1）由于隔离开关没有灭弧机构，不允许用来切断和接通负载电流，因此控制回路必须受相应断路器的闭锁，以保证断路器在合闸状态下，不能操作隔离开关，闭锁装置应实现“五防”功能。（2）为防止带接地合闸，控制回路必须受接地刀闸的闭锁，以保证接地刀闸在合闸状态下，不能操作隔离开关。（3）操作脉冲应是短时的，完成操作后，应能自动解除。（4）隔离开关应有所处状态的位置信号。3.2断路器、隔离开关的控制及操作回路设计3.2.1智能操作箱的选择智能控制技术的发展将意味着变电站二次系统全数字化实现的可能，整个变电站信息的应用实现“可控、在控”；并具备实现过程层和间隔层总线集成应用的可能。利用在操作箱或操作继电器屏上实现的功能完全可以分解到不同的应用环节中，可以有效的简化二次回路，实现断路器操作、隔离开关操作的就地化。PCS-222C智能操作箱是用于110kV及以下电压等级数字化变电站开关或者主变间隔的智能终端。它支持实时GOOSE通信，通过与保护和测控等装置相配合能够实现对断路器、刀闸的分合操作，同时能够就地采集断路器、刀闸等一次设备的开关量信号，满足GOOS点对点直跳的需求。在此设计中操作回路的设计选用南瑞PCS-222C智能操作智能保护测控装置。如图3.1装置硬件框图所示。3.2.2PCS-222C-I智能操作箱功能及特点接收保护和测控装置通过GOOSE网下发的断路器或刀闸的分、合及闭锁命令，然后转换成相应的继电器硬接点输出。对于断路器操作，需要将其分、合闸输出接点再接入装置本身的操作回路插件，由该插件来实现断路器跳合闸电流自保持、防跳以及压力闭锁等功能。装置同时能够就地采集断路器、刀闸以及变压器本体等一次设备的开关量状态，并通过GOOSE网络上送给保护和测控装置。主要功能如下：1）断路器跳合闸装置具有一组TJQ跳闸出口、TJR跳闸出口以及重合闸出口，其中TJQ为不闭锁的跳闸出口，TJR为闭锁重合闸的跳闸出口。2）遥控输入装置具有33路开出，除断路器跳、合闸及闭锁出口外，还具有4把隔刀、4把地刀的遥控分。合及闭锁24付出口接点。装置能接收测控发来的各种GOOSE命令，然后驱动相应的出口继电器动作，将其GOOSE命令转换成硬接点输出。GOOSE命令包括断路器分合闸、隔刀和地刀的分合闸及闭锁控制命令。3）遥信输入遥信输入电压为110V/220V，采用无源接点输入，经光耦隔离。该装置具有54路开入，能够就地采集断路器位置、刀闸位置、断路器机构和主变本体信号等开关量，并通过GOOSE网上送给相应的保护和测控装置。4）其他接口装置具有2个独立的光纤GOOSE通讯接口，支持基于新一代变电站通讯标准IEC61850的实时GOOSE通信，还具有一个用调试的RS-232接口。装置具有1个光纤IRIG-B时间输入对时接口，采用常有光工作方式，多模ST型接头。3.2.3PCS-222C装置的硬件构成PCS-222C只能能操作箱采用4U标准机箱，由电源插件、DSP插件？智能开入插件、智能开出插件和操作回路插件组成。DSP插件负责GOOSE通信和装置运行的管理；智能开入插件能够采集断路器、刀闸等一次设备的开关量信息，然后通过DSP插件发送给保护和测控装置；智能开出插件能根据保护和测控装置通过GOOSE网送来的分、合闸命令驱动相应的出口继电器动作，并且出口继电器经DSP启动控制，保证其动作的可靠性；智能开出插件的跳、合闸出口接点连接至操作回路插件，由操作回路插件完成跳、合闸电流自保持功能，从而作于断路器和隔离开关。1）DSP插件DSP插件即装置的GOOSE插件，由高性能嵌入式DSP处理器、现场可编程门列阵（FPGA）、以太网控制器及其他外设组成。主要实现装置管理、跳合闸逻辑、GOOSE通讯、事件记录等功能。DSP插件通过CAN总线与装置内其他插件实现数据交换，通过RS-232总线实现显示和调试数据通信。该插件具有两组光纤以太网接口，可以实现双网的实时GOOSE通信，负责与保护和测控装置进行数据交换，，一方面接收保护和测控装置的动作命令进行解析处理，另一方面可以讲开入插件采集到的一次设备状态量信号通过GOOSE报文传送给保护测控装置。插件上方6个LED指示灯用于显示GOOSE通信状态；下面是两组光纤GOOSE网络接口，RX是接收端，TX是发送端，在此采用ST型接头；GOOSE网口下方有一个开口，开口内侧有一个温湿度传感器，能够测量环境温度和湿度。最下方是一个光纤IRIG-B对时接口，采用常有光工作方式，ST型接头。2）智能开入插件装置有三块智能开入插件用于采集断路器位置、刀闸位置以及断路器本体信号在内的一次设备的状态量信号，每块插件可提供18路开入量，然后通过内部CAN总线送给DSP插件，然后通过智能开入插件可以把间隔内所有的开关量信号进行就地集中采集，然后通过GOOSE网上送给保护和测控装置；该插件中的工作电压均为直流220V。由于采用了A/D采样的方式来检测开入电压，因此当开入电压＜额定工作电压的60%时，开入保证为0，当开入电压＞额定工作电压的70%时，开入保证为1。