陳旭東

(閩南理工學(xué)院 實(shí)踐教學(xué)中心，福建 石獅 362700)

以往“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程相關(guān)教學(xué)，其所有實(shí)踐環(huán)節(jié)均在電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件條件完成各繼電設(shè)備的線路連接及過(guò)流保護(hù)的驗(yàn)證操作?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐操作是此課程不可缺少的教學(xué)環(huán)節(jié)，而利用虛擬仿真實(shí)現(xiàn)是一種良性補(bǔ)充，特別是在遠(yuǎn)程教學(xué)不具備現(xiàn)場(chǎng)操作條件的情況下，虛擬仿真更是具有獨(dú)特的作用及優(yōu)勢(shì)[1-2]。利用Multisim電氣仿真平臺(tái)，學(xué)生不但可以自主設(shè)計(jì)電力傳輸線路，還可以實(shí)時(shí)驗(yàn)證線路保護(hù)效果，加深對(duì)理論知識(shí)的掌握。筆者先期研究已經(jīng)完成了6～10 kV線路過(guò)電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)室模擬及Multisim仿真實(shí)現(xiàn)，教學(xué)效果良好，此次研究以此為基礎(chǔ)，展開對(duì)線路自動(dòng)重合閘加速保護(hù)的Multisim仿真實(shí)現(xiàn)研究。

1 自動(dòng)重合閘概述

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

自動(dòng)重合閘加速保護(hù)具體有前加速保護(hù)及后加速保護(hù)兩種方式。自動(dòng)重合閘前加速保護(hù)是在線路繼電保護(hù)設(shè)備無(wú)選擇性且無(wú)延時(shí)地切斷故障線路后，重合閘裝置對(duì)線路進(jìn)行跳閘解除，如果線路故障是短暫的，則線路可恢復(fù)正常，如果線路故障短時(shí)內(nèi)無(wú)法排除，則保護(hù)系統(tǒng)將有選擇性且有延時(shí)地再次跳閘，從而切斷故障線路；自動(dòng)重合閘后加速保護(hù)是在線路繼電保護(hù)設(shè)備有選擇性且有延時(shí)地切斷故障線路后，重合閘裝置對(duì)線路進(jìn)行跳閘解除，如果線路故障是短暫的，則線路可恢復(fù)正常，如果線路故障短時(shí)內(nèi)無(wú)法排除，則保護(hù)系統(tǒng)將無(wú)選擇性且無(wú)延時(shí)地立即跳閘，從而切斷故障線路[5]。

2 自動(dòng)重合閘前加速保護(hù)設(shè)計(jì)分析

本文以自動(dòng)重合閘前加速保護(hù)為典型案例，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)分析及虛擬仿真實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)重合閘后加速保護(hù)的虛擬仿真實(shí)現(xiàn)可以借鑒前加速保護(hù)的設(shè)計(jì)思想展開設(shè)計(jì)。

在線路自動(dòng)重合閘前加速保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，過(guò)流保護(hù)交流回路需串接兩個(gè)電流繼電器，用于檢測(cè)回路電流及做出過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，交流回路原理如圖1所示。當(dāng)交流回路產(chǎn)生故障時(shí)，回路電流達(dá)到電流繼電器動(dòng)作值，電流繼電器1LJ瞬間判斷并做出動(dòng)作回應(yīng)，信號(hào)繼電器XJ及保護(hù)出口繼電器BCJ同時(shí)動(dòng)作，此時(shí)交流回路跳閘，過(guò)流保護(hù)動(dòng)作指示燈點(diǎn)亮[6-7]。自動(dòng)重合閘加速保護(hù)裝置ZCH(采用一個(gè)輸入開關(guān)進(jìn)行模擬)在跳閘后啟動(dòng)，同步觸發(fā)加速保護(hù)繼電器JSJ動(dòng)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(fù)正常工作，若故障猶在，此時(shí)電流繼電器1LJ失效，由電流繼電器2LJ做出動(dòng)作回應(yīng)，經(jīng)時(shí)間繼電器SJ短暫延時(shí)后交流回路再次跳閘切斷供電，此時(shí)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作指示燈及自動(dòng)重合閘指示燈同時(shí)點(diǎn)亮[8]。圖2展示了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)接線圖。

