基于Multisim電力線路過流保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

曾禮光　陸巍巋

【摘 要】以10KV單側(cè)電源輻射式供電線路為控制對(duì)象，以定時(shí)限過流保護(hù)和電流速斷保護(hù)的仿真實(shí)驗(yàn)為內(nèi)容，采用兩相不完全星形的繼電保護(hù)的接線方式，充分依托Multisim 技術(shù)強(qiáng)大的元件庫及仿真分析功能，完成了電力線路過流保護(hù)裝置的電路設(shè)計(jì)及仿真運(yùn)行，為高壓線路繼電保護(hù)的電流和時(shí)限的整定提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)的平臺(tái)。

【關(guān)鍵詞】Multisim 線路 過流保護(hù) 設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】0450-9889（2015）04C-0187-03

在供配電系統(tǒng)中，過載和短路是一種常見的故障，為了確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，通常需要安裝有各種不同類型的繼電保護(hù)裝置，而掌握繼電保護(hù)裝置的構(gòu)成、原理及其整定電流的計(jì)算，則是高等學(xué)校電類專業(yè)學(xué)生必須具備的基本技能。要實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)目的，最有效的方法是將課程與實(shí)際接軌，通過開設(shè)大量的實(shí)驗(yàn)，從而為知識(shí)向技能的轉(zhuǎn)化搭建一個(gè)聯(lián)系的橋梁。然而，由于供配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及設(shè)備的超大性，不可能將實(shí)際運(yùn)行的設(shè)備搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，而運(yùn)用小容量的器件所進(jìn)行的物理仿真實(shí)驗(yàn)，由于所選用的器件與實(shí)際運(yùn)行的電氣設(shè)備，無論是結(jié)構(gòu)上還是性能上都存在著較大的差異，其實(shí)驗(yàn)的效果也大打折扣，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，嚴(yán)重制約著電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)向深層次的發(fā)展。Multisim 作為電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)教學(xué)的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，具有自動(dòng)化功能程度高、功能完善、運(yùn)行速度快，而且操作界面友善，有良好的數(shù)據(jù)開放性和互換性，非常適合于電類專業(yè)課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)。

一、基于Multisim電力線路過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50062-1992）的規(guī)定：對(duì)3-66KV電力線路，應(yīng)裝設(shè)相間短路保護(hù)、單相接地保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)。對(duì)于電力線路的短路保護(hù)，目前常采用的方法有兩種，一是帶時(shí)限的過電流保護(hù)，二是瞬時(shí)動(dòng)作的電流速斷保護(hù)，簡(jiǎn)稱為電流速斷保護(hù)，它的動(dòng)作時(shí)限取決于繼電器本身的固有動(dòng)作時(shí)間，其選擇性是依靠選擇適當(dāng)?shù)膭?dòng)作電流來解決。

（一）電力線路過流保護(hù)仿真模型的建立

過流保護(hù)實(shí)驗(yàn)仿真的對(duì)象是10KV的電力線路，其實(shí)驗(yàn)電路模型主要由10KV母線、高壓隔離開關(guān)、高壓斷路器、10/0.4KV變電所、用電設(shè)備、繼電保護(hù)裝置及斷路器控制器等設(shè)備組成，如圖1所示。

繼電保護(hù)裝置主要負(fù)責(zé)監(jiān)視負(fù)載電流，當(dāng)線路異常而導(dǎo)致過載或發(fā)生短路故障時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并控制斷路器控制器切斷電源，從而將線路故障從電網(wǎng)中分離出來。該電路采用了兩相兩繼電器式接線，也稱為兩相不完全星形聯(lián)結(jié)，電流互感器和電流繼電器串聯(lián)在一個(gè)回路中，因此，流入電流繼電器的電流IKA就是電流互感器的二次電流I2，其接線系數(shù)為

（2-1）

當(dāng)一次回路發(fā)生任何形式的相間短路時(shí)，電流繼電器的電流IKA和電流互感器的電流I2相等，因此，其接線系數(shù)KW=1。

（二）電力線路過流保護(hù)仿真電路的設(shè)計(jì)

