多臺變壓器聯(lián)鎖關(guān)系及柴油發(fā)電機(jī)起動信號的探討

齊東明, 段素政, 孫人杰

(1.中國海誠工程科技股份有限公司, 上海 200031;2.華潤電力江蘇大區(qū), 江蘇 宜興 214200)

0 引 言

工程設(shè)計(jì)中,3臺或4臺變壓器組合時,各主斷路器和母聯(lián)開關(guān)之間需設(shè)置電氣聯(lián)鎖。另外,為提高電源可靠性,會增加柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。本文分析多臺變壓器電氣聯(lián)鎖關(guān)系及實(shí)現(xiàn)形式,并對柴油發(fā)電機(jī)起動信號的拾取進(jìn)行探討。

1 3臺變壓器的聯(lián)鎖關(guān)系

1.1 3臺變壓器的組合

3臺變壓器的組合形式如圖1所示。

圖1中,QF1、QF2、QF3分別為3臺變壓器T1、T2、T3的主開關(guān),QF4、QF5為母聯(lián)開關(guān)。3臺變壓器平時正常運(yùn)行,各自負(fù)責(zé)所帶負(fù)載的供電。8種運(yùn)行方式邏輯如表1所示,其中“1”表示合閘,“0”表示分閘[1]。

圖1 3臺變壓器的組合形式

當(dāng)T1、T2、T3中的1臺或2臺故障或檢修時,5個開關(guān)需滿足合閘3個的要求。另外,對于QF1、QF2、QF4組合和QF2、QF3、QF5組合,還需滿足3個開關(guān)不能同時合閘的要求。因此,表1中沒有11010、01101、11101等組合。

1.2 聯(lián)鎖關(guān)系的簡化

表1中邏輯關(guān)系可以采用真值表的方法?；诳ㄖZ圖和狄摩根定理[2-3],可以將真值表簡化為最小表達(dá)式,就可將二次回路中復(fù)雜的邏輯關(guān)系運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法推導(dǎo)和簡化。其中“+”表示或運(yùn)算,“·”表示與運(yùn)算,常省略。

表1 8種運(yùn)行方式邏輯

以表1中各類運(yùn)行方式為基礎(chǔ),以QF1為輸出量,輸入量為QF2、QF3、QF4、QF5,進(jìn)行分析,簡化聯(lián)鎖關(guān)系。QF1對應(yīng)的邏輯表達(dá)式為F1=F(QF2,QF3,QF4,QF5)。QF1對應(yīng)的真值如表2所示。

表2中,“0”表示分閘,“1”表示合閘。對于斷路器,既要滿足5個斷路器合閘3個的要求,又要部分滿足3個斷路器合閘2個的要求,因此有些輸入量組合是不被允許的。以QF1為輸出量,輸入變量QF2、QF3、QF4、QF5對應(yīng)的0000、0001、0010、0100、1000、1010、1101、1111是無效組合。由于這些未允許的狀態(tài)不會在涉及代碼的應(yīng)用中出現(xiàn),可以被當(dāng)作“無關(guān)緊要”項(xiàng)來處理,對輸出沒有影響。即這些“無關(guān)緊要”項(xiàng)可以賦予輸出一個1或0,有利于最小表達(dá)式的進(jìn)一步形成。表2及后述類似表格中,對“無關(guān)緊要”項(xiàng)用X來表示。

表2中表達(dá)輸出項(xiàng)和輸入項(xiàng)的邏輯關(guān)系,在實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步簡化,使用卡諾圖是一種簡便、有效的方法。4個輸入變量的卡諾圖布局如圖2所示。

卡諾圖利用幾何位置上的相鄰,表示各個最小項(xiàng)之間在邏輯上的相鄰性。兩個相鄰最小項(xiàng)可以合并為一個“與”項(xiàng)并消去一個變量,因此對于卡諾圈越大越好,這樣消去的互非變量越多[2-3]。

圖2 4個輸入變量的卡諾圖布局

對于QF1的表達(dá)式F1,卡諾圖的化簡過程(一)如圖3所示,表示簡化時的各個卡諾圈(如圈k1、圈k2、圈k3)。

圖3 卡諾圖的化簡過程(一)

2 4臺變壓器的聯(lián)鎖關(guān)系

2.1 4臺變壓器的組合

4臺變壓器的組合形式如圖4所示,QF1、QF2、QF3、QF4分別為4臺變壓器T1、T2、T3、T4的主開關(guān),QF5、QF6、QF7為母聯(lián)開關(guān)。此時7個開關(guān)需滿足合閘4個的要求,同時QF1、QF2、QF5這種組合還需滿足3個開關(guān)不能同時合閘的要求。21種運(yùn)行方式邏輯如表3所示[4]。

