繼電保護專題實驗實施過程及設備研制

高　瑜, 孫思雅, 趙建文, 李　忠, 黃永平

(西安科技大學 電控學院, 陜西 西安　710054)

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繼電保護專題實驗實施過程及設備研制

高瑜, 孫思雅, 趙建文, 李忠, 黃永平

(西安科技大學 電控學院, 陜西 西安710054)

詳細介紹了“繼電保護原理及應用”綜合實驗實施形式、題目選擇，分析了實驗的可行性、給出了線路參數、提供元器件和提出要求。實驗室自制實驗板。要求學生自行完成一個電氣產品設計到制作的全過程。分析了實驗中常見問題及解決對策。通過實驗的實施,不僅使學生加深對課程的理解和掌握,更能培養學生團隊協作能力、自己動手分析和解決實際問題的能力。實驗使用自制實驗板,不僅節約經費,更能適應實驗實際需求。

繼電保護； 三段過流； 實施方案； 設備研制

針對學生畢業后大多工作在生產一線,要求具有很強的動手能力和解決實際問題能力，但學校對學生該方面能力培養不夠。我校電氣專業采用“3+1”教學模式，理論課教學前6學期基本完成,第7學期設計了若干個綜合專題實驗,提高學生動手和分析解決實際問題的能力。專題實驗特點是實驗室只提供實驗原件和要求,學生自己完成設計和調試等實驗全過程。繼電保護原理及應用作為該專業一門主干課程,并且工作后應用非常廣泛，要求學生必須掌握,但學生對繼電保護工作過程和設備不熟悉,沒有感性認識,對內容理解不是非常透徹。為此,設置其中一個為繼電保護專題實驗,通過專題實驗使學生能夠掌握繼電保護動作過程及定值整定方法。

1　實驗選題及要求

1.1題目選擇

微型計算機保護已廣泛地應用于實際變配電系統中,計算功能大幅度提高,保護功能更加齊全,但保護裝置集成度高。學校購買了一套微型計算機保護屏,包括線路、變壓器及電動機微型計算機保護單元,但學生只能通過計算機或操作面板進行保護整定值更改,沒有對保護原理和保護動作過程形成一個感性認識,不能夠完全理解繼電保護動作原理。

選擇傳統電磁式繼電器作為電流采集、比較邏輯器件,雖然功能簡單且體積大,但學生可以自己動手,直觀地觀測繼電保護動作過程。選定題目為單側輻射型電源三段過電流保護,比較邏輯元件采用電流繼電器、延時元件采用時間繼電器、信號元件采用信號繼電器、斷路器采用交流接觸器代替,都可以直觀地觀測到動作全過程,加深學生對該課程理解[1-3]。

1.2三段保護介紹及實驗要求

依據短路電流計算表明,短路電流IK大小與短路點到電源間總阻抗RΣ有關,且滿足式(1)。

(1)

其中ES和RS為系統參數；R0為單位長度線路阻抗； l為短路點到保護安裝處距離。從式(1)可以得到短路電流的大小,且短路電流隨著距離增加逐漸減小。實驗要求中線路長度如圖1所示。

圖1　三段式電流保護原理圖

根據繼電保護基本要求:如果在AB段(K1)處發生短路,QF2處保護動作,BC段(K2)處發生短路,QF3處保護動作。如果K2點發生短路時,實際中K2點與母線B之間阻抗很小,K2和B短路電流基本相等,應該由QF3來跳閘,但可能造成QF2和QF3競爭跳閘,失去選擇性。為了防止發生此種現象,除通過改變電流整定值外,還可增加跳閘延時時限Δt來控制跳閘順序,從而形成三段過電流保護。電流大小和時限如表1所示。

表1　三段動作電流、時限比較表

電力系統中供電距離較長,但是短路阻抗可以看作為0.4 Ω/km,這樣就可以通過調整電阻器阻值來模擬線路發生短路時短路阻抗的大小。同時根據負載阻值的大小,產生不同的短路電流,可以模擬三段過電流保護。由于通常情況下三相短路電流最大,所以采用三相短路作為定值整定計算的短路形式。

