操作回路的几个基本概念讲解

操作回路的几个基本概念（南瑞的培训材料）从某种意义上讲，电力系统是一门较“传统”的技术。发展到现在，其原理本身并没有象通讯领域那样不断有“天翻地覆”的变化和发展。变电站保护和监控等二次领域也不例外，只是随着微电子和计算机及通信等基础领域技术的发展，实现的方法和方式发生了变化。比如保护从最早的电磁式到分立元件到集成电路直到现在的微机保护；变电站监控也从原先的仪表光字牌信号到集中式RTU直到现在的综合自动化。原理都基本上没有大的改变。我们在综自调试工程现场碰到的很多信号（比如事故总，控制回路断线等）的概念都是从原先传统电磁式的变电站二次控制系统/中央信号系统延伸过来的，同时在现场调试碰到的很多问题都跟开关等二次控制回路有关。操作回路看似简单，似乎没有多少技术含量。但是我们只有了解了有关基本概念的由来，同时熟练掌握我们产品操作回路的特点和应用，才能在工作中灵活处理有关问题。1、KKJ（合后继电器）1.1KKJ的由来南瑞RCS和LFP系列中几乎所有类型的操作回路都会有KKJ继电器。它是从电力系统KK操作把手的合后位置接点延伸出来的，所以叫KKJ。传统的二次控制回路对开关的手合手分是采用一种俗称KK开关的操作把手。该把手有“预分-分-分后、预合-合-合后”6个状态。其中“分、合”是瞬动的两个位置，其余4个位置都是可固定住的。当用户合闸操作时，先把把手从“分后”打到“预合”，这时一副预合接点会接通闪光小母线，提醒用户注意确认开关是否正确。从“预合”打到头即“合”。开关合上后，在复位弹簧作用下，KK把手返回自动进入“合后”位置并固定在这个位置。分闸操作同此过程类似，只是分闸后，KK把手进入“分后”位置。KK把手的纵轴上可以加装一节节的接点。当KK把手处于“合后”位置时，其“合后位置”接点闭合。KK把手的“合后位置”“分后位置”接点的含义就是用来判断该开关是人为操作合上或分开的。“合后位置”接点闭合代表开关是人为合上的；同样的“分后位置”接点闭合代表开关是人为分开的。“合后位置”接点在传统二次控制回路里主要有两个作用：一是启动事故总音响和光字牌告警；二是启动保护重合闸。这两个作用都是通过位置不对应来实现的。所谓位置不对应，就是KK把手位置和开关实际位置对应不起来，开关的TWJ（跳闸位置）接点同“合后位置”接点串联就构成了不对应回路。开关人为合上后，“合后位置”接点会一直闭合。保护跳闸或开关偷跳，KK把手位置不会有任何变化，自然“合后位置”接点也不会变化，当开关跳开TWJ接点闭合，位置不对应回路导通，启动重合闸和接通事故总音响和光字牌回路。事故发生后，需要值班员去复归对位，即把KK把手扳到“分后位置”。不对应回路断开，事故音响停止，掉牌复归。因为传统二次回路主要是考虑就地操作。当90年代初电力系统进行“无人值守”改造时，碰到的一个很棘手的问题就是遥控如何和上述传统二次回路配合。因为当时设备自动化水平的限制，“无人值守”实现的途径是通过在传统二次回路基础上，增加具备“四遥”（遥控/遥调/遥测/遥信）功能的集中式RTU来实现，也即我们常说的老站改造（单纯保护配集中式RTU）模式。遥控是通过RTU遥控输出接点并在手动接点上实现，当开关遥控分闸时，因为KK把手依旧不能自动变位，会因为位置不对应启动重合闸和事故音响。无人值守站不可能靠人去手动对位，同时也不可能在KK把手上加装电机，遥控时同时驱动电机让KK把手变位，成本太高也不可靠。对此问题，当时普遍采取的解决办法是遥控输出2付接点，一付跳开关，一付给重合闸放电（当时的重合闸功能是通过在一定条件下，对储能电容储能。重合闸动作时由该电容对合闸线圈放电实现。现在很多厂家线路保护的重合闸充电过程就是模拟的对电容充电的过程——编者注）。对于误发事故总信号，没有什么太好的办法解决，考虑到改造的目的是实现无人值守，所以一般是采取直接取消不对应启动事总回路的办法。目前阶段，变电站综合自动化的实现方式发生了很大的变化。