6～10 kV線路過電流保護實驗室模擬及Multisim仿真實現

陳旭東，譚曉靜

(1.閩南理工學院 實踐教學中心，福建 石獅 362700；2.閩南理工學院 電子與電氣工程學院，福建 石獅 362700)

電力系統發生短路時，電流會明顯增大，而電壓和線路阻抗明顯降低.過流保護就是利用電力系統發生短路時電流明顯增大的原理來判斷系統是否出現故障[1].在過電流保護實驗中，調節單相自耦調壓器和變阻器，達到模擬被保護線路發生過電流狀態的目的，而檢測電流則使用電流繼電器來實現，電流繼電器過流時動作，繼而通過繼電器、斷路器觸點控制實現線路過電流保護.考慮到實驗室模擬的局限性，特別是強電類實驗室因安全管控需要，開放時間把控較為嚴格，學生現場學習及設備操作需要專門的實驗教師指導、監督，學習時間的安排必然達不到靈活自由.再者因公共安全事件導致的現場學習停課，需要遠程學習時，實驗室現場模擬的短板就展露無遺.運用Multisim軟件平臺，引入虛擬仿真實驗的理念，可以突破時間、空間和設備局限，可以配合遠程教學平臺，使實驗驗證過程更加靈活便利，達到掌握系統原理及實踐手段更加多樣化的目的[2].

1 原理介紹

1.1 線路原理接線圖

圖1是該線路原理接線圖，呈現了基本元器件及控制線路原理.線路圖左側是主電路接線圖，由斷路器觸點控制跳閘及合閘，主電路分A、C兩相電路與電流繼電器組成交流回路[3].線路圖右側是由電流繼電器3/4、時間繼電器5、信號繼電器6、保護出口中間繼電器7所組成的直流回路.A、C兩相電路與電流繼電器3/4組成的交流回路中，保護出口中間繼電器7和信號繼電器6線圈受時間繼電器5常開觸點控制，時間繼電器線圈又受電流繼電器常開觸點控制，當交流回路發生三相短路或任意兩相短路時，電流超過電流繼電器整定值，線圈得電其常開觸點閉合而接通6、7線圈，此時6、7兩繼電器動作.信號繼電器6動作常開觸點閉合，點亮報警信號或指示牌，中間繼電器7控制跳閘線圈9通電，斷路器跳閘切斷交流回路.原理接線圖闡釋了電路的基本原理而沒有具體的接線端口，要進行二次施工，只有原理圖是不夠的，需要配合線路展開接線圖[4].

圖1 原理接線圖

1.2 線路展開接線圖

交流回路和直流回路構成了線路展開接線圖，交流回路按照三相電A、B、C線序展開接線，直流回路按照繼電器的動作次序從上往下分行排列，每一行均有操作回路文字說明.圖2是展開接線圖，包括交流回路、直流回路.A相線路、1LJ和C相線路、2LJ分別組成交流回路，交流電源經過電流互感器1LHa、1LHb分別為兩路供電，兩路交流回路最后接到公共線，右側是交流回路、直流回路示意圖，左側是展開圖，A411、C411和N411為回路編號，直流操作回路供電電源，向上的箭頭及編號101和102表示他們分別是從控制回路(+)、(-)的熔斷器FU1和FU2下面引來[5].橫線條分別代表不同的回路，每一行包括功能器件及觸點控制，從上往下分別是：時間繼電器SJ起動控制，信號繼電器XJ和中間繼電器BCJ起動控制，過流保護信號指示，跳閘電路.

圖2 展開接線圖

1.3 線路過電流保護實驗接線圖

實驗室條件下，無法提供6～10 kV高壓電，故采用220V交流電源做模擬測試，實驗接線圖見圖3.其中圖3(a)是模擬單相交流回路實驗接線圖，通過滑動變阻器R1改變回路電流大小，當電流過大超過電流繼電器LJ整定值時，電流繼電器動作其常開觸點閉合，受其控制的時間繼電器SJ線圈回路接通，時間繼電器動作開始計時，計時時長可根據需要設置，計時完成其延時常開觸點閉合，XJ及BCJ兩個繼電器串聯線圈導通，繼電器XJ動作常開觸點閉合點亮報警燈或者光字牌，繼電器BCJ動作常開觸點閉合接通跳閘回路，跳閘線圈得電使斷路器跳閘，從而實現交流回路斷路保護[6].

