用于保护试验中代替真实高压断路器的断路器模拟装置

摘要

本发明公开了用于保护试验中代替真实高压断路器的断路器模拟装置，包括断路器电路，断路器电路包括多个电路结构相同的所述断路器电路包括多个电路结构相同的扩展继电器电路，断路器保护合闸开入接入合闸线圈与控制器合闸开入回路，合闸线圈与控制器合闸开入回路相并联，断路器保护跳闸开入接入分闸线圈与控制器分闸开入回路，分闸线圈与控制器分闸开入回路相并联，每个扩展继电器电路均采用一个继电器作为接点扩展，用于模拟断路器的辅助开关接点，进行分合位置开出；本发明的6路模拟断路器的分合闸时间可以根据需要设定，所模拟的断路器分合闸时间精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够模拟高压断路器状态的模拟装置，特别涉及一种用于保护试验中能 够代替真实高压断路器的断路器模拟装置。

背景技术

当今继电保护试验中由于试验项目较多，断路器要频繁的分合闸，这样会对断路器的使 用寿命造成影响。在变电站改造和新建中，当保护装置已经安装完毕，高压断路器由于供货 等其他的原因未能安装完毕时，会影响到保护试验的进行，影响整个工程的进度。

变电站进线备自投装置，及主变备自投装置投运后，到了试验周期要进行自动投切的保 护试验，由于备自投投切延时需要停电3-5秒钟的时间，就造成变电站短时的失电，影响对 用户的正常供电。长期以来备自投装置未能按照正常的试验周期进行试验，随着运行时间的 增加，经常出现备自投拒动及误动的现象。为解决不停电对备自投装置进行整组保护试验， 为保证正常供电，长期以来大家用普通的继电器来模拟真实的断路器，进行备自投装置的不 停电整组试验，普通继电器启动线圈电阻较大，通常为10-20K欧姆，且固定不可调整，与实 际高压断路器的分合闸线圈的电阻(70-600欧姆)相差较大，当把此启动线圈接于分合闸控 回路时，控制回路回路电流太小，不能检验保护装置开出接点的电流承受能力，保护装置位 置显示也会因电流太小，而且不能对开关分合位进行正确的采集；普通继电器的动作时间通 常为≤20ms，高压断路器的分闸时间通常为＞20ms，合闸时间通常为＞50ms，所以普通继电 器不能很好的模拟高压断路器的分合闸时间，以便对各级保护进行的时间上的配合进行正确 的验证。

现有的少部分厂家生产的断路器模拟装置，功能上不够全面，存在以下缺点：

1、断路器的分合闸时间固定为几个档位，每路断路器的分合闸不能按照需求进行设定， 分合闸电阻可调档位较少；

2、现有电源输入均采用单一的交流电源输入，没有考虑工作时工作现场交流电源不好取 的情况；

3、断路器开出结点的容量较小，分合闸时间及分合闸电阻误差较大，并且价格昂贵，实 用性并不强。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种用于保护试验中代替真实高压断路器的 断路器模拟装置，本发明的目的在于改变现有保护试验中高压断路器频繁的动作对寿命产生 影响的现状，解决因高压断路器未安装完成而无法对保护装置进行试验的问题，解决无法保 证不停电对变电站备自投装置进行整组保护试验的问题，并且解决现有断路器模拟装置功能 不够全面，模拟效果不够好的现状。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

用于保护试验中代替真实高压断路器的断路器模拟装置，包括核心控制器，所述核心控 制器分别与断路器电路、控制电源电路、人机交互装置、分合闸线圈模拟装置和显示面板相 连；

所述断路器电路包括多个电路结构相同的扩展继电器电路，断路器保护合闸开入接入合 闸线圈与控制器合闸开入回路，合闸线圈与控制器合闸开入回路相并联，断路器保护跳闸开 入接入分闸线圈与控制器分闸开入回路，分闸线圈与控制器分闸开入回路相并联，每个扩展 继电器电路均采用一个大功率的继电器作为接点扩展，用于模拟断路器的辅助开关接点，进 行分合位置开出。

