基于Multisim電力線路過流保護仿真實驗的設(shè)計

曾禮光　陸巍巋

【摘 要】以10KV單側(cè)電源輻射式供電線路為控制對象，以定時限過流保護和電流速斷保護的仿真實驗為內(nèi)容，采用兩相不完全星形的繼電保護的接線方式，充分依托Multisim 技術(shù)強大的元件庫及仿真分析功能，完成了電力線路過流保護裝置的電路設(shè)計及仿真運行，為高壓線路繼電保護的電流和時限的整定提供一個實驗和實訓的平臺。

【關(guān)鍵詞】Multisim 線路 過流保護 設(shè)計

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）04C-0187-03

在供配電系統(tǒng)中，過載和短路是一種常見的故障，為了確保系統(tǒng)的可靠運行，通常需要安裝有各種不同類型的繼電保護裝置，而掌握繼電保護裝置的構(gòu)成、原理及其整定電流的計算，則是高等學校電類專業(yè)學生必須具備的基本技能。要實現(xiàn)這一教學目的，最有效的方法是將課程與實際接軌，通過開設(shè)大量的實驗，從而為知識向技能的轉(zhuǎn)化搭建一個聯(lián)系的橋梁。然而，由于供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及設(shè)備的超大性，不可能將實際運行的設(shè)備搬進實驗室，而運用小容量的器件所進行的物理仿真實驗，由于所選用的器件與實際運行的電氣設(shè)備，無論是結(jié)構(gòu)上還是性能上都存在著較大的差異，其實驗的效果也大打折扣，這種實驗教學的現(xiàn)狀，嚴重制約著電力系統(tǒng)實驗與實訓教學向深層次的發(fā)展。Multisim 作為電力系統(tǒng)自動化技術(shù)教學的輔助實驗教學手段，具有自動化功能程度高、功能完善、運行速度快，而且操作界面友善，有良好的數(shù)據(jù)開放性和互換性，非常適合于電類專業(yè)課程的教學和實驗。

一、基于Multisim電力線路過流保護電路的設(shè)計

根據(jù)《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》（GB 50062-1992）的規(guī)定：對3-66KV電力線路，應(yīng)裝設(shè)相間短路保護、單相接地保護和過負荷保護。對于電力線路的短路保護，目前常采用的方法有兩種，一是帶時限的過電流保護，二是瞬時動作的電流速斷保護，簡稱為電流速斷保護，它的動作時限取決于繼電器本身的固有動作時間，其選擇性是依靠選擇適當?shù)膭幼麟娏鱽斫鉀Q。

（一）電力線路過流保護仿真模型的建立

過流保護實驗仿真的對象是10KV的電力線路，其實驗電路模型主要由10KV母線、高壓隔離開關(guān)、高壓斷路器、10/0.4KV變電所、用電設(shè)備、繼電保護裝置及斷路器控制器等設(shè)備組成，如圖1所示。

繼電保護裝置主要負責監(jiān)視負載電流，當線路異常而導(dǎo)致過載或發(fā)生短路故障時，及時發(fā)出報警信號并控制斷路器控制器切斷電源，從而將線路故障從電網(wǎng)中分離出來。該電路采用了兩相兩繼電器式接線，也稱為兩相不完全星形聯(lián)結(jié)，電流互感器和電流繼電器串聯(lián)在一個回路中，因此，流入電流繼電器的電流IKA就是電流互感器的二次電流I2，其接線系數(shù)為

（2-1）

當一次回路發(fā)生任何形式的相間短路時，電流繼電器的電流IKA和電流互感器的電流I2相等，因此，其接線系數(shù)KW=1。

（二）電力線路過流保護仿真電路的設(shè)計

電力線路過流保護分為帶時限過流保護和電流速斷保護兩種，其繼電保護電路的結(jié)構(gòu)、原理及控制方式基本相同，兩者的區(qū)別在于繼電器動作電流的整定值不同，對于電流速斷保護的動作電流應(yīng)按躲過它所保護線路末端的最大短路電流來整定，就保護的區(qū)域而言，它不能保護線路的全長。因此，凡裝設(shè)電流速斷保護的線路，一般都需要安裝帶時限的過電流保護作為后備保護，以彌補速斷保護存在死區(qū)的缺陷。

1.過流或短路保護控制流程圖的設(shè)計

對于10KV單側(cè)電源輻射式供電線路，主要由供電母線、開關(guān)組件、電流互感器、電流繼電器、變電所和用電設(shè)備等組成，仿真實驗包括送電、運行、發(fā)生故障、自動保護等工作過程，其控制流程圖如圖2所示。