1.3實驗實施步驟安排

理解要求后,按下述步驟進行:查找資料,計算保護整定值；查閱元器件參數和功能；校驗元器件,安裝好元器件；繪制系統原理圖；依照接線圖接好線后,上電試驗；記錄實驗結果,看是否與計算結果相吻合；在調試過程中如果出現問題,返回第一步,仔細分析并記錄好故障排除過程,故障排除后,再次上電試驗[4-5]。

2　保護參數計算

2.1速斷保護(Ⅰ段)定值計算

三相最大短路電流

Ⅰ段繼電器動作電流:

(2)

Ⅰ段時限:

(3)

2.2限時速斷(Ⅱ段)定值計算

Ⅱ段繼電器動作電流:

(4)

Ⅱ段時限:

(5)

2.3過電流保護(Ⅲ段)定值計算

Ⅲ段繼電器動作電流:

(6)

Ⅲ段時限:

(7)

3　所需實驗元件及元件校驗

3.1實驗所需原件清單

依據三段過電流保護專題實驗的要求,互感器采用不完全星形接法,所需元器件如表2所示。

表2　主要電氣原件明細及功能介紹

3.2互感器校驗

根據計算,互感器采用變比為20/5的互感器,但由于互感器精度不能保證,需要校驗,通過改變互感器匝數來調整變比,其中A1選用30 A電流表,A2選用5 A電流表。通過表的讀數調整匝數,從而得到理想變比。測試電路圖如圖2所示。

圖2　電流互感器校驗電路圖

3.3電流繼電器校驗

電流繼電器采用許繼生產的DL-33型號,該繼電器有2個線圈,單個線圈最大電流刻度為3 A,根據定值計算,速斷和限時速斷整定值大于3 A,所以線圈采用并聯方式接線。過電流保護采用線圈串聯接線方式,通過調整變阻器,按照定值要求整定電流繼電器,并計算出返回系數,校驗電路如圖3所示。

圖3　電流繼電器校驗電路圖

3.4時間繼電器校驗

Ⅱ段和Ⅲ段動作時間需要延時,系統選用時間繼電器采用許繼DS-22C型號,由于使用頻繁,定時不是很準確,需要通過毫秒表進行校驗,使其能夠滿足定時要求,測試電路圖如圖4所示。

圖4　時間繼電器校驗電路圖

3.5實驗板實物圖

依據上述方法,對電氣元件測試完成后,其他原件直接通電測試,對實物進行安裝。安裝后實物圖如圖5所示[6-8]。

圖5　三段過電流實物圖

4　實驗具體實施過程

4.1原理圖設計

系統一次回路由進線斷路器控制,負載采用分段電阻器,可以通過阻值調整改變三相短路電流大小,從而模擬線路的短路電流。采用不完全星形接法,二次回路經過2個電流互感器。分別接在A、C相,采集電流送入6個電流繼電器,分別作為Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段電流繼電器。其中,Ⅰ段和Ⅱ段采用線圈并聯接法,Ⅲ段采用串聯接法。Ⅰ段直接送入信號繼電器,Ⅱ段和Ⅲ段繼電器觸點信號送給時間繼電器,經過延時,然后分別送入信號繼電器和中間繼電器。通過中間繼電器觸點信號控制交流接觸器的通斷,從而控制斷路器的跳閘與否,起到了繼電保護的功能。通過對電流表的讀數,可以直觀讀出保護動作電流大小。實驗原理圖如圖6所示,同時增加了手動合閘、分閘功能,以及自動重合閘功能。

圖6　實驗原理圖

4.2接線和調試

學生根據自己設計的電路圖自行接線,接好線經過仔細檢查后方可上電。調整阻值大小,模擬線路阻抗,從而改變電流大小,模擬三段跳閘。上電調試如圖7所示。

圖7　三相短路測試實物圖

調試過程中,需要幾個工序同時操作,必須同組學生互相配合,培養學生的協作精神。

5　實驗中遇到的問題和缺陷分析

5.1越級跳閘問題

應該Ⅱ段動作,但是Ⅱ段沒有動作,而是Ⅰ段跳閘,常見原因如下:Ⅱ段和Ⅰ段動作電流沒有形成級差,并且短路電流既能滿足Ⅰ段動作電流,也滿足Ⅱ段動作電流,形成Ⅰ段和Ⅱ段同時動作,但是由于Ⅰ段沒有時限,而Ⅱ段有動作時限,所以引起Ⅰ段跳閘。解決方法:

