線路自動重合閘加速保護的Multisim仿真實現

陳旭東

(閩南理工學院 實踐教學中心，福建 石獅 362700)

以往“電力系統繼電保護”課程相關教學，其所有實踐環節均在電力系統實驗室進行，利用實驗室現有硬件條件完成各繼電設備的線路連接及過流保護的驗證操作?，F場實踐操作是此課程不可缺少的教學環節，而利用虛擬仿真實現是一種良性補充，特別是在遠程教學不具備現場操作條件的情況下，虛擬仿真更是具有獨特的作用及優勢[1-2]。利用Multisim電氣仿真平臺，學生不但可以自主設計電力傳輸線路，還可以實時驗證線路保護效果，加深對理論知識的掌握。筆者先期研究已經完成了6～10 kV線路過電流保護實驗室模擬及Multisim仿真實現，教學效果良好，此次研究以此為基礎，展開對線路自動重合閘加速保護的Multisim仿真實現研究。

1 自動重合閘概述

輸電和供電線路有多種措施應對事故產生，自動重合閘加速保護是其中重要且被廣泛應用的一種方式。自動重合閘應用于輸電及供電環節的線路，是一種成熟的排除線路故障的措施。自動重合閘的作用在于線路產生故障時在常規繼電保護裝置切斷故障線路后，能夠立即解除斷路器跳閘動作使線路重新合閘[3]。如果線路故障是短暫的，自動重合閘可以讓線路系統繼續正常運行，如果線路故障不可能短時間內清除，則可以通過系統繼電保護設備再次切斷線路，以利于線路檢修工作的開展。由于大多數線路特別是架空線路故障(如雷電沖擊、大風吹刮、鳥類干擾等)屬于暫時性故障，在自動重合閘裝置的保障下不但能提高線路安全性能，其穩定性和可靠性也得到了非常明顯的提升，同時也能避免因停電導致的各種損失[4]。

自動重合閘加速保護具體有前加速保護及后加速保護兩種方式。自動重合閘前加速保護是在線路繼電保護設備無選擇性且無延時地切斷故障線路后，重合閘裝置對線路進行跳閘解除，如果線路故障是短暫的，則線路可恢復正常，如果線路故障短時內無法排除，則保護系統將有選擇性且有延時地再次跳閘，從而切斷故障線路；自動重合閘后加速保護是在線路繼電保護設備有選擇性且有延時地切斷故障線路后，重合閘裝置對線路進行跳閘解除，如果線路故障是短暫的，則線路可恢復正常，如果線路故障短時內無法排除，則保護系統將無選擇性且無延時地立即跳閘，從而切斷故障線路[5]。

2 自動重合閘前加速保護設計分析

本文以自動重合閘前加速保護為典型案例，對其進行設計分析及虛擬仿真實現。自動重合閘后加速保護的虛擬仿真實現可以借鑒前加速保護的設計思想展開設計。

在線路自動重合閘前加速保護實驗設計中，過流保護交流回路需串接兩個電流繼電器，用于檢測回路電流及做出過流保護動作，交流回路原理如圖1所示。當交流回路產生故障時，回路電流達到電流繼電器動作值，電流繼電器1LJ瞬間判斷并做出動作回應，信號繼電器XJ及保護出口繼電器BCJ同時動作，此時交流回路跳閘，過流保護動作指示燈點亮[6-7]。自動重合閘加速保護裝置ZCH(采用一個輸入開關進行模擬)在跳閘后啟動，同步觸發加速保護繼電器JSJ動作，起到短暫接通交流回路的作用。若交流回路故障解除，則回路恢復正常工作，若故障猶在，此時電流繼電器1LJ失效，由電流繼電器2LJ做出動作回應，經時間繼電器SJ短暫延時后交流回路再次跳閘切斷供電，此時過流保護動作指示燈及自動重合閘指示燈同時點亮[8]。圖2展示了詳細的實驗接線圖。

圖1 交流回路原理圖

圖2 實驗接線圖

3 自動重合閘前加速保護Multisim仿真

3.1 仿真線路設計

仿真線路包括交流回路、直流控制回路及交直流連接電路三部分。常用元器件從Multisim基本元件庫中選用，繼電器元件從“放置機電式”組(Electro_Mechanical)中選用。元件參數及選型總體依據圖2實驗接線圖選擇，在不影響仿真結果的前提下可根據設計需要適當調整連接結構或增加部分輔助器件。仿真設計總圖如圖3所示，繼電器主要參數設置見表1。

圖3 仿真設計總圖

表1 繼電器主要參數表

3.1.1 交流回路設計

交流回路結構總體依據圖1結構進行設計，交流電源經變壓器輸出36 V電壓，利用滑動變阻器R1實現對回路電流大小的控制，串聯1LJ及2LJ兩個電流繼電器實現回路電流檢測[9]。圖3右下部分虛線框所示為跳閘線路，線圈的通斷由繼電器BCJ控制，交流回路火線、零線分別經過TQ1和TQ2常閉觸點，線路正常工作時導通，過流時跳閘同時切斷火線和零線。