传统的灯光音响、信号回路已全部取消，开关的控制操作回路和重合闸功能都已集中在高集成度的保护测控单元内部。但上述几方面的问题依然存在，只是各厂家采取的解决方式不同。有些厂家的设备对此问题采取了回避，直接采用保护动作来启动重合闸和事总信号。也就是说没法实现不对应启动原理，如果开关偷跳则不能启动重合闸和发出事总信号。这种方法并不可取，虽然厂家宣称开关偷跳概率极小，但毕竟存在这种可能。在操作回路里通过增加KKJ继电器，即可巧妙的解决不对应启动的问题。KKJ继电器实际上就是一个双圈磁保持的双位置继电器。该继电器有一动作线圈和复归线圈，当动作线圈加上一个“触发”动作电压后，接点闭合。此时如果线圈失电，接点也会维持原闭合状态，直至复归线圈上加上一个动作电压，接点才会返回。当然这时如果线圈失电，接点也会维持原打开状态。手动/遥控合闸时同时启动KKJ的动作线圈，手动/遥控分闸时同时启动KKJ的复归线圈，而保护跳闸则不启动复归线圈（以南瑞96XX系列操作回路为例，保护跳闸和手动/遥控跳闸回路之间加有的二极管就是为实现此目的）。这样KKJ继电器（其常开接点的含义即我们传统的合后位置）就完全模拟了传统KK把手的功能，这样既延续了电力系统的传统习惯，同时也满足了变电站综合自动化技术的需要。1.2KKJ的含义和应用在传统二次控制回路里，KK合后(/分后位置)接点主要用在下列几方面：a、开关位置不对应启动重合闸；b、手跳闭锁重合闸。保护跳闸分后接点不会闭合，只有手动跳闸后，分后接点才会闭合，给重合闸电容放电，从而实现对重合闸的闭锁；c、手跳闭锁备自投。原理同手跳闭锁重合闸一样；d、开关位置不对应产生事故总信号。操作回路中的KKJ继电器同传统KK把手所起作用一致，也主要应用在上述方面。我们只采用了其常开接点的含义（即合后位置）：KKJ=1代表开关为人为（手动或遥控）合上；KKJ=0代表开关为人为（手动或遥控）分开。2、HBJ（合闸保持继电器）和TBJ（跳闸保持继电器）2.1跳合闸保持回路的作用传统电磁式保护的操作回路是同保护继电器互相独立的。操作回路主要起三个作用：a)增加接点容量。由保护元件的接点直接通断开关的跳合闸回路，容易导致保护出口接点烧毁，所以由操作回路的大容量中间继电器来重动；b)增加接点数量，如开关本体所能提供的TWJ和HWJ等接点数量有限，通过操作回路，增加接点从而实现如跳合位指示和控制回路监视及不对应启动重合闸等逻辑功能；c)防止开关跳跃（简称防跳）功能。随着变电站综合自动化技术的发展，低压保护测控一体化、分层分布结构、分散式安装等已成为业界公认的发展趋势，操作回路必然要集成到保护装置内部。而操作回路主要由继电器等分立元件组成，它往往体积较大，这同保护装置体积要小型化的要求产生了矛盾。各厂家对此采取的处理方式，往往是采用小型继电器（工作电源一般为DC24V），并对传统操作回路做适量的简化。一些厂家直接取消了保持回路,采用出口继电器加适量延时的方式。这种方式国外的保护常用，如ABB、西门子等。微机保护测控装置采用小型密封继电器后，虽然各厂家的说明书上一般都标有接点容量为DC220V，5A等，目前最常用的开关操作机构是弹簧操作机构，而弹操机构的分合电流一般较小，10KV开关0.5A~1A左右，110KV开关2~4A左右，这样单从跳合闸参数来看，似乎没有问题，但实际上这是接点的导通容量，而我们重点要考虑的是接点的分断能力。因为跳合闸回路接有跳合闸线圈，属于感性负载，接点在断开时，会承受线圈产生的很高的反向浪涌电压，往往会造成接点拉弧，导致接点烧毁。而采用保持回路后，保护出口接点在导通跳合闸回路的同时启动保持回路，由保持回路来保证即使保护接点断开，而跳合闸回路仍旧导通，切断跳合闸线圈回路由具有一定灭弧能力的断路器辅助触点在开关主触头动作后完成。从而既保证了开关的可靠分合，也避免了保护接点直接拉弧，所以在电力部的继电保护反措要求中明确规定应有保持回路。采用取消保持继电器，通过增加继电器接点动作时间，靠时间躲过接点拉弧的方式，看似巧妙，实际上并不可取。