圖1 交流回路原理圖

圖2 實(shí)驗(yàn)接線圖

3 自動(dòng)重合閘前加速保護(hù)Multisim仿真

3.1 仿真線路設(shè)計(jì)

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(kù)中選用，繼電器元件從“放置機(jī)電式”組(Electro_Mechanical)中選用。元件參數(shù)及選型總體依據(jù)圖2實(shí)驗(yàn)接線圖選擇，在不影響仿真結(jié)果的前提下可根據(jù)設(shè)計(jì)需要適當(dāng)調(diào)整連接結(jié)構(gòu)或增加部分輔助器件。仿真設(shè)計(jì)總圖如圖3所示，繼電器主要參數(shù)設(shè)置見表1。

圖3 仿真設(shè)計(jì)總圖

表1 繼電器主要參數(shù)表

3.1.1 交流回路設(shè)計(jì)

交流回路結(jié)構(gòu)總體依據(jù)圖1結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，交流電源經(jīng)變壓器輸出36 V電壓，利用滑動(dòng)變阻器R1實(shí)現(xiàn)對(duì)回路電流大小的控制，串聯(lián)1LJ及2LJ兩個(gè)電流繼電器實(shí)現(xiàn)回路電流檢測(cè)[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(jīng)過(guò)TQ1和TQ2常閉觸點(diǎn)，線路正常工作時(shí)導(dǎo)通，過(guò)流時(shí)跳閘同時(shí)切斷火線和零線。

3.1.2 直流控制回路設(shè)計(jì)

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(yīng)回路及重合閘后繼電器2LJ響應(yīng)回路兩部分，設(shè)計(jì)一個(gè)輸入開關(guān)S1，通過(guò)開關(guān)開合模擬自動(dòng)重合閘裝置的啟停，從而實(shí)現(xiàn)兩種控制狀態(tài)的切換。

S1默認(rèn)斷開，繼電器1LJ過(guò)流檢測(cè)動(dòng)作，通過(guò)連接電路直接驅(qū)動(dòng)繼電器XJ和BCJ串聯(lián)回路，此時(shí)指示燈GP2點(diǎn)亮，指示交流回路過(guò)流，TQ1和TQ2同時(shí)跳閘切斷交流回路[10]。

S1閉合，啟動(dòng)繼電器JSJ，切斷繼電器1LJ響應(yīng)回路，接通繼電器2LJ響應(yīng)回路。繼電器2LJ過(guò)流檢測(cè)動(dòng)作，通過(guò)連接電路啟動(dòng)繼電器SJ計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束驅(qū)動(dòng)繼電器XJ和BCJ串聯(lián)回路，此時(shí)指示燈GP2點(diǎn)亮指示交流回路過(guò)流，指示燈GP1點(diǎn)亮指示開啟自動(dòng)重合閘，TQ1和TQ2同時(shí)跳閘切斷交流回路[11-12]。

3.1.3 交直流連接電路設(shè)計(jì)

連接電路包含輔助繼電器K1和K2及加速保護(hù)繼電器JSJ。設(shè)計(jì)過(guò)程發(fā)現(xiàn)電流繼電器1LJ及2LJ在過(guò)流狀態(tài)下其觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生重復(fù)“閉合-斷開”現(xiàn)象，故不宜直接驅(qū)動(dòng)直流控制繼電器。設(shè)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(diǎn)驅(qū)動(dòng)，輔助繼電器設(shè)置自保持電路，當(dāng)電流繼電器過(guò)流動(dòng)作，其常開觸點(diǎn)只需一次閉合就觸發(fā)輔助繼電器動(dòng)作并自保持，上述重復(fù)“閉合-斷開”現(xiàn)象不再影響其狀態(tài)，直到自保持狀態(tài)被解除[13]。輔助繼電器K1一個(gè)常開觸點(diǎn)控制重合閘前繼電器1LJ響應(yīng)回路，輔助繼電器K2一個(gè)常開觸點(diǎn)控制重合閘后繼電器2LJ響應(yīng)回路。

