利用继电器构建单母联低压配电系统的控制原理

1.一次系统分析

图6-38所示为手动操作模式下的两进线一母联之Ⅰ段进线主回路和辅助回路，从图中主回路可以见到Ⅰ段电力变压器T₁、Ⅰ段进线断路器QF₁、电压采集和显示辅助回路、电流采集和显示辅助回路，还有无功功率补偿电流采集辅助回路。

图6-38 手动操作模式下的两进线一母联之Ⅰ段进线主回路和辅助回路

（1）电压采集回路

图6-38中电压采集回路的SV是电压换相开关，目的是可让电压表PV可分别显示U_a、U_b、Uc、Uab、Ubc、Uca。注意电压系统的线位号在电压换相开关左侧为A601～C601，在电压换相开关的右侧为610、612。

（2）电流采集回路

电流采集回路中的电流互感器1TA_a、1TA_b、1TA_c的二次侧线位号为A401～C401，电流表PA₁～PA₃的右侧是电流汇总线，三相测量电流经此汇总线返回到电流互感器中。电流汇总线必须接地，避免电流互感器二次回路开路后产生的高压伤及人身。

电流采集回路中的电流互感器2TA_a采集的A相电流信息送往无功功率自动补偿装置。无功功率自动补偿装置需要在Ⅰ段母线上采集I_a、U_b、U_c三个参数，从中计算出三相功率因数等测控信息。

（3）电流互感器的安装位置

四套电流互感器安放在断路器与变压器之间或者断路器与母线之间均可，完全不影响测量结果。电流互感器放在断路器与母线之间比较便于维修。

（4）辅助回路工作电源

图6-38中的左侧输入线号是1L1、1L2、1L3、1N，而右侧的输入线号是2L1、2L2、2L3、2N。中间继电器KA的线圈接在1L1和1L3之间，当Ⅰ段电力变压器工作正常时，继电器KA吸合，KA的常开触点将工作电源101、201、301和N接至Ⅰ段电力变压器低压侧；若Ⅰ段电力变压器发生故障时，在1L1和1L3失压后继电器KA释放，KA的常闭触头将工作电源101、201、301和N接至Ⅱ段电力变压器低压侧。

在TN-S系统中因为I、Ⅱ段母线的中性线不允许直接搭接，即使在辅助回路中也不允许直接搭接，因此KA必须采用4极的中间继电器。

2.手动操作模式下的两进线单母联控制原理

（1）Ⅰ段进线断路器QF1的主回路和辅助回路

Ⅰ段进线断路器QF1的合闸逻辑是：

式中 QF_1YC——Ⅰ段进线断路器的合闸线圈；

SB₁——Ⅰ段进线断路器的合闸按钮；

QF₁、QF₂、QF₃——Ⅰ段进线断路器、Ⅱ段进线断路器、母联断路器。

Ⅰ段进线QF1的分闸逻辑是

QF_1YO=QF₁∗SB₂ （6-5）

式中 QF_1YO——Ⅰ段进线断路器的分闸线圈；

SB₂——Ⅰ段进线断路器的分闸按钮。

执行断路器合闸的表达式由3节串联电路构成，线位号从103到107。串联电路之一的合闸按钮SB₁常开接点用于产生合闸信号，它是人机之间的交互操作点；串联电路之二的是QF₁辅助常闭接点，因为辅助触点在断路器闭合后等于0，因而可用于防止Ⅰ段进线断路器二次重合闸；串联电路之三是由QF₂和QF₂的常闭接点构建的并联电路，其用途是QF₂和QF₃对QF₁的合闸互锁。互锁逻辑表达式可参见第4章4.1节的式（4-3）。

执行断路器分闸的表达式QF₁∗SB₂由2节串联电路构成，线位号从109到111。串联电路之一的分闸按钮SB₂常开接点用于产生分闸信号，它是人机之间的交互操作点；串联电路之二是QF₁的常开触点，此触点的用途是防止二次重分闸。