所述核心控制器用于实现对各类断路器固有的分合闸时间的模拟，对开入分合闸信号的 逻辑判断的控制；所述核心控制器采用12路开入、6路开出可编程控制器，能实现6路断路器 的模拟。

所述控制电源电路采用开关电源作为控制电源，利用交直流两路电源输入，能够提供可 调直流电输出；

所述人机交互装置采用文本显示器作为人机交互设备，用于设置所模拟的实际断路器的 分合闸时间，并对断路器的分合闸状态实时的进行监控告警；

所述分合闸线圈模拟装置包括一组可分档调节的分闸线圈及一组可分档调节的合闸线 圈；

所述显示面板，用于显示每路模拟断路器的分合位置。

所述扩展继电器电路包括继电器，继电器的常闭接点串接入断路器的合闸回路，继电器 的常开接点串接入断路器的分闸回路，继电器的跳闸端通过跳闸延时模块与跳闸电路相连， 继电器的合闸端通过合闸延时模块与合闸电路相连。

所述跳闸电路包括反向串联的第一二极管及第二二极管，第一二极管的负端与跳闸延时 模块相连，第一二极管的负端与跳闸延时模块之间的线路上与手跳开关相连，第一二极管及 第二二极管之间的线路上与保护跳闸开入关相连，第二二极管还与此扩展继电器的一个常开 接点相连，第二二极管与此扩展继电器的一对常开接点之间的线路上还连接有相串联的分压 电阻及指示灯，用以实时反应此断路器的分闸状态。

所述合闸电路包括反向串联的第三二极管及第四二极管，第三二极管的负端与合闸延时 模块相连，第三二极管的负端与合闸延时模块之间的线路上与手合开关相连，第三二极管及 第四二极管之间的线路上与保护合闸开入相连，第四二极管还与此扩展继电器的一个常闭接 点相连，第四二极管与此扩展继电器的一对常闭接点之间的线路上还连接有相串联的分压电 阻及指示灯，用以实时反应此断路器的合闸状态。

所述控制电源电路包括AC220V交流输入端及从变电站直流系统接入的直流电源端，所述 AC220V交流输入端与DC220V输出开关电源相连，所述AC220V交流输入端还设置有开关，所述 DC220V输出开关电源具有DC0-260V、1.5-30A的可调直流电输出,输出端装有数字直流电压表， 数字电压表的工作电源取自开关电源的进线侧，所述变电站直流系统接入的直流电源端与开 关电源输出的直流电源之间还设置有三工位切换开关。

所述分闸线圈及合闸线圈各自串接了4个CT10A机构的高压断路器的分闸线圈，并接入波 段开关实现5档调节。

所述6路断路器分合闸回路都串接有正向二极管，用以保证每路断路器在单独接到合闸命 令即有分合闸开入时，能保证不让电流通过其他断路器分合闸控制回路，造成误动。

工作原理：本装置利用可编程控制器作为控制核心，实现对断路器的分合闸时间的精确 模拟，对分合闸开入命令的逻辑判断与执行，利用多档可调的真实断路器的分合闸线圈来模 拟断路器的分合闸回路电阻的大小，并利用大功率的继电器的辅助接点代替真实断路器的辅 助接点，进行位置开出，根据保护试验需要，既可以将每路模拟断路器手动置分位，又可以 手动置合位，外接保护跳合闸开入可接入此装置，控制核心经过逻辑判断，并经过延时模块 的延时，实现各路模拟断路器分别跳合闸，并将断路器位置上送，精准模拟真实断路器的动 作过程、动作状态。