繼電器JSJ線圈的通斷由開關(guān)S1控制驅(qū)動(dòng)，設(shè)置一個(gè)常開觸點(diǎn)控制繼電器K2線圈回路，設(shè)置兩個(gè)常閉觸點(diǎn)分別控制繼電器K1線圈回路和自保持回路，以此實(shí)現(xiàn)重合閘前后的控制狀態(tài)切換。

設(shè)置復(fù)位按鍵SB，默認(rèn)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(tài)，實(shí)現(xiàn)仿真線路復(fù)位。

3.2 仿真過(guò)程

3.2.1 仿真前準(zhǔn)備

系統(tǒng)未上電，打開電壓表XMM2和電流表XMM1，此時(shí)均無(wú)示數(shù)。交流回路變阻器R1滑動(dòng)到最大值，S1開關(guān)初始保持常開狀態(tài)。

3.2.2 線路未過(guò)流運(yùn)行

系統(tǒng)上電開始仿真運(yùn)行，此時(shí)交流回路未過(guò)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(dòng)作，直流控制回路不被觸發(fā)。

3.2.3 重合閘前過(guò)流仿真

將變阻器R1滑動(dòng)端滑動(dòng)到最左端，此時(shí)交流回路電流超限值，繼電器1LJ立即動(dòng)作，通過(guò)繼電器K1觸發(fā)繼電器XJ和BCJ回路導(dǎo)通，過(guò)流指示燈GP2點(diǎn)亮，交流回路跳閘。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 重合閘前過(guò)流仿真圖

3.2.4 重合閘后過(guò)流仿真

交流回路一次跳閘后，變阻器R1滑動(dòng)端保持在最左端，按下S1模擬重合閘裝置啟動(dòng)，交流回路重合閘，過(guò)流指示燈GP2熄滅，此時(shí)由于交流回路故障未解除，繼電器2LJ過(guò)流動(dòng)作通過(guò)繼電器K2觸發(fā)繼電器SJ線圈回路，經(jīng)短暫延時(shí)后繼電器SJ常開觸點(diǎn)閉合觸發(fā)繼電器XJ和BCJ回路導(dǎo)通，過(guò)流指示燈GP2點(diǎn)亮，重合閘指示燈GP1點(diǎn)亮，交流回路再次跳閘。仿真結(jié)果如圖5所示。交流回路一次跳閘后，變阻器R1滑動(dòng)端恢復(fù)到最右端，按下S1模擬重合閘裝置啟動(dòng)，交流回路重合閘，過(guò)流指示燈GP2熄滅，此時(shí)由于交流回路故障解除，線路恢復(fù)未過(guò)流運(yùn)行。S1按鍵恢復(fù)常開狀態(tài)，解除重合閘裝置運(yùn)行。

圖5 重合閘后過(guò)流仿真圖

3.2.5 線路復(fù)位仿真

交流線路在跳閘狀態(tài)下(重合閘前、后)，按下按鈕SB可實(shí)現(xiàn)故障指示及跳閘狀態(tài)解除。若按鍵前故障解除，線路則恢復(fù)未過(guò)流運(yùn)行；若按鍵前故障未排除，線路短暫恢復(fù)后繼續(xù)出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)現(xiàn)象。

3.3 仿真結(jié)果分析

經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)記錄表對(duì)照發(fā)現(xiàn)，在交流回路未過(guò)流狀態(tài)、重合閘前后過(guò)流狀態(tài)及線路復(fù)位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(chǎng)模擬實(shí)現(xiàn)能夠保持一致，達(dá)到了虛擬仿真的目的。主要繼電器及裝置狀態(tài)如表2所示。

表2 主要繼電器及裝置狀態(tài)

4 結(jié)論

在前期虛擬仿真設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)線路自動(dòng)重合閘前加速保護(hù)實(shí)驗(yàn)的需要，在利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成模擬之后，引入虛擬仿真的實(shí)現(xiàn)方法，取得了較為理想的教學(xué)效果。自動(dòng)重合閘后加速保護(hù)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真如借助前加速保護(hù)的設(shè)計(jì)思想會(huì)更加容易實(shí)施。以強(qiáng)電類傳輸線路保護(hù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)為起點(diǎn)，以相關(guān)學(xué)科的實(shí)物演練與虛擬仿真實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的課程設(shè)計(jì)將會(huì)越來(lái)越普及。