线位号113的QF₁常开接点和线位号115的QF₁常闭接点分别用于点燃合闸信号灯HL₁和分闸信号灯HL₂。

故障辅助触点QF₁：S51接点反映了Ⅰ段进线断路器的过载和短路保护状态，并且需要多处使用，所以利用中间继电器KA₁进行触点数量扩展。在线位号119的QF₁：S51首先接通中间继电器KA₁的线圈，然后KA₁的常开接点在线位号117支路点燃故障信号灯HL₃。

（2）Ⅱ段进线断路器QF₂的主回路和辅助回路

Ⅱ段进线断路器QF₂的主回路和辅助回路如图6-39所示。

Ⅱ段进线QF₂的合闸逻辑是：

Ⅱ段进线QF₂的分闸逻辑是：

QF_2YO=QF₂∗SB₂ （6-7）

QF₂合闸公式中的互锁逻辑与QF₁的互锁逻辑略有不同：QF₂合闸公式中的互锁逻辑是，而QF₂分闸公式中的分闸条件是QF₂∗SB₂。

（3）母联断路器的主回路和辅助回路

母联断路器QF₃的主回路和辅助回路如图6-40所示。

图6-39 手动操作模式下的两进线单母联Ⅱ段进线主回路和辅助回路

图6-40 手动操作模式下的两进线单母联主回路和辅助回路

母联一次回路的特点是断路器跨接在Ⅰ段和Ⅱ段主母线之间，所以母联一般不配备电压采集辅助回路。

母联的电流采集辅助回路工作原理与进线基本一致。

因为低压系统的接地形式为TN-S，且进线断路器的保护为L-S-I-G四段，所以母联断路器采用四极开关，主母线也采用四极。

从图6-35中可见母联QF₃的合闸逻辑是：

母联QF₃的分闸逻辑是：

QF_3YO=QF₃∗SB₂（6-9）

在母联的合闸逻辑中出现的KA₁和KA₂常闭触点代表了QF₁和QF₂的保护动作状态，其意义是：若两进线断路器因为母线上或负载侧发生保护动作而跳闸，则在故障触点未复位之前不允许母联执行闭合操作。

Emax系列断路器中的S51辅助触点一旦动作后，若不在断路器的操作面板上执行复位操作则S51的动作状态就一直被保持。

线位号317的QF₃常开接点和线位号319的QF₃常闭触点分别用于点燃合闸信号灯HL₁和分闸信号灯HL₂。

由于进线断路器的故障辅助触点QF₃/S51接点往往需要多处使用，所以利用中间继电器KA₃进行扩展。在线位号323的QF₃/S51首先接通中间继电器KA₃的线圈，然后KA₃的常开接点在线位号321支路点燃故障信号灯HL₃。

（4）手动操作模式下的两进线单母联控制过程的过程函数总结（见表6-31）

表6-31 手动操作模式下的两进线单母联控制过程函数总结

表6-31中的三组过程函数对应的控制逻辑就是在第4章4.1节中的进线和母联之间的合闸互锁逻辑表达式（4-3），这里重复列写如下：

通过过程函数我们能更清楚地理解合闸互锁逻辑表达式的意义。

3.自动操作模式下的两进线单母联控制原理

（1）Ⅰ段进线主回路和Ⅱ段进线主回路的电压采集辅助回路

图6-41和图6-42分别是Ⅰ段进线断路器和Ⅱ段进线断路器在自动操作模式下的控制原理图，图中的可调下限低电压继电器KV₁和KV₂电气逻辑特性如下：

低电压继电器KV₁和KV₂均可调整电压参数的下限越限值。

图6-41 自动操作模式下的两进线单母联Ⅰ段进线主回路和辅助回路

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图6-42 自动操作模式下的两进线单母联Ⅱ段进线主回路和辅助回路

当低压配电网的电压接近于低电压继电器的下限值时，某些低电压继电器的触头会出现抖动现象，触头抖动会严重地影响到控制的准确性和可靠性。为此，低电压继电器的出口接点往往要配套时间继电器进行延迟判误。

