6～10 kV線路過電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)室模擬及Multisim仿真實(shí)現(xiàn)

陳旭東，譚曉靜

(1.閩南理工學(xué)院 實(shí)踐教學(xué)中心，福建 石獅 362700；2.閩南理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，福建 石獅 362700)

電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，電流會(huì)明顯增大，而電壓和線路阻抗明顯降低.過流保護(hù)就是利用電力系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)電流明顯增大的原理來判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障[1].在過電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)單相自耦調(diào)壓器和變阻器，達(dá)到模擬被保護(hù)線路發(fā)生過電流狀態(tài)的目的，而檢測電流則使用電流繼電器來實(shí)現(xiàn)，電流繼電器過流時(shí)動(dòng)作，繼而通過繼電器、斷路器觸點(diǎn)控制實(shí)現(xiàn)線路過電流保護(hù).考慮到實(shí)驗(yàn)室模擬的局限性，特別是強(qiáng)電類實(shí)驗(yàn)室因安全管控需要，開放時(shí)間把控較為嚴(yán)格，學(xué)生現(xiàn)場學(xué)習(xí)及設(shè)備操作需要專門的實(shí)驗(yàn)教師指導(dǎo)、監(jiān)督，學(xué)習(xí)時(shí)間的安排必然達(dá)不到靈活自由.再者因公共安全事件導(dǎo)致的現(xiàn)場學(xué)習(xí)停課，需要遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場模擬的短板就展露無遺.運(yùn)用Multisim軟件平臺(tái)，引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的理念，可以突破時(shí)間、空間和設(shè)備局限，可以配合遠(yuǎn)程教學(xué)平臺(tái)，使實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程更加靈活便利，達(dá)到掌握系統(tǒng)原理及實(shí)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(xiàn)了基本元器件及控制線路原理.線路圖左側(cè)是主電路接線圖，由斷路器觸點(diǎn)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(cè)是由電流繼電器3/4、時(shí)間繼電器5、信號(hào)繼電器6、保護(hù)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(hù)出口中間繼電器7和信號(hào)繼電器6線圈受時(shí)間繼電器5常開觸點(diǎn)控制，時(shí)間繼電器線圈又受電流繼電器常開觸點(diǎn)控制，當(dāng)交流回路發(fā)生三相短路或任意兩相短路時(shí)，電流超過電流繼電器整定值，線圈得電其常開觸點(diǎn)閉合而接通6、7線圈，此時(shí)6、7兩繼電器動(dòng)作.信號(hào)繼電器6動(dòng)作常開觸點(diǎn)閉合，點(diǎn)亮報(bào)警信號(hào)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(jìn)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(gòu)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(dòng)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(jīng)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(cè)是交流回路、直流回路示意圖，左側(cè)是展開圖，A411、C411和N411為回路編號(hào)，直流操作回路供電電源，向上的箭頭及編號(hào)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(diǎn)控制，從上往下分別是：時(shí)間繼電器SJ起動(dòng)控制，信號(hào)繼電器XJ和中間繼電器BCJ起動(dòng)控制，過流保護(hù)信號(hào)指示，跳閘電路.

圖2 展開接線圖

1.3 線路過電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)接線圖

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)接線圖見圖3.其中圖3(a)是模擬單相交流回路實(shí)驗(yàn)接線圖，通過滑動(dòng)變阻器R1改變回路電流大小，當(dāng)電流過大超過電流繼電器LJ整定值時(shí)，電流繼電器動(dòng)作其常開觸點(diǎn)閉合，受其控制的時(shí)間繼電器SJ線圈回路接通，時(shí)間繼電器動(dòng)作開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)長可根據(jù)需要設(shè)置，計(jì)時(shí)完成其延時(shí)常開觸點(diǎn)閉合，XJ及BCJ兩個(gè)繼電器串聯(lián)線圈導(dǎo)通，繼電器XJ動(dòng)作常開觸點(diǎn)閉合點(diǎn)亮報(bào)警燈或者光字牌，繼電器BCJ動(dòng)作常開觸點(diǎn)閉合接通跳閘回路，跳閘線圈得電使斷路器跳閘，從而實(shí)現(xiàn)交流回路斷路保護(hù)[6].

(a)模擬主線路(一相)交流回路

(b)直流回路圖3 實(shí)驗(yàn)接線圖

通過展開接線圖，可以清晰地了解實(shí)驗(yàn)接線方法及繼電器動(dòng)作順序，不僅適用于簡單電路，復(fù)雜電路同樣適合[7].