電力線路過流保護(hù)分為帶時(shí)限過流保護(hù)和電流速斷保護(hù)兩種，其繼電保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)、原理及控制方式基本相同，兩者的區(qū)別在于繼電器動(dòng)作電流的整定值不同，對(duì)于電流速斷保護(hù)的動(dòng)作電流應(yīng)按躲過它所保護(hù)線路末端的最大短路電流來整定，就保護(hù)的區(qū)域而言，它不能保護(hù)線路的全長(zhǎng)。因此，凡裝設(shè)電流速斷保護(hù)的線路，一般都需要安裝帶時(shí)限的過電流保護(hù)作為后備保護(hù)，以彌補(bǔ)速斷保護(hù)存在死區(qū)的缺陷。

1.過流或短路保護(hù)控制流程圖的設(shè)計(jì)

對(duì)于10KV單側(cè)電源輻射式供電線路，主要由供電母線、開關(guān)組件、電流互感器、電流繼電器、變電所和用電設(shè)備等組成，仿真實(shí)驗(yàn)包括送電、運(yùn)行、發(fā)生故障、自動(dòng)保護(hù)等工作過程，其控制流程圖如圖2所示。

2.過流保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)電路圖的設(shè)計(jì)

基于Multisim電力線路過流保護(hù)仿真電路的設(shè)計(jì)，首先，設(shè)計(jì)一個(gè)單側(cè)電源輻射式供電線路，該供電線路是企業(yè)總降壓變電所或高壓配電所的一個(gè)饋出支路，它的負(fù)載是一個(gè)10/0.4KV的變電所及用電設(shè)備，通過選擇元器件及參數(shù)設(shè)置，使變電所低壓側(cè)構(gòu)成三相四線制的供電系統(tǒng)，并使其相電壓及線電壓符合規(guī)范要求，即220V/380V，為用電設(shè)備提供工作電源。其次，設(shè)計(jì)過流繼電保護(hù)電路，這是仿真實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，既要考慮電流互感器和電流繼電器的選型及其參數(shù)設(shè)置，而且過流繼電保護(hù)的工作過程必須與實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)相吻合，其仿真實(shí)驗(yàn)電路如圖所示。由于仿真設(shè)計(jì)的對(duì)象是10KV電力線路的繼電保護(hù)電路，而Multisim是一個(gè)完整的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，其專長(zhǎng)是在弱電領(lǐng)域的電路仿真，如模電和數(shù)電的電路等。因此，針對(duì)10KV電力線路的繼電保護(hù)所需的電氣元件的特殊性，在仿真實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要解決幾個(gè)問題：

（1）如何構(gòu)建三相四線制供電系統(tǒng)。一個(gè)10KV的單側(cè)電源輻射式供電線路，最基本的設(shè)備包括高壓母線、高壓開關(guān)組件、變電所及負(fù)載，因此，針對(duì)Multisim軟件元件庫的特殊性，設(shè)計(jì)三相變壓器是關(guān)鍵，由于在元件庫中找不到三相變壓器，因此，需要使用3個(gè)結(jié)構(gòu)相同的單變壓器按D/Y聯(lián)接代替電力系統(tǒng)中的三相變壓器，如圖的T1、T2和T3所示，變壓器要選擇使用單相虛擬變壓器，其路徑：Master Database→Basic-Virtual→NLT-Virtual。

（2）如何設(shè)計(jì)一次系統(tǒng)的電流檢測(cè)電路。設(shè)計(jì)一次系統(tǒng)的電流檢測(cè)電路則是實(shí)現(xiàn)過流繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)關(guān)鍵問題，其難點(diǎn)在于如何在Multisim元件庫中找到電流互感器和電流繼電器的替代元件，既能實(shí)現(xiàn)電流互感器和電流繼電器的檢測(cè)功能，又可以通過參數(shù)設(shè)置，改變其變流比、吸合電流及返回電流，以最終實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)的目的。對(duì)于電流互感器而言，能滿足上述要求的元件是單相虛擬變壓器，只要通過修改元件的參數(shù)，即可構(gòu)成不同變比的電流互感器。而對(duì)電流繼電器的要求，最重要的是能隨時(shí)更改其啟動(dòng)及關(guān)斷電流，以滿足繼電保護(hù)的選擇性要求，在Multisim元件庫中，能實(shí)現(xiàn)電流繼電器功能的元件較多，但既簡(jiǎn)單又能滿足使用要求的是“CURRENT CONTROLLER”，其路徑：Master Database→Basic→-Switch→Current Controller。