低电压继电器配套的时间继电器可按需求采用通电延时或者断电延时的产品规格。

（2）Ⅰ段和Ⅱ段进线断路器在自投手复操作模式下的工作原理

Ⅰ段进线断路器在自投手复模式下合闸的过程函数如下：

式中 QF_1YC——Ⅰ段进线断路器的合闸线圈；

SA_1AUTO——自动/手动操作模式选择开关拨在“自动操作模式”档位下；

KT₂（0→1，t=1）——KT₂是通电延时时间继电器，KT₂的动合触点在得电后延迟1s闭合；

QF₁，QF₂，QF₃——Ⅰ段和Ⅱ段进线断路器及母联断路器及其辅助触点。

为了分析KV₁的动作过程，我们来看图6-43。在图6-43中，当Ⅰ段进线电压正常时KV₁=1，于是KA₁吸合，KA₁吸合后启动了通电延时的时间继电器KT₂，KT₂用于消除低电压继电器电压临界点抖动现象，其动合触头在线圈得电1s后动作，即KT₂（0→1，t=1s）。

图6-43 KV₁的动作过程

令过程函数f₁₁中的SA_1AUTO=1表示选择开关SA₁拨在自动操作模式下有效。

KV₁等于1后同时还驱动了断电延时的时间继电器KT₁的线圈，KT₁的电气逻辑表达式是KT₁（1→0，t=1），其意义是当系统出现失压后KT₁的接点在延迟了1s后才释放。KT₁与母联断路器的投退相关。

从式（6-11）我们看到，Ⅰ段进线断路器闭合的条件是Ⅰ段电压正常、延迟判误时间继电器KT₂已经闭合、两进线QF₁、QF₂和母联QF₃之间的互锁逻辑满足QF₁的闭合要求、QF₁处于打开状态。这些条件都满足后QF_1YC=1，继而使得Ⅰ段进线断路器QF₁闭合。QF1闭合后其常闭触点打开，防止二次重合闸。

Ⅱ段进线断路器的自投手复操作模式原理与Ⅰ段进线断路器的自投手复操作模式原理类似，其合闸逻辑如下：

从式（6-12）中看出，与QF₁的合闸逻辑相比QF₂的合闸逻辑区别在于互锁逻辑更换为，合闸时间继电器更换为KT₄，防止二次重合闸的辅助触点为。

KV₂等于1后还同时驱动了断电延时的时间继电器KT₃的线圈，KT₃触点的电气逻辑关系是KT₃（1→0，t=1），其意义是当系统出现失压后KT₃的触点在延迟了1s后才释放，也就相当于KV₂的触点延迟了1s才释放。KT₃与母联断路器的投退相关。

Ⅰ段进线断路器和Ⅱ段进线断路器的自投手复操作模式下的分闸逻辑如下：

Ⅰ段和Ⅱ段进线断路器的自投手复操作模式下的分闸逻辑是明确：从式（6-13）和式（6-14）中我们看到，分闸按钮与低电压继电器动分接点是并联的，两者构成或逻辑关系，两者动作后都能使得断路器执行分闸操作。

（3）母联断路器在自投手复操作模式下的工作原理

母联断路器在自投手复操作模式下的控制原理如图6-44所示。

图6-44 自投手复操作模式下的两进线单母联之母联主回路和辅助回路

母联自投手复模式下的合闸过程函数f₃₁如下：

1）f_31-1过程函数的意义：f_31-1过程函数中包括两部分：手动操作部分和自动操作部分。两部分的切换通过选择开关得以实现。

当选择开关SA₃拨在手动操作时电气逻辑关系是：

这是两进线断路器对母联断路器的电气互锁与手动合闸按钮的串联支路，且仅当SA₃选择开关拨在手动操作时有效。

当选择开关SA₃拨在自动操作时电气逻辑关系是：

的意义是：Ⅰ段进线出现失压并延迟1s判误后故障仍然存在，以此证实Ⅰ段进线确实出现低电压或失压。将串联后的逻辑表达式表示Ⅰ段进线出现低电压同时断路器QF₁已经分断。

