1、 大连海事大学 毕 业 论 文 二一 五 年六月 ZN系列 高压真空断路器 控制系统的研究 专业班级： 电气工程及其自动化 1班 姓 名： 邓金秋 指导教师： 吴志良 轮机工程 学院 I 摘 要 真空断路器因其具有 较好的灭弧能力，在高压电力系统中有广泛地使用。本文针对 ZN 型 高压真空断路器进行研究， 从 电气角度学习其基本工作原理 、主要技术参数 ， 以及 探讨 以其为主要开关的 KYN28-12 型 高压开关柜 的 “五防 ”防误 联 锁 要求 ， 并对其中 现有的 部分 功能 提出改进意见 。 此外 ， 以西门子 PLC S7-226为 控制器，以北京昆仑 通态 TPC1062KX型
2、 触摸屏 为 显示装置， 设计了一个防止 手动操作时 操作员误分、 合 断路器的装置 。此设计 特别 针对 手动并车时操作人员 对 并车条件的掌握， 因此在 设计中对并车 的 三个条件 电压差、频率差、相位差 做了检测和判断，当条件 满足时 给出 指示 。 同时设计中 还 包括了分闸确认功能，即 进行 了分闸确认 之 后才能 分闸。 本文 设计 的 防误装置 通过 仿真调试，结果表明，能够较好地 完成 预定任务。 关键词 ： 真空断路器；高压开关柜 ； 五防 ； 手动并车 ； PLC II ABSTRACT The vacuum circuit breaker is widely used i
3、n the high voltage power system because of its good arc extinguishing capability. In this paper, studies are directed against the ZN series high-voltage vacuum circuit breaker, learned its basic working principle and main technical parameter from the electrical point of view, discussed the “Five-ant
4、i“ anti-maloperation interlocking requirement of the KYN28-12 high-voltage switchgear which uses HVCB as its master switch, and at the same time, put forward several improvement suggestions for the existing functions of “Five-anti“. In addition, with Siemens PLC S7-226 controller, in TPC1062KX touch
5、 screen display device, designed a device to prevent manual operation error of switching the breaker. This design especially for the mastery degree of manual paralleling condition to the person who are in charge of this operation , so in design ,voltage difference, frequency difference, phase differ
6、ence are all detected and judged, device will give a remind when the condition is satisfied. Besides, brake-dividing confirm function is also included in this design, the breaker can be open as long as the confirmation has been done. The anti-maloperation device designed in this paper is debugged, a
7、nd the results show that it can accomplish the scheduled task well. Key word: Vacuum Circuit Breaker； High-voltage Switchgear; Five-anti; Manual Paralleling; PLC III 目 录 第 1章 绪论 . 1 1.1 课题的研究背景及其意义 . 1 1.2 真空断路器发展情况 . 1 1.2.1 国外情况 . 1 1.2.2 国内情况 . 2 1.3 本课题研究的主要内容及工作 . 3 第 2章 ZN63A-12型高压真空断路器 . 4 2.