NR1504插件还能够给每个开入变位信号打上准确的时标，记录下变位的时刻，误差≤1ms，该时标可以随变位信号一起通过GOOSE送给测控装置。光耦电源为装置电源，用作正常运行开关量的供电电源，其正端接外部无源开入接点的一端，同时电源正需直接接入本板401端子以便让装置监视其是否正常，电源负应与422端子直接相连。401端子定义为光耦电源监视开入，状态为“1”，表示装置光耦电源正常，状态为“0”，表示装置光耦电源异常。402端子是投检修输入，一般在屏上装设“投检修态”压板，在装置检修时，将该压板投上，在此期间进行试验的动作报告带有检修标志；运行时应将该压板退出。403端子是信号复归输入，用于复归装置面板的跳、合闸LED指示灯，一般在屏上装设信号复归按钮。404端子是KKJ输入，取自于操作回路插件输出的合后KK位置信号，送给保护装置。405和406端子是跳位和合位监视输入，分别取自于操作回路插件输出的TWJ和HWJ信号，送给保护装置。409和410端子是跳闸压力低和合闸压力低输入，分别取自于操作回路插件输出的TYJ和HYJ信号，送给保护装置。411和412端子是取自断路器辅助触点的分位和合位监视输入，送给测控装置作事件记录。413～414端子分别是取自第1把隔离刀闸辅助触点的分位和合位监视输入，送给其保护和测控装置。416～417端子分别是取自第2把隔离刀闸辅助触点的分位和合位监视输入，送给其保护和测控装置。418～419端子分别是取自第3把隔离刀闸辅助触点的分位和合位监视输入，送给其保护和测控装置。420～421端子分别是取自第4把隔离刀闸辅助触点的分位和合位监视输入，送给其保护和测控装置。在三块插件中，其中后两块插件一个提供了28路的冗余开入可用于采集断路器机构或主变本体的其他状态信号。3）智能开出插件智能开出插件，提供33路无源空接点开出。它们通过内部CAN总线接收DSP插件送来的动作命令，然后驱动相应的出口继电器动作，并且出口继电器的正电源经DSP启动闭锁。输出信号重合闸的保护跳闸端子：TJQ、TJQ’；闭锁重合闸的保护跳闸端子为：TJR、TJR’；保护重合闸的端子为：重合闸、重合闸。上述每种类型的断路器跳、合闸出口均给出了完全相同的两付接点，它们在装置内部是由同一个信号驱动的，其中一付接点接至操作回路插件以驱动相应的跳、合闸回路，另一付接点可引至本装置的开入端，用作返校接点，即把它当作开入量采集，并通过GOOSE上送给测控装置和后台，以便运行人员检查智能操作箱的出口是否正确动作。余下的端子均为遥控输出接点，包括断路器、4把隔离刀闸、4把接地刀闸的遥分、遥合和闭锁出口接点，该插件中还提供4路冗余出口。3）电源插件电源插件采用直流220V电压，该插件可以提高电源的稳定性，具有优良的抗干扰性能。电源插件的端子布置如图端子001-003为装置输出的闭锁和报警空接点，001端子为公共端，闭锁为常闭接点，报警为常开接点。端子004-006为另外一组闭锁和报警空接点。端子007、008为24V电源输出端子。端子010、011为电源输入端子，其中010为DC+，011为DC-。输入电源的额定电压为220V和110V自适应，其它电压等级需要特别订货，投运时请检查所提供电源插件的额定输入电压是否与控制电源电压相同。电源插件提供012端子和接地柱用于装置接地。良好接地是装置抗电磁干扰最重要的措施，因此装置投入使用前一定要确保装置良好接地。4）操作回路插件操作回路插件，具有跳合闸电流自保持功能，跳合位监视功能，跳合闸压力闭锁功能，以及防跳功能。装置开入部分直接由操作回路引入合后位置KK、跳合闸位置、合闸压力HYJ和跳闸压力TYJ。图中KKJ为磁保持继电器，合闸时该继电器动作并磁保持，仅手跳该继电器才复归，保护动作或开关偷跳该继电器不复归，因此其输出接点为合后KK位置接点。用本装置的操作回路，就不需要从KK把手取合后KK位置。也适应了无控制屏的无人值守变电站的要求。断路器操作回路中跳合闸直流电流保持回路，可根据现场断路器跳合闸电流大小选择相应的并联电阻（R1’，R2’，跳合电流小于等于4A时可不并）。操作回路插件原理及输出接点如图所示：3.2.4显示说明LED板为一块相对独立的板卡，由LED指示灯和ARM处理器组成，它通过内部总线接收DSP插件的数据完成LED指示灯的显示控制，同时提供一个RS-232调试口，便于调试人员通过PC机下载程序和查看装置运行状态。“运行”灯为绿色，装置正常运行时点亮。“报警”灯为黄色，当发生装置自检异常时点亮。“A网异常”、“B网异常”灯为黄色，这两个灯有两种状态显示：1）常亮——GOOSE网断链或发生网络风暴（1)当GOOSEA网的任一链接断链或发生网络风暴时“A网异常”灯常亮。（2)当GOOSEB网的任一链接断链或发生网络风暴时“B网异常”灯常亮。由于GOOSE断链需要一定的时间进行确认，所以在装置刚上电后要过几秒钟才会