（3）如何設(shè)計(jì)高壓斷路器及控制電路。高壓斷路器是一種能使1000V以上的高壓線路在正常負(fù)荷下接通或斷開，在線路發(fā)生短路故障時(shí)，通過繼電保護(hù)裝置將故障線路自動(dòng)斷開，確保電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要的開關(guān)設(shè)備，然而在Multisim元件庫中也無法找到實(shí)現(xiàn)該控制功能的元件。解決的方法是利用不同的元件組合來模擬高壓斷路器的控制功能，該斷路器的模擬控制電路主要由3路電壓控制器（Voltage Controller）、2個(gè)時(shí)間繼電器及由2個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，如圖3中的J1、J2、J3；KT1、KT2；電源；IC1、IC2及外圍阻容元件等，上述元件分別位于基本元件庫（Basic）、機(jī)電元件庫（Eletro-Mechanical）、電源庫（Source）、混合元件庫（Mixed）及基本元件庫中。

3.元件參數(shù)的設(shè)置

元件參數(shù)的設(shè)置對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)電路的工作有著很大的影響，其中影響最大的是三相變壓器和電流互感器，前者關(guān)系到變電所低壓側(cè)三相四線制的工作電壓是否與實(shí)際系統(tǒng)的電壓相符，即滿足380V/220V的電壓標(biāo)準(zhǔn)。參數(shù)設(shè)置的方法，雙擊電力變壓器T1圖標(biāo)，打開“Nonlinear Transformer Virtual”對(duì)話框，分別將一次繞組和二次繞組的匝數(shù)及電阻值填入表中，單擊“確定”按鈕，如圖4所示，依此法分別設(shè)置T2和T3的繞組匝數(shù)和電阻值。而后者則影響到過流繼電保護(hù)裝置能否實(shí)現(xiàn)對(duì)線路電流的檢測(cè)及判斷功能，即線路正常運(yùn)行時(shí)，繼電保護(hù)裝置處于監(jiān)視待命狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)過載或發(fā)生短路時(shí)，即啟動(dòng)電流繼電器，去控制斷路器控制器自動(dòng)切斷故障電路，保護(hù)設(shè)備的安全及電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，電流互感器的參數(shù)設(shè)置如圖5所示，其變比為500/5，也可選擇50/5或其它變比，但電流繼電器KA的參數(shù)需要作出相應(yīng)的調(diào)整。其它元件的參數(shù)則按圖3所標(biāo)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置即可。

為滿足繼電保護(hù)選擇性的要求，定時(shí)限過流保護(hù)和電流速斷保護(hù)其吸合電流值應(yīng)根據(jù)過載電流和短路電流的大小，再根據(jù)電流互感器的變比進(jìn)行確定，定時(shí)限過流保護(hù)電流繼電器KA1和KA2的吸合電流，由圖3的X1其負(fù)載功率為1000KW，過載點(diǎn)為變電所一次側(cè)回路的U相，其額定電壓為10KV，那么其過載電流為：

（2-2）

電流互感器的接線方式采用了兩相兩繼電器式的接線，因此，電流互感器和電流繼電器串聯(lián)在同一回路中，其電流值相等，已知電流互感器的變比為500/5，一次繞組1匝，二次繞組100匝，那么電流繼電器的吸合電流應(yīng)該為：

（2-3）

因此，定時(shí)限過流保護(hù)繼電器的吸合電流值應(yīng)該整定為0.5774A。按同樣的方法整定電流速斷保護(hù)的吸合電流值為5.77A，考慮元件本身的損耗，其吸合電流值整定為5A較為合適。

4.仿真運(yùn)行

仿真運(yùn)行是檢驗(yàn)電路設(shè)計(jì)有效性的唯一手段，也是仿真實(shí)驗(yàn)的基本目的，電力線路過流保護(hù)分為定時(shí)限過流保護(hù)和電流速斷保護(hù)，因此，仿真實(shí)驗(yàn)也分兩步進(jìn)行。