8、1 ZN63A-12型真空断路器的作用 . 4 2.2 ZN63A-12型真空断路器的结构及特点 . 4 2.3 ZN63A-12型真空断路器的主要技术参数 . 5 2.4 ZN63A-12型真空断路器的工作原理 . 6 2.4.1 接地回路 . 6 2.4.2 储能回路 . 6 2.4.3 合闸回路 . 7 2.4.4 闭锁回路 . 7 2.4.5 分闸回路 . 7 2.4.6 辅助开关回路 . 8 2.4.7 过流回路 . 8 2.5 本章小结 . 8 第 3章 KYN28-12型高压开关柜及其“五防 ” . 9 3.1 KYN28-12型高压开关柜介绍 . 9 3.1.1 KYN28-1
9、2型开关柜的作用 . 9 3.1.2 KYN28-12型开关柜的结构 . 9 3.1.3 KYN28-12型开关柜的特点 . 10 3.2 高压 开关柜 “五防 ”的内容 . 10 3.2.1 “五防”基本要求 . 10 3.2.2 “五防”具体要求 . 11 3.3 KYN28-12型高压开关柜 “五防 ”的实现方法 . 11 3.3.1 几种联锁方法介绍 . 11 3.3.2 KYN28-12型高压开关柜的“五防”实现方法 . 12 3.4 存在的问题以及解决方案 . 12 3.5 本章小结 . 13IV 第 4章 部分 “五防 ”联锁电气设计 . 14 4.1 PLC 和 MCGS 介绍
10、 . 14 4.2 硬件部分设计 . 14 4.2.1 主要硬件 . 14 4.2.2 电压信号的采集与处理 . 16 4.2.3 频率信号的采集和处理 . 17 4.2.4 相位差信号的采集及处理 . 19 4.2.5 其他信号的采集与处理 . 20 4.3 软件部分设计 . 20 4.3.1 手动操作时防止误合闸程序设计 . 20 4.3.2 手动 操作时防止误分闸程序设计 . 23 4.3.3 MCGS 设计 . 23 4.4 本章小结 . 26 第 5章 调试与仿真 . 28 5.1 PLC I/O口分配 . 28 5.2 计数基准脉冲选择以及 MCGS 设备属性设置 . 30 5.3
11、 遇到的问题及解决方法 . 31 5.4 本章小结 . 33 结论 . 34 参考文献 . 35 致谢 . 36 ZN系列高压真空断路器控制系统的研究 1 第 1 章 绪论 1.1 课题 的 研究背景 及其意义 在实际 生产 生活 中，船舶 高压 电力系统 具有 以下几个特点 ： （ 1） 相对陆上来说船舶电站容量较小 。 （ 2） 电源与用电设备之间距离很近，线路阻抗小，短路电流大 。 （ 3） 船舶电力系统负载变化频繁 。 （ 4） 船舶电力系统工作环境恶劣 。 由于 船舶电力系统具有以上特点，就对船 用 变 配电系统提出了很高的要求 。为了 保证高压开关设备的安全稳定运行 ， 避免各类
12、电气 误操作事故的发生 ，同时 保障 操作人员的 人身安全， 以 真空断路器为主开关的 船用配电柜 例如 KYN28-12 型高压 开关柜 的 “五防 ”功能 即是 保证 系统安全、稳定运行的重要措施之一。 “五防 ”功能 的 基本要求 为 防止误分合断路器、 防止带 负荷 分 合隔离开关、防止带接地开关合闸、防止带电合接地开关以及防止误入带电间隔 。此功能 在实际高压开关柜中通常 通过 机械联锁的方法实现 。其中 对于 “防止 误分合 断路器 ”的 防误要求，大多数设备仅采取了提示性的做法，或者 是使用 带万能钥匙的程序锁 来 实现 。这些 做法 虽然 简单且容易实现，但是 在 人工操作环境
13、下，由于信号分散、万能钥匙、工作人员 操作 熟练程度等等原因， 误操作 是 不能完全 避免的。 本文针对 以上不足， 设计 了一个在手动操作时防止误分 、 合断路器 的 监控系统 ，此设计能够将分散的信号 集中起来 ，特别是 手动并车 的时候，将信号 更直观地 展示 于 触摸屏设备上， 能 帮助操作 人员 更好地熟悉现有设备情况 ， 更好地 把握分合闸 条件 ，减小误操作几率， 进一步 保障设备的安全运行和操作 人员的人身安全。 1.2 真空断路器 发展 情况 1.2.1 国外 情况 从 1895 年英国的 Ritten Hause 研制出 第一个 真空灭弧室模型开始 ， 世界上 对开断电弧的