(1) 通過調整電阻器調整短路電流,使得短路電流值處在Ⅰ段和Ⅱ段動作電流之間。

(2) 調整電流繼電器整定值,形成動作電流大小級差。

5.2斷路器拒動

實驗中電流繼電器已動作,但是斷路器并沒有動作,常見原因如下:

(1) 系統中主回路、電流繼電器和斷路器線圈采用交流供電,而時間繼電器、信號繼電器和中間繼電器線圈使用直流供電,容易交流和直流混淆。

(2) 時間繼電器采用電磁式時間繼電器,其觸點不是很可靠,通常線圈得電,但是觸點沒有完全閉合。

5.3信號繼電器拒動

實驗中信號繼電器不能正確指示動作,常見原因是信號繼電器吊牌未復歸,因為信號繼電器動作后要進行手動復歸,不能自動復歸[9-11]。

5.4實驗設置中缺陷

(1) 學生接線未形成規范化,接線混亂,不能形成橫平豎直的配線,如果出現故障,不能立即找到故障原因。

(2) 線路裸露在外部,存在一定安全隱患,但是如果封閉起來后,存在接線和改線不方便,且不能直觀,要求上電調試過程中,教師必須在現場。

6　結語

通過繼電保護專題實驗的實施,學生能夠發揮自己的主觀能動性,培養了學生以下能力:

(1) 經歷一個完整的設計、安裝、接線和調試的全過程,走向工作崗位后能夠很快適應設備工作的全過程。

(2) 繪圖中圖紙完全按照工程圖紙繪制,對圖簽和元器件符號嚴格按照國標執行,培養學生走向工作后讀圖和繪圖的能力。

(3) 培養學生設計思路,即所有設計都必須經過嚴格計算,然后指導設計,而不是直接畫圖。

(4) 上電過程中,既有交流又有直流,可以出現不同的故障,培養學生分析和解決故障問題的能力。

(5) 培養學生的協作精神,共同完成一個綜合實驗[12-13]。

作為培養電氣專業的學生,一定要培養他們的安全意識和“膽大心細”的心理。經過幾年的“3+1”教學實驗,學生的動手能力得到了顯著的提高,就業形勢非常不錯,成為學校報考熱門專業,并且根據用人單位的反饋意見,學生動手能力比以往有了很大的提高。

References)

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[3] 詹習生,張先鶴.淺談電氣工程及其自動化專業實驗體系的構建[J].中國電力教育，2009(6):141-142．

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[11] 王智東，王鋼，胡少強．新型繼電保護實驗平臺建設 [J].電氣電子教學學報，2009，31(4):78-80．

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[13] 高瑜，付周興,李忠,等.電氣專業綜合設計實驗教學探討[J].實驗室科學，2012，15(3)：34-36.

Implementation of special subject experiment of Relay Protection and equipment development

Gao Yu, Sun Siya, Zhao Jianwen, Li Zhong, Huang Yongping

(College of Electrical and Control Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

The implementation mode and subject selection of the comprehensive experiment for the Principle and Application of Relay Protection course are introduced in detail. The feasibility of the experiment is analyzed, the circuit parameters are presented,the components are provided, the experimental board is made by students themselves, and the requirements are set up. Students are required to complete a whole process of making an electrical product by themselves and analyze the common problems in the experiment and solve these problems. Through the experiment, the students can not only deepen their understanding and mastering of the course, but also cultivate their cooperative ability for teamwork and for their analyzing and solving actual problems on their own. The self-made experimental board not only saves money, but also fits well into the actual needs of the experiment.

relay protection; three-stage over-current; implementation plan; equipment development

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.043

2016-04-24

陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2015JM5211)；西安科技大學2014年本科教學實驗室自研儀器設備項目

高瑜(1978—),男,陜西橫山,碩士，高級工程師,從事電氣控制等方面的教學研究.E-mail：xkdgy@163.com

G642.423

A

1002-4956(2016)10-0171-05