(a)模擬主線路(一相)交流回路

(b)直流回路圖3 實驗接線圖

通過展開接線圖，可以清晰地了解實驗接線方法及繼電器動作順序，不僅適用于簡單電路，復雜電路同樣適合[7].

2 Multisim仿真實現

2.1 仿真依據

Multisim具備豐富的元器件庫，仿真功能強大.本項目仿真除了需要用到常用器件庫外，還需要用到主數據庫里“Electro_Mechanical”組的各類功能繼電器，如圖4所示.根據仿真需要選擇合適的繼電器.仿真圖設計依據圖3(實驗接線圖)，交流回路及直流回路按照實驗接線圖來進行設計[8].

圖4 Electro_Mechanical元件組

2.2 仿真電路設計

(1)仿真系統圖設計

Multisim仿真系統圖設計如圖5所示，包含交流回路設計及直流回路設計兩部分.

圖5 仿真系統圖設計

(2)交流回路設計

圖6 交流回路設計

串聯回路中包含變阻器1只、電流繼電器LJ1只、交流電壓表1只、交流電流表1只.所選元器件參數設置參考實際接線圖選擇，滑動變阻器(R)=12.6 Ω，電流繼電器LJ線圈電阻(r)=100 Ω，通態電流(Ion)=500 mA，關態電流(Ioff)=10 mA，輔助繼電器K1通態電流(Ion)=2.2 A，關態電流(Ioff)=10 mA，線圈電阻(r)=100 Ω.

交流回路第一組串聯回路火線L1經過斷路器TQ1常閉觸點，第二組串聯回路火線L2經過斷路器TQ2常閉觸點，兩組回路零線N經過斷路器TQ3常閉觸點，從而實現由斷路器TQ1、TQ2、TQ3控制交流回路合閘、跳閘，如圖7所示.

圖7 合閘跳閘電路設計

在Multisim仿真電路中，電流繼電器LJ常開觸點會因過流產生不斷的“吸合-斷開”現象，若將常開觸點直接用于控制直流回路的時間繼電器SJ線圈，時間繼電器線圈因不能保持吸合而不能正常工作[9].基于此現象，在交流回路中設置輔助繼電器K1，如圖8所示.

圖8 輔助繼電器K1設計

K1設置自鎖電路，當電流繼電器LJ過流常開觸點接通引發K1線圈吸合并自鎖，其常開觸點閉合接通時間繼電器SJ，此時K1不再受電流繼電器LJ常開觸點控制，直到直流回路復位，K1自鎖解除.

(3)直流回路設計

直流回路各模塊工作電源DC 220 V.由時間繼電器SJ、信號繼電器XJ、保護出口中間繼電器BCJ、直流電流表、指示燈GP、解除按鍵SB組成，如圖9所示.

圖9 直流回路設計

時間繼電器線圈由輔助繼電器K1控制，計時時間可根據需要設置.交流回路過流時通過輔助繼電器K1觸發時間繼電器SJ開始計時，計時完成后時間繼電器常開觸點閉合，信號繼電器XJ及保護出口繼電器BCJ線圈同時吸合工作并自保持，此時過流保護指示燈點亮，斷路器TQ得電工作使交流回路斷路從而實現過流保護[10].