14、研究 逐渐 发展深入 。 1926 年， 美国人 R.W.Sorensen开发了世界上第一台真空断路器 ，但 此后一段时间 ，受限于 技术、材料等原因，真空断路器的研究并未取得很大进步 。直到 1961 年， 美国 GE 公司推出全世界第一ZN系列高压真空断路器控制系统的研究 2 台商用三相真空断路器 ， 之后 真空断路器的研制 继续 快速发展， 其 市场 也 不断地 扩大 ， 尤其是 德国与日本 ， 在 真空断路器的 研究与创新 方面取得了 巨 大 的 成功 ，不论是在 质量还是销量上，它们都遥遥领先 。 在 全球享有盛誉 的几个 真空断路器厂商 中 ， 伊顿电气 集团 已有 40余年 的真
15、空断路器研制经验， 其 在 真空技术、真空工艺、触头材料、真空电弧控制及设计方面 都取得了 很大发展 ， 生产 的 新一代 TVAC 型 抽出式真空断路器 具有体积 与 质量更小 、 可现场检测等 诸多 优点 。 西门子 公司 也是 世界上 较大的 几个真空断路器 制造厂商之一， 在全世界已 有 30余 个 国家 引进了西门子公司的技术 ， 其 掌握 的 3AH系列 真空断路器技术， 已占 市场 上 中压 开关量的 90%， 此外 西门子公司 还 在 21 世纪初 推出 了新一代 智能 型 真空断路器 组件 NXACT开关组件 。 除了以上两家公司 ， 隶属 ABB 公司旗下 的 Calor
16、Emag公司 也 专业生产 真空断路器， 其 产品素以品质著称， 所生产的 VBL 和 VD4 型真空断路器有 结构紧凑 、可 防污染损伤 、 缩小相间距离等优点 ，新型 VMI 型真空断路器 更 配备了免维护的永久电磁操作机构， 零件数 减少了 60%左右 。还有 一 个 著名厂商就是东芝公司， 从 1965年 至今，其已 累计 生产了 250万 只真空灭弧室 ，所生产 的 新型 7.2 kV、 40 kA大容量低过电压 VL型真空断路器不需要 配备 过电压抑制装置 ，是 世界上第一个实现此项技术的公司 ， 其 新开发的 24 kV 超小型 VG 型真空断路器 更 比 原来产品的体积减少了
17、60，质量减小了 38。 1.2.2 国内 情况 国内对 真空断路器的研究 起步较晚 ， 20世纪 60年代 初 才 开始 研究真空灭弧室， 到了 70年代 才 开始生产真空断路器 。 在 早期 时候 ， 国内真空断路器生产以 西安高压开关厂 、 广州南洋电器厂 等 厂商 为主， 但 生产的 也 大 都是 国外 型号的复制品 。 到了 20 世纪 90 年代 以 后 ， 在 国内 ， 真空断路器 开始了 蓬勃发展 ， 应用领域也不断扩大 。多数 制造公司 不断 地 改进技术，创新发展 ， 在 新产品 诞生的 同时 ， 也对老产品进行了提高 和改进 。 石家庄真空开关厂、 宝光 真空开关厂、 西
18、安高压 电器 研究所 、 天水长城开关厂等 工厂或 研究机构 纷纷 成立了研发中心，在 大电流开断 、 开关高压化、 真空 开关 制造技术 以及 新型灭弧室 的研究 等方面 取得了 一定进展。 目前 国产真空断路器 有 ZN 型 户内 真空断路器 和ZW 型 户外真空断路器两 种 1。 现在 国内 真空断路器行业存在的主要 问题 ，一为生产厂家 多 而分散，规模效益差 ； 二为产品引进 和 开发重复， 精品少 ； 三为 竞争激烈而 带来 的低价 政策。这些 问题最直观 的结果 就是国产 真空断路器的 质量 从 整体上来说 与国外 产品相比 还有 一定的差距 。 ZN系列高压真空断路器控制系统的
19、研究 3 1.3 本课题 研究的主要内容及工作 （ 1） 学习、理解 真空断路器 的 结构 以及工作原理， 了解 真空断路器在 高压电力系统 中的作用 。 （ 3）学习 KYN28-12高压开关柜的 二次 原理图， 学会 分析其中 开关之间的动作 关系 。 （ 2）学习 高压开关柜 的 “五防 ”要求 ， 根据 防误 联锁 逻辑， 结合 西门子 PLC S7-200 与 组态软件 MCGS，设计 部分电气联锁 ，与 原有机械联锁配合，实现“五防 ”的 电气 机械 双保险 ， 并对 其中一些 问题 提出改进意见。 ZN系列高压真空断路器控制系统的研究 4 第 2 章 ZN63A-12型高压真空断
20、路器 2.1 ZN63A-12 型 真空断路器的 作用 （ 1） 控制作 用 ： 根据电力系统运行的需要，将部分或全部电气设备，以及部分 或 全部线路投入或退出运行 。 （ 2） 保护作用 ： 当电力系统 某一部分发生故障 时 ，真空断路器和保护装置、 自动装置等 综保装置相配合，将故障部分从 系统中 迅速切除， 缩小 停电范围 ， 防止事故扩大，保护系统中各类电气 设备 不受损坏，保证系统无故障部分稳定运行。 2.2 ZN63A-12 型 真空断路器的 结构及特点 ZN 型 高压真空断路器断路器结构 如图 2.12所示。 图 2.1 ZN63A-12 型 真空断路器结构图 （ 1） 触头部分 采用完全 密封 的结构， 受 外部环境因素影响 小 ，性能稳定，
