模拟断路器设计 谢辉庆，李学全，康忠诚 （重庆市忠县供电有限责任公司智能应用组） [摘要]：继电保护广泛应用于电力、交通、通信等行业，为了更好的进行继电保护工作，设计了一套模拟断路器，以模拟断路器代替真实的高压断路器，接受继电保护装置发来的跳合闸命令，也可以用模拟断路器代替继电保护装置发出跳合闸命令给高压断路器，对高压断路器进行跳合闸测试。 [关键词]：模拟断路器 高压断路器 继电保护装置 高电平 低电平
0 引言 多年从事继电保护工作，经常进行继电保护装置及高压断路器调试，经常遇到以下问题：①重复整组试验，高压断路器反复跳合闸试验动作，缩短高压断路器寿命，对高压断路器机械结构带来不利的影响；②年度预试定检，继电保护调试人员和高压断路器检修人员同时争用高压断路器，检修高压断路器的工作人员和继电保护装置调试人员只能轮流检修作业，一般是先让检修高压断路器的工作人员将高压断路器检修好后，继电保护装置调试人员再调试继电保护装置，结果延长了电力线路停电时间，工作效率很低；③因高压断路器处于通电运行状态，不允许停电，继电保护装置检查排障时，不可能直接将带电运行高压断路器跳闸。基于上述三个原因，迫切希望有一种便携仪器代替高压断路器。在此设计一个模拟断路器，以模拟断路器代替真实的高压断路器，接受继电保护装置发来的跳合闸命令，也可以用模拟断路器代替继电保护装置发出跳合闸命令给高压断路器，对高压断路器进行跳合闸测试。 本文介绍的模拟断路器设计主要有以下几大功能和特点：①以模拟断路器代替实际的高压断路器，接受继电保护装置发来的跳合闸命令；②以模拟断路器代替继电保护装置发出跳合闸命令，传递给高压断路器，对高压断路器进行跳合闸测试；③模拟断路器操作电压适应范围宽，交直流220V和交直流110V均可自由选择；④模拟断路器工作电源交流220V和交流110V可选，工作环境适应能力强；⑤模拟断路器电路简捷，电器元件易寻购，性价比高。 1 设计原理 1.1 模拟断路器设计原理简介 图1是本文设计的模拟断路器原理图。模拟断路器由工作电源回路、逻辑控制回路、就地跳合闸回路、模式转换回路、远动信号接收回路等五部分组成。电源回路主要由电源变压器BYQ、电源滤波电感L1、整流桥BR2、滤波电容C1、C2、C3、C4、稳压集成IC1和IC2等元器件组成。逻辑控制回路主要由数字或门集成IC3、与非门集成IC4和IC5、驱动光耦OP3和OP4、逻辑互锁继电器DL1、DL2等元器件组成。就地合闸回路主要由合闸按钮HA、跳闸指示灯LD、整流桥BR1、跳闸状态采集二极管D1—D4、DL1-CK、DL2-CB、合闸线圈HC1、HC2、万能转换开关触点L1、L2、R1等元器件组成。就地跳闸回路主要由合闸按钮TA、合闸指示灯HD、整流桥BR3、合闸状态采集二极管D8—D11、DL1-CB、DL2-CK、跳闸线圈TQ1、TQ2、万能转换开关触点L3、L4、R2等元器件组成。远动信号接收回路主要由BR4、BR5、DL3、DL4等元器件组成。 1.2 模拟断路器内部电路工作电源设计 1.2.1 工作电压设计 模拟断路器内部电路工作电源分为+24V和+5V两种，考虑到模拟断路器需长期稳定工作，对电源纹波要求较高，模拟断路器选择了使用环型高磁耦合电源变压器，将交流220V单相电源降压成交流24V，变压器BYQ的抽头置为24V档（同时还预留了48V档，若模拟断路器工作外部电源电压为交流110V环境，则抽头置为48V档即可），交流24V电压通过L1高频阻波电感，滤除电源高频纹波，经BR2整流桥整流，C2稳流滤波，C3高频退耦，整流后得到的直流电压Vo Vo=1.2Vi=1.2×24=28.8V Vo分两路输入到串联型稳压电源集成输入脚，一路输入到IC1的①脚，IC1的③脚输出稳定的直流+5V电压Vo5V，供IC3、IC4、IC5、OP1、OP2、OP3、OP4等电路电源，另一路输入到IC2的①脚，IC2的③脚输出+24V稳定直流电压Vo24V，供DL1、DL2电源。