所選元器件參數設置參考實際接線圖，根據Multisim軟件仿真的特點做出適當設置.由于使用220 V直流電源，時間繼電器SJ線圈電阻(r)=100 Ω，所以通態電流(Ion)計算得出220/100=2.2 A，關態電流(Ioff)=10 mA，時間設為500 ms.信號繼電器XJ及保護出口中間繼電器BCJ線圈電阻均為100 Ω，串聯回路總電阻=200 Ω，故通態電流(Ion)計算得出220/200=1.1A，關態電流(Ioff)=10 mA.指示燈GP額定電壓選擇220 V.

2.3 仿真操作

(1)仿真前準備

將交流回路滑動變阻器R1、R2阻值滑到最大值，打開電流表XMM1、XMM2讀數界面，用以觀測交流回路電流.打開電壓表XMM3、XMM4讀數界面，用以觀測交流電源變壓器輸出電壓.此時系統未上電，電壓表、電流變均無示數.

(2)線路未過流運行

按下Multisim“運行”按鈕，系統上電運行，此時交流回路未過流，直流回路不觸發運行，斷路器不跳閘.觀測并記錄電流表XMM1、XMM2及電壓表XMM3、XMM4示數，如圖10所示.

圖10 線路未過流運行

(3)線路過流保護

任意選擇一路交流回路，這里選擇第一路回路.將滑動變阻器R1向左滑動到最小，此時交流回路過流，電流繼電器1LJ線圈吸合，其常開觸點閉合，經輔助繼電器K1觸發的直流回路時間繼電器SJ開始計時，計時結束后信號繼電器XJ及保護出口中間繼電器同時觸發運行，此時信號報警燈點亮，斷路器TQ1、TQ2、TQ3同時跳閘，實現交流回路過流保護.此時觀察各繼電器工作狀態并觀測各儀表示數，并做記錄，如圖11所示.

(a)交流回路過流觸發直流回路-未跳閘

(b)交流回路過流觸發直流回路-已跳閘圖11 交流回路過流觸發直流回路

(4)過流保護解除

在實際供配電線路的維護工作中，若出現過電流保護警報、跳閘，則需要第一時間切斷高壓電源，進行線路檢修排查故障.在此項仿真實驗中，可通過將滑動變阻器R1向右滑動到最大實現線路復原，達到模擬交流回路檢修的目的.在直流回路中，用一個常閉點觸按鈕SB控制繼電器自鎖回路，點觸按鍵即可切斷回路.若線路檢修完畢，通過點觸SB按鈕實現解除警報、線路合閘的目的.

若線路沒有檢修完畢，點觸SB按鈕后，警報短暫解除，交流回路短暫合閘，時間繼電器SJ再次被觸發計時，計時結束后警報再次執行，線路再次跳閘.線路設計如圖12所示.

圖12 警報、跳閘解除電路

(5)仿真結果分析

仿真過程需對照現場實驗記錄表，在交流回路未過流狀態、過流狀態及過流保護解除等不同仿真形式下各個繼電器的動作狀態與現場模擬實現能夠保持一致，達到虛擬仿真的目的.

3 結 論

虛擬仿真實驗技術不斷革新及大力普及，改變了強電類實驗只能在實驗室進行的狀況，將學生學習理論及實踐的場所無限拓展，從課堂延伸到課外，真正做到了隨時隨地仿真訓練.學生能在虛擬仿真訓練中主動參與項目設計，借助多媒體形式將枯燥難懂的理論知識形象化、生動化，能更快更好地掌握知識點.然而只有虛擬仿真而沒有實物操作訓練，強電類實驗教學必將會走進教學誤區，不利于培養應用型專業技術人才.因此，強電類的虛擬仿真實驗教學，必須跟實驗室實操演練有機結合，在發揮虛擬仿真教學智能化、跨區域、無時限及安全度高等優勢的同時，加強實驗室現場教學方法研究及項目設計很有必要.針對6～10 kV線路過電流保護實驗的需要，本項設計在利用實驗室現場設備完成模擬的基礎上，引入虛擬仿真的實驗方法，初步也取得了較為理想的教學效果.以本項目為起點，后繼的實物演練及虛擬仿真實驗教學相結合的課程設計將會越來越合理化、規范化.