2 Multisim仿真實(shí)現(xiàn)

2.1 仿真依據(jù)

Multisim具備豐富的元器件庫，仿真功能強(qiáng)大.本項(xiàng)目仿真除了需要用到常用器件庫外，還需要用到主數(shù)據(jù)庫里“Electro_Mechanical”組的各類功能繼電器，如圖4所示.根據(jù)仿真需要選擇合適的繼電器.仿真圖設(shè)計(jì)依據(jù)圖3(實(shí)驗(yàn)接線圖)，交流回路及直流回路按照實(shí)驗(yàn)接線圖來進(jìn)行設(shè)計(jì)[8].

圖4 Electro_Mechanical元件組

2.2 仿真電路設(shè)計(jì)

(1)仿真系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)

Multisim仿真系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)如圖5所示，包含交流回路設(shè)計(jì)及直流回路設(shè)計(jì)兩部分.

圖5 仿真系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)

(2)交流回路設(shè)計(jì)

圖6 交流回路設(shè)計(jì)

串聯(lián)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(shù)設(shè)置參考實(shí)際接線圖選擇，滑動(dòng)變阻器(R)=12.6 Ω，電流繼電器LJ線圈電阻(r)=100 Ω，通態(tài)電流(Ion)=500 mA，關(guān)態(tài)電流(Ioff)=10 mA，輔助繼電器K1通態(tài)電流(Ion)=2.2 A，關(guān)態(tài)電流(Ioff)=10 mA，線圈電阻(r)=100 Ω.

交流回路第一組串聯(lián)回路火線L1經(jīng)過斷路器TQ1常閉觸點(diǎn)，第二組串聯(lián)回路火線L2經(jīng)過斷路器TQ2常閉觸點(diǎn)，兩組回路零線N經(jīng)過斷路器TQ3常閉觸點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)

在Multisim仿真電路中，電流繼電器LJ常開觸點(diǎn)會(huì)因過流產(chǎn)生不斷的“吸合-斷開”現(xiàn)象，若將常開觸點(diǎn)直接用于控制直流回路的時(shí)間繼電器SJ線圈，時(shí)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(xiàn)象，在交流回路中設(shè)置輔助繼電器K1，如圖8所示.

圖8 輔助繼電器K1設(shè)計(jì)

K1設(shè)置自鎖電路，當(dāng)電流繼電器LJ過流常開觸點(diǎn)接通引發(fā)K1線圈吸合并自鎖，其常開觸點(diǎn)閉合接通時(shí)間繼電器SJ，此時(shí)K1不再受電流繼電器LJ常開觸點(diǎn)控制，直到直流回路復(fù)位，K1自鎖解除.

(3)直流回路設(shè)計(jì)

直流回路各模塊工作電源DC 220 V.由時(shí)間繼電器SJ、信號(hào)繼電器XJ、保護(hù)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(shè)計(jì)

時(shí)間繼電器線圈由輔助繼電器K1控制，計(jì)時(shí)時(shí)間可根據(jù)需要設(shè)置.交流回路過流時(shí)通過輔助繼電器K1觸發(fā)時(shí)間繼電器SJ開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)完成后時(shí)間繼電器常開觸點(diǎn)閉合，信號(hào)繼電器XJ及保護(hù)出口繼電器BCJ線圈同時(shí)吸合工作并自保持，此時(shí)過流保護(hù)指示燈點(diǎn)亮，斷路器TQ得電工作使交流回路斷路從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)[10].

所選元器件參數(shù)設(shè)置參考實(shí)際接線圖，根據(jù)Multisim軟件仿真的特點(diǎn)做出適當(dāng)設(shè)置.由于使用220 V直流電源，時(shí)間繼電器SJ線圈電阻(r)=100 Ω，所以通態(tài)電流(Ion)計(jì)算得出220/100=2.2 A，關(guān)態(tài)電流(Ioff)=10 mA，時(shí)間設(shè)為500 ms.信號(hào)繼電器XJ及保護(hù)出口中間繼電器BCJ線圈電阻均為100 Ω，串聯(lián)回路總電阻=200 Ω，故通態(tài)電流(Ion)計(jì)算得出220/200=1.1A，關(guān)態(tài)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(zhǔn)備

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

(2)線路未過流運(yùn)行

按下Multisim“運(yùn)行”按鈕，系統(tǒng)上電運(yùn)行，此時(shí)交流回路未過流，直流回路不觸發(fā)運(yùn)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(shù)，如圖10所示.