圖4 4臺變壓器的組合形式

2.2 聯(lián)鎖關(guān)系的簡化

卡諾圖的輸入變量超過5時,原有的卡諾圖已不能表示其中的邏輯關(guān)系,需采用降維、奎恩-麥克拉斯基化簡法(Q-M法) 、對稱合并等方法[2-3]。本文選擇對稱合并的方法。邏輯函數(shù)有6個輸入變量時,表達(dá)式為F(A、B、C、D、E、F)。多變量時的卡諾圖布局如圖5所示。多變量邏輯函數(shù)最小項(xiàng)合并原則為:使用卡諾圈得出最小項(xiàng)后,再觀察是否關(guān)于L1、L2、L3、L4、L5、L6軸對稱,如果對稱,則可以合并。當(dāng)有多個合并結(jié)果時,選擇結(jié)果最簡的合并法[2-3]。

表3 21種運(yùn)行方式邏輯

圖5 多變量時的卡諾圖布局

4臺變壓器組合時,主開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)共7個,每個開關(guān)相對于其他的為6個輸入變量。QF1為輸出變量時,對應(yīng)的輸入變量為QF2、QF3、QF4、QF5、QF6、QF7。以表3為邏輯基礎(chǔ),QF1的邏輯表達(dá)式為F1(QF2,QF3,QF4,QF5,QF6,QF7)。采用類似1.2節(jié)的方式,可以列出以QF1為輸出對象的真值。

對F1采用卡諾圖的化簡過程如圖6所示。

圖6 對F1采用卡諾圖的化簡過程

同理,可得出QF2、QF3、QF4、QF5、QF6、QF7的對應(yīng)的表達(dá)式F2、F3、F4、F5、F6、F7依次如下:

采用狄摩根定理對上述進(jìn)行取非運(yùn)算,如下所示:

3 Multisim軟件在邏輯化簡中的應(yīng)用

Multisim是一款適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)和仿真軟件,包含電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式等豐富內(nèi)容[5]。此軟件的邏輯變換器功能,可有效快速地將真值表化簡為最簡的與/或形式。Multisim軟件的化簡對話框界面如圖7所示。

圖7 Multisim軟件的化簡對話框界面

4 變壓器聯(lián)鎖邏輯關(guān)系的實(shí)現(xiàn)形式

以3臺變壓器的5個開關(guān)為例,斷路器QF1、QF2、QF3、QF4、QF5對應(yīng)的常開輔助觸點(diǎn)取為QF1-1、QF2-1、QF3-1、QF4-1、QF5-1,對應(yīng)的常閉輔助觸點(diǎn)取為QF1-2、QF2-2、QF3-2、QF4-2、QF5-2。

圖8 QF1的合閘邏輯回路和分閘邏輯回路

對于其他斷路器的分合閘邏輯回路,使用上述得出的邏輯表達(dá)式,采用類似方法均可得出。

在上述分析中,多處用到斷路器的常閉和常開觸點(diǎn),但對于斷路器的常閉和常開的輔助觸點(diǎn),廠家一般最多做到6閉6開,再考慮到其他用途,斷路器自帶的輔助觸點(diǎn)不夠用,可采用雙位中間繼電器或可編程邏輯控制器(PLC)擴(kuò)展的方法來彌補(bǔ)[1-4]。

5 多臺變壓器與柴油發(fā)電機(jī)結(jié)合時起動信號的拾取

5.1 起動信號的拾取

當(dāng)增加柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源時,柴油發(fā)電機(jī)的出線可以與所有變壓器結(jié)合,也可以從邏輯運(yùn)行表(表1和表3)中綜合分析,從而使系統(tǒng)簡明清晰。對于3臺變壓器與柴油發(fā)電機(jī)的結(jié)合,配電系統(tǒng)圖(一)如圖9所示。自動轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置(ATSE)用于電源之間的切換。有用于末端設(shè)備的后端ATSE,也有在配電系統(tǒng)前端進(jìn)行切換的ATSE。相對于后端ATSE,為便于分析,將圖9中QF6和QF7形成的ATSE稱之為前端ATSE。

對于后端的ATSE,可分為3種情況。柴油發(fā)電機(jī)起動信號的來源分析[6-7]如下:

圖9配電系統(tǒng)圖(一)

第1種情況,后端ATSE的兩路來自于T1的母線1和T2的應(yīng)急母線,則選擇QF1和QF2的輔助常閉觸點(diǎn)都動作時作為起動信號,兩個輔助觸點(diǎn)采用邏輯與的方式串聯(lián),即T1和T2都失電時起動柴油發(fā)電機(jī)。

第2種情況,后端ATSE的兩路來自于T3的母線3和T2的應(yīng)急母線,則選擇QF3和QF2的輔助常閉觸點(diǎn)都動作時作為起動信號,即T3和T2都失電時起動柴油發(fā)電機(jī)。柴油發(fā)電機(jī)的起動信號原理圖(一)如圖10所示。

圖10柴油發(fā)電機(jī)起動信號原理圖(一)

圖11 柴油發(fā)電機(jī)起動信號原理圖(二)

在柴油發(fā)電機(jī)起動信號拾取的分析中,如果同時考慮母聯(lián)情況,將使起動信號來源復(fù)雜。以第1種情況為例,雖然T2失電后,T3可以向T2或T1供給電源,但通過母聯(lián)向相關(guān)變壓器供電的時間不一定比柴油發(fā)電機(jī)起動時間短,且柴油發(fā)電機(jī)起動來源應(yīng)簡單、可靠。如果來源復(fù)雜,不利于柴油發(fā)電機(jī)起動。其他情況的分析前提也與此類似。

