微机型继电保护测试用模拟断路器的研制

1  引言
    电力系统继电保护装置检验工作中，为验证全回路工作的正确性，必须将继电保护装置与高压断路器联结起来进行“整组传动”试验。然而，在实际工作中经常遇到高压断路器也在检修或其它原因无法同步配合的情况，特别是在基建工程调试时，继电保护装置已调试完毕而高压断路器还未安装完毕的情况更是经常发生。由于这些情况的出现，使继电保护调试工作受到影响。同时，过于频繁地操作高压断路器也会影响它的运行寿命，甚至会发生意外损坏。因此，开发研制模拟断路器是非常必要的，一些继电保护试验室或专业制造厂对模拟断路器的需求更是迫切的。
    目前，市场上模拟断路器品种繁多，但大多数都不能与微机型继电保护测试装置配合使用，能配合使用的模拟断路器价格又普遍较高，而且可靠性和抗干扰性差。随着微机保护测试装置在电网的大量应用，特别需要一种能与其配合使用的模拟断路器。为此本文提出了一种以数字电路为核心的集成电路模拟断路器。此模拟断路器可与微机型继电保护测试装置配合使用以检测成套保护装置，且造价低、功耗小、计时准确、工作可靠和抗干扰性好。
2  模拟断路器工作原理
    模拟断路器的任务是模拟高压断路器工作的全过程，配合继电保护的项目检验。高压断路器主要是由开断元件即主触头、操作机构和与主触头同步动作的辅助接点等组成的。操作机构里的跳合闸线圈通电后，控制操作机构带动主触头做分合动作，负责接通或断开主电路。断路器的单相操作机构跳合闸回路原理图见图1。TQ为跳闸线圈，HQ为合闸线圈，DL为断路器辅助接点，它是一联动的一开一闭触点。通常跳闸回路接开接点，合闸回路接闭接点，其接点状态与断路器的位置有关：当断路器在开位时，与合闸线圈相连的DL接点闭合，为断路器的下一步“合闸操作”准备好回路，而与跳闸线圈相连的DL接点打开。一旦有合闸脉冲输入，合闸线圈励磁，断路器机构由开位变成合位。同时，合闸回路的DL接点断开，跳闸回路DL接点接通，为下一步的跳闸操作准备好回路。完成分合操作循环。反之，DL的接点位置相反。

3  模拟断路器应考虑的几个基本问题
    针对各类高压断路器的不同情况，并结合继电保护检验工作的实际需要，设计模拟断路器时必须考虑如下几项基本问题：
    （1）能通过与实际高压断路器相同的跳、合闸电流，以检验继电保护跳、合闸装置电流保持回路的可靠性。根据实际调研统计，高压断路器的实际跳合闸电流为1~5A，变化级差为1A。
    （2）在每相跳合闸回路里，必须有能切断直流220V、5A的“辅助接点”，其动作与“主触头”动作保持同步。
    （3）模拟断路器既能三相操作又能分相操作，其分相动作速度应在一定范围内独立可调，以满足实现检验工作需要。实际上，不同类型的高压断路器动作速度不同，见表1，模拟断路器的跳、合闸时间必须含盖此范围。同时，由于超高压断路器是分相操作机构，因此在断路器的分、合操作中，同一台断路器三相动作速度也不可能完全相同，即三相不同期现象。按高压断路器检修规程规定，跳闸时三相不同期时间不允许超过10ms，合闸时不允许超过40ms，严重的不同期现象将影响继电保护装置的动作行为。

    （4）能输出代表高压断路器同步动作的接点，控制微机型继电保护试验装置的起动（模拟故障生成）和停止（模拟系统故障被切除），完成高压断路器“主触头”功能的模拟。
    （5）既能接受远方（保护、遥控）操作，又能就地进行分、合操作。
    （6）能直观清楚地显示模拟断路器当前的实际位置（分闸、合闸）。
    （7）安全问题：由于断路器每相通过电流为5A、电压为220V、功率为1.1kW的直流大功率，因此能造成装置内的元件迅速发热，而且通电回路断弧困难。一旦模拟断路器动作失灵，不但要烧毁本机的相关元件，而且还可能危及价格昂贵的被试装置。所以必须考虑模拟断路器失灵情况的保护措施，以保护试验装置与被试装置不被损坏。
4  电路设计
4.1  主回路
    本模拟断路器按分相操作原则设计，回路接线如图2所示。它由三个单相跳闸回路和三个单相合闸回路完成跳闸合闸动作。根据表1资料统计，跳闸时间从0~99ms按相可调，合闸时间从100~200ms按相可调。
    断路器辅助接点DLA（B、C、a、b、c）的设计：如前所述，该接点必须能切断1.1kW直流功率，因此一般的触点式开关元件很难完成，能切断这样大功率的开关元件的体积大、噪声大、动作速度慢而不能满足要求，为此选择了一种新型直流电子开关。该新型直流电子开关利用分立元件、集成器件及微电子技术，实现了控制回路（输入）与负载回路（输出）之间的电气隔离及信号耦合，具有工作可靠、驱动功率小、无触点、无噪声、抗干扰、开关速度快、寿命长等优点。因此，使用直流固态继电器使强弱电分离，实现了弱电控制，并且提高了装置的安全性和抗干扰性，降低了装置功耗和噪声，缩小了体积，提高了开关速度且延长了装置使用寿命。