利用此装置代替真实的断路器进行线路保护装置试验的过程如下：根据所模拟的真实断 路器的分合闸时间的大小，在文本显示器上对每路断路器的分合闸时间进行设定，在面板上 调整分合闸电阻，以使每路断路器的分合闸电阻接近所模拟的真实断路器的分合闸回路电阻， 按面板上的手动合闸按钮，可以将相应断路器置合闸位置，按分闸按钮，可以将相对应的断 路器置分闸位置。将此装置合闸输入接于保护装置的合闸输开出，跳闸输入接于保护装置的 跳闸开出，将此装置的合位输出接于保护装置的位置开入，将此装置的分位输出接于保护装 置的分位开入，模拟断路器动作后，面般上相对应断路器的指示灯亮起，并且文本显示器也 有相对应断路器分合闸动作告警指示，显示“xx#断路器分闸”、“xx#断路器合闸”，这样便完 成了保护动作、跳合闸成功的整个试验过程，对保护装置进行了校验。利用本装置可以对对 备自投装置的整组进行试验，并能保证一次不停电，也可以对主变差动保护、后备保护等保 护装置进行测试。

本发明的有益效果：

本发明的6路模拟断路器的分合闸时间可以根据需要设定，所模拟的断路器分合闸时间 精度高；用实际高压断路器的分闸线圈作为模拟断路器分合闸线圈，模拟效果真实有效，并 且回路的电阻精度大；工作电源采用交直流双电源输入，并有可调直流电源输出；手分手合 时，分合闸线圈中不通过电流，只有外部跳合闸开入时，线圈中才有电流通过；每路模拟断 路器动作次可达10万次以上，使用寿命长；结构简单，体积较小、成本低廉。

本发明能够模拟真实断路器，代替真实断路器用于对继电保护装置的校验，以减少断路 器由于保护试验中的频繁分合闸而减少断路器的使用寿命；并且可以代替变电站进线断路器， 保证变电站两路进线不停电，对变电站进线备自投装置进行整组保护试验；在变电站新建和 改造时当保护装置已安装完毕，但断路器未安装时，也可以利用此装行保护装置的试验，以 缩短和提前安装工期；利用本装置也可以在变电站直流系统未投用的情况下，使用本装置输 出的直流电源对保护装置装置供电，提前进行试验。

本发明所述的装置适用于电力行业、保护设备生产厂家、科研院所、专业院校，作为继 电保护及自动装置带开关整组系统传动试验时实际替代设备，此设备动作准确、可靠，动作 次数不受限制，能最大限度的模拟真实的断路器，可以大大的提高试验的正确性与完整性。

附图说明

图1a是本发明PC66201型断路器模拟装置原理图；

图1b是本发明PC66201型断路器中每相电路放大图；

图2是本发明PC66201型断路器模拟装置分合闸线圈档位调整图；

图3是本发明PC66201型断路器模拟装置控制电源回路图；

图4是本发明PC66201型断路器模拟装置面板总体外观图；

图5是本发明PC66201型断路器模拟装置内部结构示意图；

图中，1、数字直流电压表，2、220V输出开关电源，3、交流输入，4、可调电压直流输 出，5、直流输入，6、24V输出开关电源，7、文本显示器，8、第一扩展继电器电路，9、第 二扩展继电器电路，10、第三扩展继电器电路，11、第四扩展继电器电路，12、第五扩展继 电器电路，13、第六扩展继电器电路。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明的断路器模拟装置，由控制核心部分，扩展继电器部分、分合闸线圈模拟部分、 控制电源部分、人机交互部分、操作及显示面板几部分组成。

所述控制核心部分，如图5所示的E部分，是用12路输入，6路输出的可编程控制器,又 如图1所示，利用可编程控制器，实现对各类断路器固有的分合闸时间的模拟，对开入分合 闸信号的逻辑判断控制的功能。

可编程控制器对应输入、输出为：

I1：#1断路器合闸命令输入，I2：#1断路器分闸命令输入

I3：#2断路器合闸命令输入，I4：#2断路器分闸命令输入

I5：#3断路器合闸命令输入，I6：#3断路器分闸命令输入

I7：#4断路器合闸命令输入，I8：#4断路器分闸命令输入

I9：#5断路器合闸命令输入，I10：#5断路器分闸命令输入

I11：#6断路器合闸命令输入，I12：#6断路器分闸命令输入

对应的输出接点为：

(成对接点，接点断开为分闸，接点闭合为合闸)