同理，的意义是：Ⅱ段进线出现失压并延迟1s判误后故障仍然存在，以此证实Ⅱ段进线确实出现低电压或失压。将串联后的逻辑表达式表示Ⅱ段进线出现低电压同时断路器QF₂已经分断。

结论：f_31-1过程函数的电气逻辑有效表示两进线中至少有1路进线出现失压同时进线断路器已经跳闸。如图6-45所示。

图6-45 母联断路器的自投手复和自投自复合闸电路

2）f_31-2过程函数的意义：有效表示Ⅰ段进线断路器没有出现保护动作且未复位的故障状态，有效表示Ⅱ段进线断路器没有出现保护动作且未复位的故障状态，所以有效表示两进线断路器均正常，低压配电网两段母线均未出现过载、短路或者单相接地故障。

3）f_31-3过程函数的意义

有效表示辅助回路工作电源正常，且经过延迟1s判误确认。这里的Work Power是辅助回路的工作电源，见图6-41。

4）QF₃的自投手复操作模式中f₃₁过程函数综合意义：的意义是

①两进线断路器工作正常未出现保护动作；

②两进线变压器出现欠电压或失电压；

③当选择开关SA₃选择手动操作模式HAND时QF₃的合闸按钮SB₁已经按下，或者SA₃选择自动操作模式AUTO时闭合QF₃的电气逻辑已经得到确认；

④母联断路器QF₃已经具备执行闭合操作的条件，即QF_3YC=1。

母联断路器自投手复模式下的分闸过程函数f₃₂如下：

QF_3YO=f32=SB2∗QF₃ （6-16）

因为母联断路器采用手复的分闸操作模式，所以只要分闸按钮SB₂有效，且母联断路器QF₃处于闭合状态，则母联断路器在f₃₂过程函数中立即执行分闸操作。

（4）母联断路器在自投自复操作模式下的工作原理

母联断路器在自投自复操作模式下的控制原理见图6-46。

图6-46 自投自复操作模式下的两进线一母联之母联主回路和辅助回路

对于母联断路器在自动模式下的f₃₁合闸过程函数，自投手复操作模式与自投自复操作模式原理是一样的，不一样的是f₃₂分闸过程函数。

f₃₂分闸过程函数为

QF_3YO=f32=SA3AUTO（QF1∗KA2+QF2∗KA₄）∗QF₃（6_-17）

f₃₂分闸过程函数中的KA₂和KA₄分别是QF₁的保护动作继电器和QF₂的保护动作继电器。f₃₂分闸过程函数的意义是：当选择开关SA₃拨在自动操作下两段进线断路器中至少有1套已经闭合且未出现保护动作，则QF₃立即执行分闸操作。

（5）有关自投手复操作模式和自投自复操作模式的总结

本节所讨论的自投操作模式和自复操作模式中，“自投”指的是进线断路器的自动投入，“自复”指的是进线断路器从故障状态下的自动恢复。

针对进线回路的自投操作存在的问题是：往往低压配电网在首次送电时出现的问题较多，需要由人工操作按步骤地合闸，而且每一步骤都要仔细确认运行参数及投切状态。针对进线回路的自投操作是不具备这种能力的。

针对母联回路的自投操作模式和自复操作模式则能满足以上要求。

例如针对母联回路的备自投系统在低压配电网首次送电时由人工操作到两进线闭合母联打开的运行模式，并将两进线闭合母联打开的运行模式作为标准工作模式；在标准工作模式下若某进线出现失压，则控制系统自动将失压的进线打开，然后投入母联；当该路进线电压恢复后，控制系统又自动将母联打开，然后投入对应的进线。

针对母联回路的备自投系统还能实现倒闸操作，即进线和母联均闭合，变压器处于并列运行状态。这些都是针对进线回路的备自投系统所不能实现的。

由于针对母联的备自投系统其控制逻辑相对复杂，因此需要用PLC执行测控任务。