3.1.2 直流控制回路設計

直流控制回路繼電器線圈選用DC220V控制電壓。直流控制回路包括重合閘前繼電器1LJ響應回路及重合閘后繼電器2LJ響應回路兩部分，設計一個輸入開關S1，通過開關開合模擬自動重合閘裝置的啟停，從而實現兩種控制狀態的切換。

S1默認斷開，繼電器1LJ過流檢測動作，通過連接電路直接驅動繼電器XJ和BCJ串聯回路，此時指示燈GP2點亮，指示交流回路過流，TQ1和TQ2同時跳閘切斷交流回路[10]。

S1閉合，啟動繼電器JSJ，切斷繼電器1LJ響應回路，接通繼電器2LJ響應回路。繼電器2LJ過流檢測動作，通過連接電路啟動繼電器SJ計時，計時結束驅動繼電器XJ和BCJ串聯回路，此時指示燈GP2點亮指示交流回路過流，指示燈GP1點亮指示開啟自動重合閘，TQ1和TQ2同時跳閘切斷交流回路[11-12]。

3.1.3 交直流連接電路設計

連接電路包含輔助繼電器K1和K2及加速保護繼電器JSJ。設計過程發現電流繼電器1LJ及2LJ在過流狀態下其觸點會產生重復“閉合-斷開”現象，故不宜直接驅動直流控制繼電器。設置輔助繼電器K1和K2，其線圈分別由繼電器1LJ和2LJ常開觸點驅動，輔助繼電器設置自保持電路，當電流繼電器過流動作，其常開觸點只需一次閉合就觸發輔助繼電器動作并自保持，上述重復“閉合-斷開”現象不再影響其狀態，直到自保持狀態被解除[13]。輔助繼電器K1一個常開觸點控制重合閘前繼電器1LJ響應回路，輔助繼電器K2一個常開觸點控制重合閘后繼電器2LJ響應回路。

繼電器JSJ線圈的通斷由開關S1控制驅動，設置一個常開觸點控制繼電器K2線圈回路，設置兩個常閉觸點分別控制繼電器K1線圈回路和自保持回路，以此實現重合閘前后的控制狀態切換。

設置復位按鍵SB，默認常閉，連接繼電器K1和K2自保持回路，按下按鍵SB則切斷回路，取消繼電器自保持狀態，實現仿真線路復位。

3.2 仿真過程

3.2.1 仿真前準備

系統未上電，打開電壓表XMM2和電流表XMM1，此時均無示數。交流回路變阻器R1滑動到最大值，S1開關初始保持常開狀態。

3.2.2 線路未過流運行

系統上電開始仿真運行，此時交流回路未過流，電壓表XMM2顯示回路電壓值，電流表XMM1顯示工作電流值，電流繼電器不動作，直流控制回路不被觸發。

3.2.3 重合閘前過流仿真

將變阻器R1滑動端滑動到最左端，此時交流回路電流超限值，繼電器1LJ立即動作，通過繼電器K1觸發繼電器XJ和BCJ回路導通，過流指示燈GP2點亮，交流回路跳閘。仿真結果如圖4所示。

圖4 重合閘前過流仿真圖

3.2.4 重合閘后過流仿真

交流回路一次跳閘后，變阻器R1滑動端保持在最左端，按下S1模擬重合閘裝置啟動，交流回路重合閘，過流指示燈GP2熄滅，此時由于交流回路故障未解除，繼電器2LJ過流動作通過繼電器K2觸發繼電器SJ線圈回路，經短暫延時后繼電器SJ常開觸點閉合觸發繼電器XJ和BCJ回路導通，過流指示燈GP2點亮，重合閘指示燈GP1點亮，交流回路再次跳閘。仿真結果如圖5所示。交流回路一次跳閘后，變阻器R1滑動端恢復到最右端，按下S1模擬重合閘裝置啟動，交流回路重合閘，過流指示燈GP2熄滅，此時由于交流回路故障解除，線路恢復未過流運行。S1按鍵恢復常開狀態，解除重合閘裝置運行。

圖5 重合閘后過流仿真圖

3.2.5 線路復位仿真

交流線路在跳閘狀態下(重合閘前、后)，按下按鈕SB可實現故障指示及跳閘狀態解除。若按鍵前故障解除，線路則恢復未過流運行；若按鍵前故障未排除，線路短暫恢復后繼續出現過流保護現象。

3.3 仿真結果分析

經與現場實驗記錄表對照發現，在交流回路未過流狀態、重合閘前后過流狀態及線路復位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，達到了虛擬仿真的目的。主要繼電器及裝置狀態如表2所示。

表2 主要繼電器及裝置狀態

4 結論

在前期虛擬仿真設計研究的基礎上，針對線路自動重合閘前加速保護實驗的需要，在利用實驗室現場設備完成模擬之后，引入虛擬仿真的實現方法，取得了較為理想的教學效果。自動重合閘后加速保護實驗的虛擬仿真如借助前加速保護的設計思想會更加容易實施。以強電類傳輸線路保護項目設計為起點，以相關學科的實物演練與虛擬仿真實現相結合的課程設計將會越來越普及。