IC2和IC3选择LM7805和LM7824，两种集成本身是具有较好稳压能力的串联型稳压集成，但要求输入输出电压差必须大于2V以上。 Vo-Vo5V=28.8-5=23.5V>>2V Vo-Vo24V=28.8-24=4.8V>>2V 选择LM7805和LM7824能达到设计要求。
DL1-CKDL2-CBLD
OP1R2R1
D4D1D2D3
DL2-CKDL1-CBHD
OP2
R7BR3D8D11D10D9
R4R3
R10BR2C2C3
L1
R5R6
HADL2D6D7DL1BR1工作电源TA就地合闸就地跳闸OP3OP4Q1Q2HC1D5HC2R1L1L2110V110VTQ1D12TQ2R2L3L4110V110VC4C1DL1-CBDL2-CB37DL2
DL1BYQ24V48V
IC4-3
IC5-3
IC4-1IC4-2
IC5-1IC5-21
23
5
64
8910
891
25
634
10
IC3 CD4071IC4-IC5 CD4011
IC4-4
1312
11
IC5-41312
11
VoVo5v
Vo24V
Vi1
DL4
DL3DL4-CK
DL4-CK
DL3-CKDL3-CK
BR5BR47
就地跳闸电源远方跳闸中间继电器
就地合闸电源远方合闸中间继电器
公共零线远方合闸
信号输入
远方跳闸信号输入
0IC2 LM7824IC1 LM780523
123
IC3-A123
IC3-B564
图1
1.2.2 滤波电容选择 滤波电容C2，按：2)53(2TCRL原则配置
整个模拟断路器等效负载32.1848.28/5.48.28VWV T为工频电网电压周期，我国是50HZ，故 ST02.0501 所以C2≈163-271uf，结合市场电解电容型号规格，综合考虑耐压，C2可以选择470uf/50V型号。 滤波电容C1、C4，主要用于消除三次以上的高次谐波对电路的干扰，同理按C2推算方法计算得出：C1≈42-69uf，结合市场电解电容型号规格，综合考虑耐压，C1可以选择100uf/50V型号。C4≈844-1407uf，结合市场电解电容型号规格，综合考虑耐压，C4可以选择1500uf/10V型号。 1.2.3 整流桥的选择 因全波整流电路，整流桥BR2承受最大反峰电压
iRMVV2=1.414×24=33.936V 结合市场整流全桥规格，综合考虑电流及耐压，BR2可以选择2KBP06M。 1.3 模拟断路器逻辑控制回路设计 1.3.1模拟断路器模拟继电保护装置原理分析 模拟断路器模拟继电保护装置，主要是模拟继电保护装置发出跳合闸命令，此种工作模式下，HC1、HC2、TQ1、TQ2本是应退出模拟断路器电路联接，由模拟断路器跳合闸引出试验夹接至高压断路器跳合闸线圈，为了原理分析方便，将HC1、HC2、TQ1、TQ2视为高压断路器的跳合闸线圈，主要分析四种工作状态。 