2.過流保護仿真實驗電路圖的設(shè)計

基于Multisim電力線路過流保護仿真電路的設(shè)計，首先，設(shè)計一個單側(cè)電源輻射式供電線路，該供電線路是企業(yè)總降壓變電所或高壓配電所的一個饋出支路，它的負載是一個10/0.4KV的變電所及用電設(shè)備，通過選擇元器件及參數(shù)設(shè)置，使變電所低壓側(cè)構(gòu)成三相四線制的供電系統(tǒng)，并使其相電壓及線電壓符合規(guī)范要求，即220V/380V，為用電設(shè)備提供工作電源。其次，設(shè)計過流繼電保護電路，這是仿真實驗電路設(shè)計的關(guān)鍵，既要考慮電流互感器和電流繼電器的選型及其參數(shù)設(shè)置，而且過流繼電保護的工作過程必須與實際運行系統(tǒng)相吻合，其仿真實驗電路如圖所示。由于仿真設(shè)計的對象是10KV電力線路的繼電保護電路，而Multisim是一個完整的電子系統(tǒng)設(shè)計工具，其專長是在弱電領(lǐng)域的電路仿真，如模電和數(shù)電的電路等。因此，針對10KV電力線路的繼電保護所需的電氣元件的特殊性，在仿真實驗電路設(shè)計時，需要解決幾個問題：

（1）如何構(gòu)建三相四線制供電系統(tǒng)。一個10KV的單側(cè)電源輻射式供電線路，最基本的設(shè)備包括高壓母線、高壓開關(guān)組件、變電所及負載，因此，針對Multisim軟件元件庫的特殊性，設(shè)計三相變壓器是關(guān)鍵，由于在元件庫中找不到三相變壓器，因此，需要使用3個結(jié)構(gòu)相同的單變壓器按D/Y聯(lián)接代替電力系統(tǒng)中的三相變壓器，如圖的T1、T2和T3所示，變壓器要選擇使用單相虛擬變壓器，其路徑：Master Database→Basic-Virtual→NLT-Virtual。

（2）如何設(shè)計一次系統(tǒng)的電流檢測電路。設(shè)計一次系統(tǒng)的電流檢測電路則是實現(xiàn)過流繼電保護仿真實驗的另一個關(guān)鍵問題，其難點在于如何在Multisim元件庫中找到電流互感器和電流繼電器的替代元件，既能實現(xiàn)電流互感器和電流繼電器的檢測功能，又可以通過參數(shù)設(shè)置，改變其變流比、吸合電流及返回電流，以最終實現(xiàn)仿真實際運行系統(tǒng)的目的。對于電流互感器而言，能滿足上述要求的元件是單相虛擬變壓器，只要通過修改元件的參數(shù)，即可構(gòu)成不同變比的電流互感器。而對電流繼電器的要求，最重要的是能隨時更改其啟動及關(guān)斷電流，以滿足繼電保護的選擇性要求，在Multisim元件庫中，能實現(xiàn)電流繼電器功能的元件較多，但既簡單又能滿足使用要求的是“CURRENT CONTROLLER”，其路徑：Master Database→Basic→-Switch→Current Controller。

（3）如何設(shè)計高壓斷路器及控制電路。高壓斷路器是一種能使1000V以上的高壓線路在正常負荷下接通或斷開，在線路發(fā)生短路故障時，通過繼電保護裝置將故障線路自動斷開，確保電力系統(tǒng)正常運行的重要的開關(guān)設(shè)備，然而在Multisim元件庫中也無法找到實現(xiàn)該控制功能的元件。解決的方法是利用不同的元件組合來模擬高壓斷路器的控制功能，該斷路器的模擬控制電路主要由3路電壓控制器（Voltage Controller）、2個時間繼電器及由2個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，如圖3中的J1、J2、J3；KT1、KT2；電源；IC1、IC2及外圍阻容元件等，上述元件分別位于基本元件庫（Basic）、機電元件庫（Eletro-Mechanical）、電源庫（Source）、混合元件庫（Mixed）及基本元件庫中。

3.元件參數(shù)的設(shè)置

元件參數(shù)的設(shè)置對仿真實驗電路的工作有著很大的影響，其中影響最大的是三相變壓器和電流互感器，前者關(guān)系到變電所低壓側(cè)三相四線制的工作電壓是否與實際系統(tǒng)的電壓相符，即滿足380V/220V的電壓標準。參數(shù)設(shè)置的方法，雙擊電力變壓器T1圖標，打開“Nonlinear Transformer Virtual”對話框，分別將一次繞組和二次繞組的匝數(shù)及電阻值填入表中，單擊“確定”按鈕，如圖4所示，依此法分別設(shè)置T2和T3的繞組匝數(shù)和電阻值。而后者則影響到過流繼電保護裝置能否實現(xiàn)對線路電流的檢測及判斷功能，即線路正常運行時，繼電保護裝置處于監(jiān)視待命狀態(tài)，當出現(xiàn)過載或發(fā)生短路時，即啟動電流繼電器，去控制斷路器控制器自動切斷故障電路，保護設(shè)備的安全及電力系統(tǒng)的正常運行，電流互感器的參數(shù)設(shè)置如圖5所示，其變比為500/5，也可選擇50/5或其它變比，但電流繼電器KA的參數(shù)需要作出相應(yīng)的調(diào)整。其它元件的參數(shù)則按圖3所標定的數(shù)據(jù)進行設(shè)置即可。

