6～10 kV线路过电流保护实验室模拟及Multisim仿真实现

陈旭东，谭晓静

(1.闽南理工学院 实践教学中心，福建 石狮 362700；2.闽南理工学院 电子与电气工程学院，福建 石狮 362700)

电力系统发生短路时，电流会明显增大，而电压和线路阻抗明显降低.过流保护就是利用电力系统发生短路时电流明显增大的原理来判断系统是否出现故障[1].在过电流保护实验中，调节单相自耦调压器和变阻器，达到模拟被保护线路发生过电流状态的目的，而检测电流则使用电流继电器来实现，电流继电器过流时动作，继而通过继电器、断路器触点控制实现线路过电流保护.考虑到实验室模拟的局限性，特别是强电类实验室因安全管控需要，开放时间把控较为严格，学生现场学习及设备操作需要专门的实验教师指导、监督，学习时间的安排必然达不到灵活自由.再者因公共安全事件导致的现场学习停课，需要远程学习时，实验室现场模拟的短板就展露无遗.运用Multisim软件平台，引入虚拟仿真实验的理念，可以突破时间、空间和设备局限，可以配合远程教学平台，使实验验证过程更加灵活便利，达到掌握系统原理及实践手段更加多样化的目的[2].

1 原理介绍

1.1 线路原理接线图

图1是该线路原理接线图，呈现了基本元器件及控制线路原理.线路图左侧是主电路接线图，由断路器触点控制跳闸及合闸，主电路分A、C两相电路与电流继电器组成交流回路[3].线路图右侧是由电流继电器3/4、时间继电器5、信号继电器6、保护出口中间继电器7所组成的直流回路.A、C两相电路与电流继电器3/4组成的交流回路中，保护出口中间继电器7和信号继电器6线圈受时间继电器5常开触点控制，时间继电器线圈又受电流继电器常开触点控制，当交流回路发生三相短路或任意两相短路时，电流超过电流继电器整定值，线圈得电其常开触点闭合而接通6、7线圈，此时6、7两继电器动作.信号继电器6动作常开触点闭合，点亮报警信号或指示牌，中间继电器7控制跳闸线圈9通电，断路器跳闸切断交流回路.原理接线图阐释了电路的基本原理而没有具体的接线端口，要进行二次施工，只有原理图是不够的，需要配合线路展开接线图[4].

图1 原理接线图

1.2 线路展开接线图

交流回路和直流回路构成了线路展开接线图，交流回路按照三相电A、B、C线序展开接线，直流回路按照继电器的动作次序从上往下分行排列，每一行均有操作回路文字说明.图2是展开接线图，包括交流回路、直流回路.A相线路、1LJ和C相线路、2LJ分别组成交流回路，交流电源经过电流互感器1LHa、1LHb分别为两路供电，两路交流回路最后接到公共线，右侧是交流回路、直流回路示意图，左侧是展开图，A411、C411和N411为回路编号，直流操作回路供电电源，向上的箭头及编号101和102表示他们分别是从控制回路(+)、(-)的熔断器FU1和FU2下面引来[5].横线条分别代表不同的回路，每一行包括功能器件及触点控制，从上往下分别是：时间继电器SJ起动控制，信号继电器XJ和中间继电器BCJ起动控制，过流保护信号指示，跳闸电路.

图2 展开接线图

1.3 线路过电流保护实验接线图

实验室条件下，无法提供6～10 kV高压电，故采用220V交流电源做模拟测试，实验接线图见图3.其中图3(a)是模拟单相交流回路实验接线图，通过滑动变阻器R1改变回路电流大小，当电流过大超过电流继电器LJ整定值时，电流继电器动作其常开触点闭合，受其控制的时间继电器SJ线圈回路接通，时间继电器动作开始计时，计时时长可根据需要设置，计时完成其延时常开触点闭合，XJ及BCJ两个继电器串联线圈导通，继电器XJ动作常开触点闭合点亮报警灯或者光字牌，继电器BCJ动作常开触点闭合接通跳闸回路，跳闸线圈得电使断路器跳闸，从而实现交流回路断路保护[6].

(a)模拟主线路(一相)交流回路

(b)直流回路图3 实验接线图

通过展开接线图，可以清晰地了解实验接线方法及继电器动作顺序，不仅适用于简单电路，复杂电路同样适合[7].

2 Multisim仿真实现

2.1 仿真依据

Multisim具备丰富的元器件库，仿真功能强大.本项目仿真除了需要用到常用器件库外，还需要用到主数据库里“Electro_Mechanical”组的各类功能继电器，如图4所示.根据仿真需要选择合适的继电器.仿真图设计依据图3(实验接线图)，交流回路及直流回路按照实验接线图来进行设计[8].

图4 Electro_Mechanical元件组

2.2 仿真电路设计

(1)仿真系统图设计

Multisim仿真系统图设计如图5所示，包含交流回路设计及直流回路设计两部分.

图5 仿真系统图设计

(2)交流回路设计

图6 交流回路设计

串联回路中包含变阻器1只、电流继电器LJ1只、交流电压表1只、交流电流表1只.所选元器件参数设置参考实际接线图选择，滑动变阻器(R)=12.6 Ω，电流继电器LJ线圈电阻(r)=100 Ω，通态电流(Ion)=500 mA，关态电流(Ioff)=10 mA，辅助继电器K1通态电流(Ion)=2.2 A，关态电流(Ioff)=10 mA，线圈电阻(r)=100 Ω.

