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(tǒng)發(fā)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(tǒng)發(fā)生短路時電流明顯增大的原理來判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障[1].在過電流保護實驗中，調(diào)節(jié)單相自耦調(diào)壓器和變阻器，達到模擬被保護線路發(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現(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)場學習及設(shè)備操作需要專門的實驗教師指導、監(jiān)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(xiàn)場學習停課，需要遠程學習時，實驗室現(xiàn)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(shè)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(tǒng)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(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(fā)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(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，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(jù)需要設(shè)置，計時完成其延時常開觸點閉合，XJ及BCJ兩個繼電器串聯(lián)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(xiàn)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(xiàn)

2.1 仿真依據(jù)

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(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)計依據(jù)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(shè)計[8].

圖4 Electro_Mechanical元件組

2.2 仿真電路設(shè)計

(1)仿真系統(tǒng)圖設(shè)計

Multisim仿真系統(tǒng)圖設(shè)計如圖5所示，包含交流回路設(shè)計及直流回路設(shè)計兩部分.

圖5 仿真系統(tǒng)圖設(shè)計

(2)交流回路設(shè)計

圖6 交流回路設(shè)計

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(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，第二組串聯(lián)回路火線L2經(jīng)過斷路器TQ2常閉觸點，兩組回路零線N經(jīng)過斷路器TQ3常閉觸點，從而實現(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

在Multisim仿真電路中，電流繼電器LJ常開觸點會因過流產(chǎn)生不斷的“吸合-斷開”現(xiàn)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(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

K1設(shè)置自鎖電路，當電流繼電器LJ過流常開觸點接通引發(fā)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(shè)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(shè)計

時間繼電器線圈由輔助繼電器K1控制，計時時間可根據(jù)需要設(shè)置.交流回路過流時通過輔助繼電器K1觸發(fā)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(xiàn)過流保護[10].

所選元器件參數(shù)設(shè)置參考實際接線圖，根據(jù)Multisim軟件仿真的特點做出適當設(shè)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(tài)電流(Ion)計算得出220/100=2.2 A，關(guān)態(tài)電流(Ioff)=10 mA，時間設(shè)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(lián)回路總電阻=200 Ω，故通態(tài)電流(Ion)計算得出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(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.此時系統(tǒng)未上電，電壓表、電流變均無示數(shù).

(2)線路未過流運行

按下Multisim“運行”按鈕，系統(tǒng)上電運行，此時交流回路未過流，直流回路不觸發(fā)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(shù)，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(jīng)輔助繼電器K1觸發(fā)的直流回路時間繼電器SJ開始計時，計時結(jié)束后信號繼電器XJ及保護出口中間繼電器同時觸發(fā)運行，此時信號報警燈點亮，斷路器TQ1、TQ2、TQ3同時跳閘，實現(xiàn)交流回路過流保護.此時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)過流保護解除

在實際供配電線路的維護工作中，若出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)計時，計時結(jié)束后警報再次執(zhí)行，線路再次跳閘.線路設(shè)計如圖12所示.

圖12 警報、跳閘解除電路

(5)仿真結(jié)果分析

仿真過程需對照現(xiàn)場實驗記錄表，在交流回路未過流狀態(tài)、過流狀態(tài)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(tài)與現(xiàn)場模擬實現(xiàn)能夠保持一致，達到虛擬仿真的目的.

3 結(jié) 論

虛擬仿真實驗技術(shù)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(shè)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(qū)，不利于培養(yǎng)應(yīng)用型專業(yè)技術(shù)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(jié)合，在發(fā)揮虛擬仿真教學智能化、跨區(qū)域、無時限及安全度高等優(yōu)勢的同時，加強實驗室現(xiàn)場教學方法研究及項目設(shè)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(shè)計在利用實驗室現(xiàn)場設(shè)備完成模擬的基礎(chǔ)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(jié)合的課程設(shè)計將會越來越合理化、規(guī)范化.