定時(shí)限過流保護(hù)的仿真實(shí)驗(yàn)，其步驟如下：

（1）從文件夾中打開名為“Circuit1-電力線路過流繼電保護(hù)仿真實(shí)驗(yàn)原理圖”的文件，進(jìn)入Multisim軟件界面，檢查控制開關(guān)S1、S2、S3和S4應(yīng)在常開位置。

（2）在標(biāo)準(zhǔn)工具欄中點(diǎn)擊“仿真”圖標(biāo)，并觀察圖面右下角有綠色的指示燈在滾動(dòng)，說明已經(jīng)進(jìn)入了仿真狀態(tài)，在確認(rèn)進(jìn)入仿真狀態(tài)后，依次按下線路工作控制開關(guān)“S1”和“S2”，10KV供電線路及其變電所進(jìn)入工作運(yùn)行，大約20秒鐘后，分別雙擊電路中的萬用表，如圖3的XMM1-XMM7，并分別記下各電路的電壓和電流值。

（3）按下過載控制開關(guān)“S3”，此時(shí)負(fù)載燈X1應(yīng)閃亮，同時(shí)KA1應(yīng)吸合，單穩(wěn)態(tài)電路IC1觸發(fā)，LED1點(diǎn)亮，啟動(dòng)時(shí)間繼電器KT1，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，其延時(shí)常閉觸點(diǎn)斷開，切斷模擬斷路器J1-J3，的工作電源，完成斷路器的自動(dòng)跳閘，在實(shí)驗(yàn)期間，應(yīng)及時(shí)記下電流繼電器的吸合電流，并推算出發(fā)生過載時(shí)變壓器一 次繞組的相電流的有效值。

電流速斷保護(hù)的仿真實(shí)驗(yàn)，步驟（1）和（2）與定時(shí)限過流保護(hù)的操作步驟相同。步驟（3）按下嚴(yán)重過載（接近單相接地短路）控制開關(guān)“S4”，負(fù)載燈X2應(yīng)閃亮，同時(shí)KA2和KA4應(yīng)同時(shí)或先后吸合，單穩(wěn)態(tài)電路IC1和IC2均被觸發(fā)工作，LED1和LED2先后點(diǎn)亮，時(shí)間繼電器KT1和KT2啟動(dòng)計(jì)時(shí)，但由于KT1較KT2長(zhǎng)出一個(gè)時(shí)間級(jí)差，因此，KT2先吸合切斷模擬斷路器J1-J3，從而實(shí)現(xiàn)了電流速斷保護(hù)的目的。在實(shí)驗(yàn)期間也要及時(shí)記下各種測(cè)量的數(shù)據(jù)。

仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意的問題，一是當(dāng)按下線路工作開關(guān)S1和S2時(shí)，電路即進(jìn)入仿真運(yùn)行，但不要馬上按下過載控制開關(guān)S3或嚴(yán)重過載控制開關(guān)S4，具體等待的時(shí)間以萬用表能正常顯示標(biāo)準(zhǔn)的電壓和電流值為準(zhǔn)，一般需要等20秒鐘左右；二是若按下過載控制開關(guān)S3或嚴(yán)重過載控制開關(guān)S4時(shí)，電流繼電器不能吸合或發(fā)生仿真中斷，其原因一般是元件參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或元件取值不合理所造成的，如果運(yùn)行條件不同，那么電路元件的參數(shù)及元件取值可能會(huì)存在一定的誤差，應(yīng)在參考參數(shù)的基礎(chǔ)上，向上或向下作微調(diào)處理，需要強(qiáng)調(diào)的是參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)復(fù)雜的工作過程，有時(shí)需要反復(fù)多次的調(diào)試方可實(shí)現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。與傳統(tǒng)的硬件設(shè)備實(shí)驗(yàn)相比，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)不涉及儀器的老化與更新?lián)Q代，通過軟件升級(jí)就可以保持實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性。

【參考文獻(xiàn)】

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[2] 郭鎖上，劉延飛，李琪，五曉戎，張延偉.基于Multisim的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與綜合應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2012

【作者簡(jiǎn)介】曾禮光（1958- ），男，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)。陸巍巋（1981- ），男，工程師，研究方向：機(jī)械制造與自動(dòng)化控制。

（責(zé)編 丁 夢(mèng)）