首先这种方式就违背了反措的要求，采用保持回路，并不仅仅是为了防止接点损坏，最主要的是保证开关可靠分合。通过软件设置接点闭合时间，仅仅是避免了接点烧毁，可靠性并没有提高，而且接点闭合时间的多少，也是很重要的参数，如果设置不当，也会出问题。另外即使时间设置合适，如果开关本身辅助触点不能及时分开，到达预定延时后，还是由保护接点分断跳合闸回路，还是会导致接点烧毁。2.2保持回路电流的调整按照《继电保护反措要求》，目前国内有代表性的微机保护产品，操作回路都带有保持回路。国内开关跳合闸线圈都是电流型的，绝大多数的保持回路也相应采用了电流动作线圈。对保持继电器的动作电流有一定的要求，要保证适当的保持系数（即开关操作电流/保持继电器启动电流的比值，一般为2左右）。对不同操作电流的开关，保持动作电流也要与之相匹配。有些厂家（如北四方、南自厂）通过在现场更换不同动作电流的保持继电器来实现同开关的配合，但这种方式，由于采用可插拔继电器，容易导致接点接触不良，可靠性不高，且现场工作量较大。南瑞LFP和RCS系列保护操作回路都设计有保持回路，并且在保持动作电流调整方面设计的还是非常方便的，通过调节保持线圈上并联的电阻大小，来使保持动作电流同各种参数的开关匹配。这种做法目前在各个综自保护厂家已经基本普及。在这里需要强调一个概念，虽然我们在工程调试现场，经常说要根据开关动作电流来调整操作回路的跳合闸电流。但实际上跳合闸电流是由开关线圈本身的电阻决定的，我们是调整不了的。保持继电器线圈为电流型内阻很小，所以保护装置跳合闸回路本身的电阻可忽略不计，整个跳合闸回路电阻主要是开关跳合闸线圈内阻，该回路的电流大小就决定于直流系统控制电压和开关线圈电阻的大小，这是一个简单的欧姆定律。那我们在现场调整的是什么呢？我们只是调整的流过TBJ（/HBJ）线圈的电流。例如TBJ（/HBJ）线圈的动作电流为250mA，如果一个并联电阻也不接入的话，跳合闸电流全部从保持线圈流过。可配合的跳合闸电流为0.5A，此时可靠系数为2。并入第一个电阻R1（标有+0.5A字样），该电阻的阻值设计同保持线圈回路阻值基本相等,因为电阻分流,则外部整个跳合闸电流为1A时，此时流过保持继电器线圈的电流还是0.5A,，保持系数还是2。操作板上还有几个不同阻值的电阻，在其边上标有的+电流数值，就是并入该电阻后，可以在原来0.5A基础上“增加”的跳合闸电流。通过这几个电阻的组合，就可以适应外部开关动作电流从0.5A~4A的情况，目的就是要保证流经TBJ（/HBJ）线圈的电流在0.5A左右。这种调整方式非常巧妙，保持继电器型号统一既便于生产，直接焊接在电路扳上也提高了设备的可靠性。2.3保持回路自适应的原理RCS96XX系列操作回路同上述保持回路的原理有些区别。RCS系列保持电流对外宣称是自适应的，在现场并不需要调整保持动作电流。它实际上是采用电压型保持继电器来代替传统电流型继电器，从而实现不用调整任何参数，即可实现同不同跳合闸电流的开关的配合。（具体回路参见96XX的分板电路图）。RCS系列TBJ（/HBJ）线圈的动作电压为DC1.5V，在其线圈上除了有起保护作用的二极管1N4007和电阻回路外，还正向并接了两支串联的大功率二极管1N5408，起保护作用的二极管是反向接的，所以从电路扳上很好区分。当保护接点闭合接通整个跳合闸回路时，大功率二极管正向导通，每只二极管的正向压降为1.2V左右，这样不管跳合闸线圈的电阻多大（也就是开关的具体操作电流有多大），加在保持继电器线圈上的电压都是2.4V左右，都会启动TBJ（/HBJ）。从而实现了对开关跳合闸电流的自适应。这种设计方式也非常巧妙，规定的自适应范围从0.5A~4A,我考虑应该主要是由并联电阻决定的分流到1N5408二极管的最小导通的电流和最大承受电流这两个参数来决定的。因为电压型TBJ（/HBJ）线圈的动作电压很低，其自身阻值很小，从外回路角度来看跟传统电流保持回路没有太大区别，所以还是符合保护反措