        跳合闸电流的变化是通过五档自锁式琴键开关切换五只大功率电阻RT（RH）实现的，如图3所示。每只RT（RH）为220W，每投切一档QK，跳合闸电流变化1A。每档电阻瞬间通过220W的功率，但由于通电时间短，因此该电阻功率的计算可根据发热与时间的函数关系进行选择。
    三相跳（合）闸操作的特点是一个输入脉冲能控制断路器三相机构同时动作，所以T3、H3输入回路分别用三只大功率二极管进行隔离，使三相操作与分相操作互不影响。

4.2  控制回路
    控制回路是模拟断路器的神经中枢，它控制着主触头的分或合的动作、同期程度、辅助接点的转换、断路器实际位置显示及保护回路的启动等。控制回路按相设计，其单相电路原理图如图4所示。

        （1）起动信号采集电路
    控制回路的起动是通过监视采集主回路（跳、合闸线圈）是否有操作脉冲实现的。模拟断路器接通与断开的是高电压（220V）大电流（5A）的强电回路，因此在接通与断开的瞬间将产生很强的干扰源，会对控制回路造成干扰，使其不能正确工作，因此在电路设计时是采用光耦（图4中ISOT）实现的，经过光电隔离后的信号采集具有较强的抗干扰能力[1]。ISOT接在由R1、R2组成的分压回路里，正确选择R1、R2的阻值能确保控制回路可靠起动的同时，还能提高抗干扰水平。
    （2）延时控制电路
    延时控制电路负责控制模拟断路器的动作速度。延时控制回路一收到起动信号就开始计时，当计数溢出时，它输出信号去控制模拟断路器，使其改变位置[2]。
4.3  保护电路
    同其它任何装置一样，模拟断路器也可能发生不正常工作。一旦发生使其不能及时断弧的故障时将有最大为5A的电流长期通过，这必将造成测试装置和被试装置的损坏。因此，在装置里增设一保护电路是十分必要的。保护电路设计的原则是：当跳闸或合闸回路中的任何一个回路没有断开的时间超过装置原设计的最长断弧时间时，必须关断试验回路使试验装置停止工作。为此设计了独立的带300ms延时的保护电路。保护电路工作后，自动切断试验回路220V直流负电源，并给出故障指示。保护电路如果动作，试验工作无法进行，故障排除后，可通过复归按钮复归。此延时回路的起动是通过在跳合闸光隔回路的公共端连接一个光隔实现的。当任何一个跳合闸回路接通时，公共端的光隔都会接通去起动延时回路。原理图如图5所示。

5  测试情况
5.1 抗电气干扰性能
    在辽宁省继电保护实验室进行了抗干扰试验。装置能承受1MHz和100kHz的脉冲群干扰试验，试验电压为共模2.5kV、差模1kV，施加脉冲干扰期间不出现误动或拒动；装置能承受接触放电试验电压为6kV，空气放电试验电压为8kV静电放电试验，在试验期间没有误动，试验后装置仍能正常工作；装置能承受试验电压为2kV的瞬变干扰，装置在试验期间不出现误动或拒动。
5.2 功能试验
    在实验室将模拟断路器与微机保护测试装置配合，对Ⅱ型微机保护装置及操作屏进行了大量的整组试验，试验结果说明本模拟断路器性能指标达到了技术要求。
6  结论
本模拟断路器是集成电路原理的模拟断路器。它具有体积小、重量轻、功耗小、造价低、安全可靠、抗干扰好且能与微机保护测试装置配合使用等特点，大量试验证明，该模拟断路器性能优良，具有很大的推广前景。