1.3.1.1 模拟断路器上电自检后状态分析 当模拟断路器上电后，在DL1和DL2还未动作之前， DL1和DL2均未得电工作，DL1和DL2的常开触点DL1-CK、DL2-CK均断开，DL1和DL2常闭触点DL1-CB、DL2-CB均闭合，二极管D1-D4导通，D1-D4选用的是硅管IN4007，每只IN4007都有0.7V直流导通电压，D1-D4产生总共0.7×4=2.8V直流压降VD1-D4，VD1-D4加到OP1输入端，OP1输出端导通，IC3的②脚为低电平，IC3的①脚因下拉电阻R1为低电平，IC3的③为低电平，IC4的①脚为低电平；同时，D8-D11因并联的DL1-CB、DL2-CB还处于闭合状态，D8-D11不会产生直流压降V D8-D11，OP2输入端截止，OP2输出端截止，IC3的⑤脚为高电平，IC3的⑥脚为低电平，IC3的④脚为高电平，IC5的②为高电平；IC4的①脚低电平反馈到IC5的①脚为高电平，IC5的②也为高电平，故IC5的③脚为低电平，IC5④脚为高电平，OP4导通、Q2导通，DL1动作；IC5的②脚为高电平反馈到IC4的②为低电平，IC4的①也为低电平，故IC4的③脚为高电平，IC4的④脚为低电平，OP3截止，Q1截止，DL2不动作。 DL1动作，DL2不动作，导致DL1-CK闭合，DL2-CB闭合，DL1-CB断开，DL2-CK断开，进一步导致LD绿灯亮，HD红灯灭。 经上面分析得知，模拟断路器上电自检后能稳定处于跳闸状态。 1.3.1.2模拟断路器上电自检后按跳闸按钮后的状态分析 当模拟断路器上电稳定在跳闸状态后，再次按下就地跳闸按钮，IC3的⑤脚仍保持高电平状态，IC3的⑥虽被就地跳闸按钮强置为高电平状态，但仍不能改变IC3的④高电平状态，IC3的①②脚无强置信号改变其状态，故仍保持低电平状态，结果DL1保持得电动作，DL2仍不动作，导致DL1-CK持闭合，DL2-CB保持闭合，DL1-CB保持断开，DL2-CK保持断开， LD绿灯保持亮，HD红灯保持灭。跳闸按钮按下后，高压断路器跳闸线圈得到了跳闸电压，真实跳闸，与模拟断路器跳合指示红绿灯位置相对应了，克服了模拟断路器上电自检后，红绿灯指示与实际连接的高压断路器跳合位置有可能存在不相符合的现象。 经上面分析得知，模拟断路器上电自检后再按跳闸按钮后能稳定保持在跳闸状态，并且红绿灯指示位置正确。 1.3.1.3 模拟断路器上电自检后按就地合闸按钮后的状态分析 当模拟断路器上电后按就地合闸按钮，IC3的①脚被强置为高电平，同时通过IC4的○11脚将IC3的⑤脚强置为低电平，IC3的③脚为高电平，IC4的①脚为高电平；IC3的⑥脚因下拉电阻R5为低电平，又因IC4的○11脚将IC3的⑤脚强置为低电平，IC3的④脚为低电平，IC5的②脚为低电平；IC4的①脚高电平反馈到IC5的①脚为低电平，IC5的②为高电平，故IC5的③脚为高电平，IC5④脚为低电平，OP4截止、Q2截止，DL1失电返回；IC5的②脚为低电平反馈到IC4的②为高电平，IC4的①也为高电平，故IC4的③脚为低电平，IC4的④脚为高电平，OP3导通，Q1导通，DL2动作；DL1失电返回，DL2得电动作，导致DL1-CK断开，DL2-CB断开，DL1-CB闭合，DL2-CK闭合，进一步导致LD绿灯灭，HD红灯亮，HC1和HC2得电动作，高压断路器合闸。 高压断路器合闸后，V D8-D11=2.8V加到OP2，导致OP2导通，IC3的⑤脚保持低电平，IC3的⑥脚仍因下拉电阻R5保持低电平、因VD1-D4变为0V，导致OP1截止，IC3的⑥脚通过IC5的○11将IC3的②脚强置为高电平，过后，因就地合闸按钮释放，导致IC3的①脚再次被下拉电阻R1下拉为低电平，故IC3的④脚合闸后保持低电平，IC3的③脚合闸后保持高电平，高压断路器自保持在合闸状态。 经上面分析得知，模拟断路器上电自检后按就地合闸按钮后能稳定在合闸状态。 1.3.1.4模拟断路器合闸后按就地跳闸按钮后的状态分析 当模拟断路器处于合闸状态，按就地跳闸按钮，IC3的⑥脚被强置为高电平， IC5的○11脚将IC3的