為滿足繼電保護選擇性的要求，定時限過流保護和電流速斷保護其吸合電流值應(yīng)根據(jù)過載電流和短路電流的大小，再根據(jù)電流互感器的變比進行確定，定時限過流保護電流繼電器KA1和KA2的吸合電流，由圖3的X1其負載功率為1000KW，過載點為變電所一次側(cè)回路的U相，其額定電壓為10KV，那么其過載電流為：

（2-2）

電流互感器的接線方式采用了兩相兩繼電器式的接線，因此，電流互感器和電流繼電器串聯(lián)在同一回路中，其電流值相等，已知電流互感器的變比為500/5，一次繞組1匝，二次繞組100匝，那么電流繼電器的吸合電流應(yīng)該為：

（2-3）

因此，定時限過流保護繼電器的吸合電流值應(yīng)該整定為0.5774A。按同樣的方法整定電流速斷保護的吸合電流值為5.77A，考慮元件本身的損耗，其吸合電流值整定為5A較為合適。

4.仿真運行

仿真運行是檢驗電路設(shè)計有效性的唯一手段，也是仿真實驗的基本目的，電力線路過流保護分為定時限過流保護和電流速斷保護，因此，仿真實驗也分兩步進行。

定時限過流保護的仿真實驗，其步驟如下：

（1）從文件夾中打開名為“Circuit1-電力線路過流繼電保護仿真實驗原理圖”的文件，進入Multisim軟件界面，檢查控制開關(guān)S1、S2、S3和S4應(yīng)在常開位置。

（2）在標準工具欄中點擊“仿真”圖標，并觀察圖面右下角有綠色的指示燈在滾動，說明已經(jīng)進入了仿真狀態(tài)，在確認進入仿真狀態(tài)后，依次按下線路工作控制開關(guān)“S1”和“S2”，10KV供電線路及其變電所進入工作運行，大約20秒鐘后，分別雙擊電路中的萬用表，如圖3的XMM1-XMM7，并分別記下各電路的電壓和電流值。

（3）按下過載控制開關(guān)“S3”，此時負載燈X1應(yīng)閃亮，同時KA1應(yīng)吸合，單穩(wěn)態(tài)電路IC1觸發(fā)，LED1點亮，啟動時間繼電器KT1，當定時時間到，其延時常閉觸點斷開，切斷模擬斷路器J1-J3，的工作電源，完成斷路器的自動跳閘，在實驗期間，應(yīng)及時記下電流繼電器的吸合電流，并推算出發(fā)生過載時變壓器一 次繞組的相電流的有效值。

電流速斷保護的仿真實驗，步驟（1）和（2）與定時限過流保護的操作步驟相同。步驟（3）按下嚴重過載（接近單相接地短路）控制開關(guān)“S4”，負載燈X2應(yīng)閃亮，同時KA2和KA4應(yīng)同時或先后吸合，單穩(wěn)態(tài)電路IC1和IC2均被觸發(fā)工作，LED1和LED2先后點亮，時間繼電器KT1和KT2啟動計時，但由于KT1較KT2長出一個時間級差，因此，KT2先吸合切斷模擬斷路器J1-J3，從而實現(xiàn)了電流速斷保護的目的。在實驗期間也要及時記下各種測量的數(shù)據(jù)。

仿真實驗時應(yīng)注意的問題，一是當按下線路工作開關(guān)S1和S2時，電路即進入仿真運行，但不要馬上按下過載控制開關(guān)S3或嚴重過載控制開關(guān)S4，具體等待的時間以萬用表能正常顯示標準的電壓和電流值為準，一般需要等20秒鐘左右；二是若按下過載控制開關(guān)S3或嚴重過載控制開關(guān)S4時，電流繼電器不能吸合或發(fā)生仿真中斷，其原因一般是元件參數(shù)設(shè)置不當或元件取值不合理所造成的，如果運行條件不同，那么電路元件的參數(shù)及元件取值可能會存在一定的誤差，應(yīng)在參考參數(shù)的基礎(chǔ)上，向上或向下作微調(diào)處理，需要強調(diào)的是參數(shù)的調(diào)試是一個復(fù)雜的工作過程，有時需要反復(fù)多次的調(diào)試方可實現(xiàn)仿真實驗的目標。與傳統(tǒng)的硬件設(shè)備實驗相比，計算機仿真實驗不涉及儀器的老化與更新?lián)Q代，通過軟件升級就可以保持實驗的先進性。

【參考文獻】

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[2] 郭鎖上，劉延飛，李琪，五曉戎，張延偉.基于Multisim的電子系統(tǒng)設(shè)計、仿真與綜合應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2012

【作者簡介】曾禮光（1958- ），男，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院講師，研究方向：電氣自動化技術(shù)。陸巍巋（1981- ），男，工程師，研究方向：機械制造與自動化控制。

（責編 丁 夢）