Q1：#1断路器分、合闸

Q2：#1断路器分、合闸

Q3：#1断路器分、合闸

Q4：#1断路器分、合闸

Q5：#1断路器分、合闸

Q6：#1断路器分、合闸

利用可编程控制器编程软件，编写逻辑功能图程序，下载至可编程控制器。

功能图中输入逻辑模块选用非逻辑模块，延时功能模块选用保持接通延时模块，由RS继电器 模块直接输出至开出继电器。可编程控制器为成熟的工业控制设备，可靠性高，抗干扰能力 强，使用寿命长。

具体工作原理描述如下：

此可编程控制器的逻辑功能图程序图中所示逻辑模块选用非逻辑模块,功能模块选用延 时接通模块、RS断路器模块。跳合闸命令由I断接入，进入逻辑功功能模块分析判断，分别 用反相器接入跳合闸命令的目的是对测试台初次上电时状态可以有效地控制,防止模拟断路 器出现随机状态,通过延迟接通中间继电器防止抖动，确保可靠信号才能触发翻转RS双位置 继电器，有效隔离瞬间干扰信号，RS双位置继电器模拟真实断路器，出口送功率原件以确保 跳合闸回路实际功率和阻抗，由O1-O8端口对分合输出。

扩展继电器部分，是图5上的D1-D6部分，分别对应6路断路器。如图1a-1b所示，是 每路模拟断路器都采用一只大功率的直流继电器作为接点扩展，模拟高压断路器的辅助开关 接点，进行分合位置开出。直流继电器型号：JQX-38F，开出接点：三开三闭，触点容量40A /28VDC 40A/240VAC,线圈电压：DC220V，线圈功率：2.5W。每路模拟断路器都由此继电 器提供一对常开接点开出，模拟开关分位，一对常闭接点开出，模拟合位。每路模拟断路器 分闸回路都串入此扩展继电器的一对常开接点，每个断路器合闸回路都串入此扩展继电器的 一对常闭接点，以便分合闸后切断分合闸线圈回路，继电器接点容量足够大，能有效的切除 分合闸产生的直流电弧，保证线圈不会长时间通过电流而烧毁。此继电器电气寿命10万次、 机械寿命1000万次。接点动作时间迅速，在5ms之内。

如图1a所示，扩展继电器包括：第一扩展继电器电路8，对应1路断路器，1路断路器 A相，第二扩展继电器电路9，对应2路断路器，1路断路器B相，第三扩展继电器电路10， 对应3路断路器，1路断路器C相，第四扩展继电器电路11，对应4路断路器，2路断路器A 相，第五扩展继电器电路12，对应5路断路器，2路断路器B相，第六扩展继电器电路13， 对应6路断路器，2路断路器C相。

所述的分合闸线圈模拟部分，是图5的A1-A8部分，A1、A3、A5、A7串接成合闸线圈， A2、A4、A6、A8串接成分闸线圈。分闸与合闸回路各自串接了4个CT10A机构的高压断路 器的分闸线圈，并接入波段开关实现5档调节，每只线圈125Ω。E为可编程控制器，H1-H2 简易集成电路板，D1-D6扩展继电器，C接线端子。