交流回路第一组串联回路火线L1经过断路器TQ1常闭触点，第二组串联回路火线L2经过断路器TQ2常闭触点，两组回路零线N经过断路器TQ3常闭触点，从而实现由断路器TQ1、TQ2、TQ3控制交流回路合闸、跳闸，如图7所示.

图7 合闸跳闸电路设计

在Multisim仿真电路中，电流继电器LJ常开触点会因过流产生不断的“吸合-断开”现象，若将常开触点直接用于控制直流回路的时间继电器SJ线圈，时间继电器线圈因不能保持吸合而不能正常工作[9].基于此现象，在交流回路中设置辅助继电器K1，如图8所示.

图8 辅助继电器K1设计

K1设置自锁电路，当电流继电器LJ过流常开触点接通引发K1线圈吸合并自锁，其常开触点闭合接通时间继电器SJ，此时K1不再受电流继电器LJ常开触点控制，直到直流回路复位，K1自锁解除.

(3)直流回路设计

直流回路各模块工作电源DC 220 V.由时间继电器SJ、信号继电器XJ、保护出口中间继电器BCJ、直流电流表、指示灯GP、解除按键SB组成，如图9所示.

图9 直流回路设计

时间继电器线圈由辅助继电器K1控制，计时时间可根据需要设置.交流回路过流时通过辅助继电器K1触发时间继电器SJ开始计时，计时完成后时间继电器常开触点闭合，信号继电器XJ及保护出口继电器BCJ线圈同时吸合工作并自保持，此时过流保护指示灯点亮，断路器TQ得电工作使交流回路断路从而实现过流保护[10].

所选元器件参数设置参考实际接线图，根据Multisim软件仿真的特点做出适当设置.由于使用220 V直流电源，时间继电器SJ线圈电阻(r)=100 Ω，所以通态电流(Ion)计算得出220/100=2.2 A，关态电流(Ioff)=10 mA，时间设为500 ms.信号继电器XJ及保护出口中间继电器BCJ线圈电阻均为100 Ω，串联回路总电阻=200 Ω，故通态电流(Ion)计算得出220/200=1.1A，关态电流(Ioff)=10 mA.指示灯GP额定电压选择220 V.

2.3 仿真操作

(1)仿真前准备

将交流回路滑动变阻器R1、R2阻值滑到最大值，打开电流表XMM1、XMM2读数界面，用以观测交流回路电流.打开电压表XMM3、XMM4读数界面，用以观测交流电源变压器输出电压.此时系统未上电，电压表、电流变均无示数.

(2)线路未过流运行

按下Multisim“运行”按钮，系统上电运行，此时交流回路未过流，直流回路不触发运行，断路器不跳闸.观测并记录电流表XMM1、XMM2及电压表XMM3、XMM4示数，如图10所示.

图10 线路未过流运行

(3)线路过流保护

任意选择一路交流回路，这里选择第一路回路.将滑动变阻器R1向左滑动到最小，此时交流回路过流，电流继电器1LJ线圈吸合，其常开触点闭合，经辅助继电器K1触发的直流回路时间继电器SJ开始计时，计时结束后信号继电器XJ及保护出口中间继电器同时触发运行，此时信号报警灯点亮，断路器TQ1、TQ2、TQ3同时跳闸，实现交流回路过流保护.此时观察各继电器工作状态并观测各仪表示数，并做记录，如图11所示.

(a)交流回路过流触发直流回路-未跳闸

(b)交流回路过流触发直流回路-已跳闸图11 交流回路过流触发直流回路

(4)过流保护解除

在实际供配电线路的维护工作中，若出现过电流保护警报、跳闸，则需要第一时间切断高压电源，进行线路检修排查故障.在此项仿真实验中，可通过将滑动变阻器R1向右滑动到最大实现线路复原，达到模拟交流回路检修的目的.在直流回路中，用一个常闭点触按钮SB控制继电器自锁回路，点触按键即可切断回路.若线路检修完毕，通过点触SB按钮实现解除警报、线路合闸的目的.

若线路没有检修完毕，点触SB按钮后，警报短暂解除，交流回路短暂合闸，时间继电器SJ再次被触发计时，计时结束后警报再次执行，线路再次跳闸.线路设计如图12所示.

图12 警报、跳闸解除电路

(5)仿真结果分析

仿真过程需对照现场实验记录表，在交流回路未过流状态、过流状态及过流保护解除等不同仿真形式下各个继电器的动作状态与现场模拟实现能够保持一致，达到虚拟仿真的目的.

3 结 论

虚拟仿真实验技术不断革新及大力普及，改变了强电类实验只能在实验室进行的状况，将学生学习理论及实践的场所无限拓展，从课堂延伸到课外，真正做到了随时随地仿真训练.学生能在虚拟仿真训练中主动参与项目设计，借助多媒体形式将枯燥难懂的理论知识形象化、生动化，能更快更好地掌握知识点.然而只有虚拟仿真而没有实物操作训练，强电类实验教学必将会走进教学误区，不利于培养应用型专业技术人才.因此，强电类的虚拟仿真实验教学，必须跟实验室实操演练有机结合，在发挥虚拟仿真教学智能化、跨区域、无时限及安全度高等优势的同时，加强实验室现场教学方法研究及项目设计很有必要.针对6～10 kV线路过电流保护实验的需要，本项设计在利用实验室现场设备完成模拟的基础上，引入虚拟仿真的实验方法，初步也取得了较为理想的教学效果.以本项目为起点，后继的实物演练及虚拟仿真实验教学相结合的课程设计将会越来越合理化、规范化.