對于4臺變壓器與柴油發(fā)電機(jī)的結(jié)合,配電系統(tǒng)圖(二)如圖12所示。由于4臺變壓器之間可以互相供給,對于重要設(shè)備的配電形式,為避免系統(tǒng)混亂,對于含有應(yīng)急母線1的后端ATSE,后端ATSE的另一路引自母線2;對于含有應(yīng)急母線2的后端ATSE,后端ATSE的另一路引自母線3。

圖12 配電系統(tǒng)圖(二)

此時,QF2和QF1的輔助常閉觸點(diǎn)都動作時可以起動柴油發(fā)電機(jī);QF3和QF4的輔助常閉觸點(diǎn)都動作時也可以起動柴油發(fā)電機(jī),即上述兩者任意一組觸點(diǎn)接通,都可以起動柴油發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)起動信號原理圖(三)如圖13所示。

圖13 發(fā)電機(jī)起動信號原理圖(三)

5.2 ATSE遠(yuǎn)離變壓器時的情況

以3臺變壓器的情況為例,當(dāng)QF6和QF7形成的前端ATSE離變壓器較遠(yuǎn)時,如前端ATSE在柴油發(fā)電機(jī)房,且柴油發(fā)電機(jī)房又離變電所較遠(yuǎn),配電系統(tǒng)圖(三)如圖14所示。與圖9相比,由于離變電所較遠(yuǎn),增加QF8斷路器。

ATSE本身起動柴油發(fā)電機(jī)的原理,以QF6和

圖14 配電系統(tǒng)圖(三)

QF7形成的前端ATSE為例,工作原理[8-9]為:當(dāng)QF6動作(可能為失壓、過壓或欠壓等)后,內(nèi)部控制器開始動作,經(jīng)過數(shù)次時間間隔延時,完成QF6斷開、QF7閉合、發(fā)送柴油發(fā)電機(jī)起動信號等一系列動作,這種方式滿足相關(guān)規(guī)范要求。但由于此方式只取一個節(jié)點(diǎn)為信號,會產(chǎn)生誤動作。如QF2失電后,QF6也將失電,進(jìn)而ATSE內(nèi)部控制器將起動柴油發(fā)電機(jī),對于前述5.1節(jié)的3種情況來說,無論哪一種情況,后端ATSE的另外一路(來自T1或T2)都是有電的,即在后端ATSE其中一路有電的情況下起動柴油發(fā)電機(jī)。

如果取自后端ATSE,誤動作的原因也類似。且在供電系統(tǒng)復(fù)雜時,后端ATSE的數(shù)量也較多。對于后端ATSE,動作時應(yīng)發(fā)出信號,及時告知相關(guān)人員和控制中心。另外,內(nèi)部控制器處于連續(xù)工作狀態(tài),ATSE的大多數(shù)故障是控制器故障。

因此,為了避免上述誤動作,同時考慮前端ATSE遠(yuǎn)離變壓器等情況。相對于5.1節(jié)描述的起動信號的拾取點(diǎn),此處將QF2的常閉觸點(diǎn)用QF6的常閉觸點(diǎn)替代,其余保持不變。例如,當(dāng)后端ATSE的兩路既有來自于母線1和應(yīng)急母線的情況,也有來自于母線3和T2的應(yīng)急母線時(即5.1節(jié)的第3種情況),發(fā)電機(jī)起動信號原理圖(四)如圖15所示。

圖15 發(fā)電機(jī)起動信號原理圖(四)

6 結(jié) 語

對3臺或4臺變壓器的聯(lián)鎖邏輯關(guān)系,運(yùn)用卡諾圖進(jìn)行分析總結(jié),并對柴油發(fā)電機(jī)起動信號的來源進(jìn)行探討。

(1) 對于多臺變壓器的聯(lián)鎖,使用卡諾圖或Multisim軟件化簡,將復(fù)雜邏輯關(guān)系簡化,在電氣控制設(shè)計(jì)的其他方面也可廣泛應(yīng)用。

(2) 一般卡諾圖在變量多于5個時,邏輯相鄰關(guān)系已很難表達(dá),需做出改進(jìn),可采用降維、Q-M法、對稱合并等方法,或采用Multisim軟件。

(3) 當(dāng)斷路器的輔助觸點(diǎn)不夠時,可采用雙位繼電器、PLC的方式來彌補(bǔ),另外PLC各廠家的編碼各不相同。但不管采用何類方式實(shí)現(xiàn),都是基于由各種運(yùn)行方式得出的邏輯表達(dá)式。需注意當(dāng)斷路器自身的輔助觸點(diǎn)不足時,斷路器自身的輔助觸點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先用于消防。

(4) 聯(lián)鎖操作的斷路器應(yīng)裝設(shè)失壓脫扣器,否則不能防止手動誤合閘,即聯(lián)鎖不完善。

(5) 使用各類算法和軟件前應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況,正確分析邏輯關(guān)系。

(6) 柴油發(fā)電機(jī)的起動信號要針對具體情況具體分析,以達(dá)到更好的效果。