合闸线圈电阻为：

1档：A1＝125Ω

2档：A1+A3＝250Ω

3档：A1+A3+A5＝275Ω

4档：A1+A3+A5+A7＝500Ω

5档：∞Ω。

分闸线圈电阻为：

1档：A2＝125Ω

2档：A2+A4＝250Ω

3档：A2+A4+A6＝275Ω

4档：A2+A4+A6+A8＝500Ω

5档：∞Ω

引入5档(∞Ω)的目的是为了配合保护装置，模拟做控制回路断线的保护试验。在保 护试验时，将档位调整至与被模拟的高压断路器分合闸线圈电阻接近的档位，以便检验保护 装置跳合闸开出接点的电流承受能力。为避免线圈互感，在线圈的位置排列上，使每两只线 圈都有3cm的距离，两分闸线圈之间隔一个合闸线圈再进行串接，并远离可编程控制器及其 他部件，避免电磁干扰。如图2所示，是6路模拟断路器共用一组可调节的分闸线圈、一组 可调节的合闸线圈。每路断路器的分合闸线圈回路都串入二极管，利用二极管的单向导电性， 避免一路外部合闸命令输入时造成其他线路

合闸。手分手合时，分合闸线圈中不通过电流，只有外部跳合闸开入时，线圈中才有电流通 过。

控制电源部分，是如图3所示的控制电源回路部分，包括220V输出开关电源2，220V 输出开关电源2的输入端与交流输入3相连，交流输入与220V输出开关电源2之间还连接有 开关，220V输出开关电源2输入端与可调电压直流输出端4之间还连接有数字直流电压表1， 220V输出开关电源2的输出端还通过三工位切换开关与直流输入端5相连，三工位切换开关 的另一端通过24V输出开关电源6与文本显示器7相连。

控制电源回路部分采用AC220V交流输入DC0-260V 2.2A 500W可调开关电源作为装 置控制电源、工作电源、信号回路电源，在交流电源不便取的时候，还可以从变电站直流系 统接入(+110V、-110V)直流电源，操作面板设有三工位切换开关，方便切换，避免开关电 源变换后的直流电与变电站直流系统的直流电混用，而影响整个变电站的直流系统。500W开 关电源，能够提供0-260V、1.5-30A可调直流电输出，以便于在变电站新建与改造时，当直流 系统还未组建完毕时，由它提供直流电源对保护装置进行先期试验。控制电源电压及可调直 流输出电压由数字直流电压表进行监测显示，采用ICL7135数字电压表，面板型、数字显示， 显示四位半数值，精度高，外形美观。

仪器内部电源模块的布置如图5的B、G、F部分所示，B是500W0-220V可调直流输出 开关电源，G为24V开关电源，F为5V开关电源，24V开关电源专为文本显示器提供工作 电源，5V开关电源专为ICL7135数字电压表提供工作电源。

人机交互部分，是指采用面板型的嵌入式文本显示器作为与试验者与控制器的交互工具， 可以根据所模拟的现场的实际断路器的分合闸时间，在文本显示器上修改可编程控制器内部 的时间寄存器的数值的大小，即可对模拟断路器的分合闸时间进行更改，每路模拟断路器的 分合闸时间都可以在面板上更改，操作方便快捷。文本显示器还可以对每路断路器的分合闸 状态实时的进行监控告警。每路断路器都设置有外部保护开入跳合闸，并且可以手动分合闸。

操作及显示面板部分，是指如图4所示的部分，操作面板划分为7个区，即模拟断路器 位置输出区，分合闸命令输入区，手动分合闸操作即指示灯显示区，可调电压监控、输出区， 分合闸回路电阻调整区，交直流电源输入及操作切换区，文本显示器区，各区划分合理，方 便接线与操作，整体布局美观。面板上所有香蕉插座都按照A黄B绿C红、直流电源按照红 色+、蓝色－的技术标准加以区分。采用面板型LED指示灯作为监控指示，红合绿分。采用面 板型的手动分合闸操作按钮进行手动分合闸的操作，并且红合绿分。操作面板材质为双色塑 料亚克力板，利用激光雕刻工艺开孔及刻字，面板下边紧贴一块绝缘板进行强度支撑。

将控制核心部分，扩展继电器部分、控制电源部分、人机交互部分、分合闸线圈模拟部 分、操作及显示面板几部分组装后放置于一个42cm长32cm宽20.5cm高的仪器箱内，组成 一个完整的PC66201型断路器模拟装置，该仪器质量8.8公斤，整体轻便、美观。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修 改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。