線路自動重合閘加速保護的Multisim仿真實現(xiàn)

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(tǒng)繼電保護”課程相關(guān)教學，其所有實踐環(huán)節(jié)均在電力系統(tǒng)實驗室進行，利用實驗室現(xiàn)有硬件條件完成各繼電設(shè)備的線路連接及過流保護的驗證操作?，F(xiàn)場實踐操作是此課程不可缺少的教學環(huán)節(jié)，而利用虛擬仿真實現(xiàn)是一種良性補充，特別是在遠程教學不具備現(xiàn)場操作條件的情況下，虛擬仿真更是具有獨特的作用及優(yōu)勢[1-2]。利用Multisim電氣仿真平臺，學生不但可以自主設(shè)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(jīng)完成了6～10 kV線路過電流保護實驗室模擬及Multisim仿真實現(xiàn)，教學效果良好，此次研究以此為基礎(chǔ)，展開對線路自動重合閘加速保護的Multisim仿真實現(xiàn)研究。

1 自動重合閘概述

輸電和供電線路有多種措施應(yīng)對事故產(chǎn)生，自動重合閘加速保護是其中重要且被廣泛應(yīng)用的一種方式。自動重合閘應(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。自動重合閘的作用在于線路產(chǎn)生故障時在常規(guī)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(tǒng)繼續(xù)正常運行，如果線路故障不可能短時間內(nèi)清除，則可以通過系統(tǒng)繼電保護設(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(wěn)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(shè)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(nèi)無法排除，則保護系統(tǒng)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(shè)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(nèi)無法排除，則保護系統(tǒng)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(shè)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(shè)計分析及虛擬仿真實現(xiàn)。自動重合閘后加速保護的虛擬仿真實現(xiàn)可以借鑒前加速保護的設(shè)計思想展開設(shè)計。

在線路自動重合閘前加速保護實驗設(shè)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(chǎn)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(yīng)，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(guān)進行模擬)在跳閘后啟動，同步觸發(fā)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(yīng)，經(jīng)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(shè)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(shù)及選型總體依據(jù)圖2實驗接線圖選擇，在不影響仿真結(jié)果的前提下可根據(jù)設(shè)計需要適當調(diào)整連接結(jié)構(gòu)或增加部分輔助器件。仿真設(shè)計總圖如圖3所示，繼電器主要參數(shù)設(shè)置見表1。

圖3 仿真設(shè)計總圖

表1 繼電器主要參數(shù)表

3.1.1 交流回路設(shè)計

交流回路結(jié)構(gòu)總體依據(jù)圖1結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，交流電源經(jīng)變壓器輸出36 V電壓，利用滑動變阻器R1實現(xiàn)對回路電流大小的控制，串聯(lián)1LJ及2LJ兩個電流繼電器實現(xiàn)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(jīng)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(shè)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(yīng)回路及重合閘后繼電器2LJ響應(yīng)回路兩部分，設(shè)計一個輸入開關(guān)S1，通過開關(guān)開合模擬自動重合閘裝置的啟停，從而實現(xiàn)兩種控制狀態(tài)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(qū)動繼電器XJ和BCJ串聯(lián)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(yīng)回路，接通繼電器2LJ響應(yīng)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(jié)束驅(qū)動繼電器XJ和BCJ串聯(lián)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(shè)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(shè)計過程發(fā)現(xiàn)電流繼電器1LJ及2LJ在過流狀態(tài)下其觸點會產(chǎn)生重復“閉合-斷開”現(xiàn)象，故不宜直接驅(qū)動直流控制繼電器。設(shè)置輔助繼電器K1和K2，其線圈分別由繼電器1LJ和2LJ常開觸點驅(qū)動，輔助繼電器設(shè)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(fā)輔助繼電器動作并自保持，上述重復“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K1一個常開觸點控制重合閘前繼電器1LJ響應(yīng)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(yīng)回路。

繼電器JSJ線圈的通斷由開關(guān)S1控制驅(qū)動，設(shè)置一個常開觸點控制繼電器K2線圈回路，設(shè)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(xiàn)重合閘前后的控制狀態(tài)切換。

設(shè)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(tài)，實現(xiàn)仿真線路復位。

3.2 仿真過程

3.2.1 仿真前準備

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

3.2.2 線路未過流運行

系統(tǒng)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(fā)。

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(fā)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(jié)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(fā)繼電器SJ線圈回路，經(jīng)短暫延時后繼電器SJ常開觸點閉合觸發(fā)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(jié)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(tài)，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(tài)下(重合閘前、后)，按下按鈕SB可實現(xiàn)故障指示及跳閘狀態(tài)解除。若按鍵前故障解除，線路則恢復未過流運行；若按鍵前故障未排除，線路短暫恢復后繼續(xù)出現(xiàn)過流保護現(xiàn)象。

3.3 仿真結(jié)果分析

經(jīng)與現(xiàn)場實驗記錄表對照發(fā)現(xiàn)，在交流回路未過流狀態(tài)、重合閘前后過流狀態(tài)及線路復位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)計研究的基礎(chǔ)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(xiàn)場設(shè)備完成模擬之后，引入虛擬仿真的實現(xiàn)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(shè)計思想會更加容易實施。以強電類傳輸線路保護項目設(shè)計為起點，以相關(guān)學科的實物演練與虛擬仿真實現(xiàn)相結(jié)合的課程設(shè)計將會越來越普及。