圖10 線路未過流運(yùn)行

(3)線路過流保護(hù)

任意選擇一路交流回路，這里選擇第一路回路.將滑動(dòng)變阻器R1向左滑動(dòng)到最小，此時(shí)交流回路過流，電流繼電器1LJ線圈吸合，其常開觸點(diǎn)閉合，經(jīng)輔助繼電器K1觸發(fā)的直流回路時(shí)間繼電器SJ開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束后信號(hào)繼電器XJ及保護(hù)出口中間繼電器同時(shí)觸發(fā)運(yùn)行，此時(shí)信號(hào)報(bào)警燈點(diǎn)亮，斷路器TQ1、TQ2、TQ3同時(shí)跳閘，實(shí)現(xiàn)交流回路過流保護(hù).此時(shí)觀察各繼電器工作狀態(tài)并觀測各儀表示數(shù)，并做記錄，如圖11所示.

(a)交流回路過流觸發(fā)直流回路-未跳閘

(b)交流回路過流觸發(fā)直流回路-已跳閘圖11 交流回路過流觸發(fā)直流回路

(4)過流保護(hù)解除

在實(shí)際供配電線路的維護(hù)工作中，若出現(xiàn)過電流保護(hù)警報(bào)、跳閘，則需要第一時(shí)間切斷高壓電源，進(jìn)行線路檢修排查故障.在此項(xiàng)仿真實(shí)驗(yàn)中，可通過將滑動(dòng)變阻器R1向右滑動(dòng)到最大實(shí)現(xiàn)線路復(fù)原，達(dá)到模擬交流回路檢修的目的.在直流回路中，用一個(gè)常閉點(diǎn)觸按鈕SB控制繼電器自鎖回路，點(diǎn)觸按鍵即可切斷回路.若線路檢修完畢，通過點(diǎn)觸SB按鈕實(shí)現(xiàn)解除警報(bào)、線路合閘的目的.

若線路沒有檢修完畢，點(diǎn)觸SB按鈕后，警報(bào)短暫解除，交流回路短暫合閘，時(shí)間繼電器SJ再次被觸發(fā)計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束后警報(bào)再次執(zhí)行，線路再次跳閘.線路設(shè)計(jì)如圖12所示.

圖12 警報(bào)、跳閘解除電路

(5)仿真結(jié)果分析

仿真過程需對(duì)照現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)記錄表，在交流回路未過流狀態(tài)、過流狀態(tài)及過流保護(hù)解除等不同仿真形式下各個(gè)繼電器的動(dòng)作狀態(tài)與現(xiàn)場模擬實(shí)現(xiàn)能夠保持一致，達(dá)到虛擬仿真的目的.

3 結(jié) 論

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)不斷革新及大力普及，改變了強(qiáng)電類實(shí)驗(yàn)只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的狀況，將學(xué)生學(xué)習(xí)理論及實(shí)踐的場所無限拓展，從課堂延伸到課外，真正做到了隨時(shí)隨地仿真訓(xùn)練.學(xué)生能在虛擬仿真訓(xùn)練中主動(dòng)參與項(xiàng)目設(shè)計(jì)，借助多媒體形式將枯燥難懂的理論知識(shí)形象化、生動(dòng)化，能更快更好地掌握知識(shí)點(diǎn).然而只有虛擬仿真而沒有實(shí)物操作訓(xùn)練，強(qiáng)電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)必將會(huì)走進(jìn)教學(xué)誤區(qū)，不利于培養(yǎng)應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)人才.因此，強(qiáng)電類的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，必須跟實(shí)驗(yàn)室實(shí)操演練有機(jī)結(jié)合，在發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)智能化、跨區(qū)域、無時(shí)限及安全度高等優(yōu)勢的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場教學(xué)方法研究及項(xiàng)目設(shè)計(jì)很有必要.針對(duì)6～10 kV線路過電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)的需要，本項(xiàng)設(shè)計(jì)在利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場設(shè)備完成模擬的基礎(chǔ)上，引入虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)方法，初步也取得了較為理想的教學(xué)效果.以本項(xiàng)目為起點(diǎn)，后繼的實(shí)物演練及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的課程設(shè)計(jì)將會(huì)越來越合理化、規(guī)范化.