线路自动重合闸加速保护的Multisim仿真实现

陈旭东

(闽南理工学院 实践教学中心，福建 石狮 362700)

以往“电力系统继电保护”课程相关教学，其所有实践环节均在电力系统实验室进行，利用实验室现有硬件条件完成各继电设备的线路连接及过流保护的验证操作。现场实践操作是此课程不可缺少的教学环节，而利用虚拟仿真实现是一种良性补充，特别是在远程教学不具备现场操作条件的情况下，虚拟仿真更是具有独特的作用及优势[1-2]。利用Multisim电气仿真平台，学生不但可以自主设计电力传输线路，还可以实时验证线路保护效果，加深对理论知识的掌握。笔者先期研究已经完成了6～10 kV线路过电流保护实验室模拟及Multisim仿真实现，教学效果良好，此次研究以此为基础，展开对线路自动重合闸加速保护的Multisim仿真实现研究。

1 自动重合闸概述

输电和供电线路有多种措施应对事故产生，自动重合闸加速保护是其中重要且被广泛应用的一种方式。自动重合闸应用于输电及供电环节的线路，是一种成熟的排除线路故障的措施。自动重合闸的作用在于线路产生故障时在常规继电保护装置切断故障线路后，能够立即解除断路器跳闸动作使线路重新合闸[3]。如果线路故障是短暂的，自动重合闸可以让线路系统继续正常运行，如果线路故障不可能短时间内清除，则可以通过系统继电保护设备再次切断线路，以利于线路检修工作的开展。由于大多数线路特别是架空线路故障(如雷电冲击、大风吹刮、鸟类干扰等)属于暂时性故障，在自动重合闸装置的保障下不但能提高线路安全性能，其稳定性和可靠性也得到了非常明显的提升，同时也能避免因停电导致的各种损失[4]。

自动重合闸加速保护具体有前加速保护及后加速保护两种方式。自动重合闸前加速保护是在线路继电保护设备无选择性且无延时地切断故障线路后，重合闸装置对线路进行跳闸解除，如果线路故障是短暂的，则线路可恢复正常，如果线路故障短时内无法排除，则保护系统将有选择性且有延时地再次跳闸，从而切断故障线路；自动重合闸后加速保护是在线路继电保护设备有选择性且有延时地切断故障线路后，重合闸装置对线路进行跳闸解除，如果线路故障是短暂的，则线路可恢复正常，如果线路故障短时内无法排除，则保护系统将无选择性且无延时地立即跳闸，从而切断故障线路[5]。

2 自动重合闸前加速保护设计分析

本文以自动重合闸前加速保护为典型案例，对其进行设计分析及虚拟仿真实现。自动重合闸后加速保护的虚拟仿真实现可以借鉴前加速保护的设计思想展开设计。

在线路自动重合闸前加速保护实验设计中，过流保护交流回路需串接两个电流继电器，用于检测回路电流及做出过流保护动作，交流回路原理如图1所示。当交流回路产生故障时，回路电流达到电流继电器动作值，电流继电器1LJ瞬间判断并做出动作回应，信号继电器XJ及保护出口继电器BCJ同时动作，此时交流回路跳闸，过流保护动作指示灯点亮[6-7]。自动重合闸加速保护装置ZCH(采用一个输入开关进行模拟)在跳闸后启动，同步触发加速保护继电器JSJ动作，起到短暂接通交流回路的作用。若交流回路故障解除，则回路恢复正常工作，若故障犹在，此时电流继电器1LJ失效，由电流继电器2LJ做出动作回应，经时间继电器SJ短暂延时后交流回路再次跳闸切断供电，此时过流保护动作指示灯及自动重合闸指示灯同时点亮[8]。图2展示了详细的实验接线图。

图1 交流回路原理图

图2 实验接线图

3 自动重合闸前加速保护Multisim仿真

3.1 仿真线路设计

仿真线路包括交流回路、直流控制回路及交直流连接电路三部分。常用元器件从Multisim基本元件库中选用，继电器元件从“放置机电式”组(Electro_Mechanical)中选用。元件参数及选型总体依据图2实验接线图选择，在不影响仿真结果的前提下可根据设计需要适当调整连接结构或增加部分辅助器件。仿真设计总图如图3所示，继电器主要参数设置见表1。

图3 仿真设计总图

表1 继电器主要参数表

3.1.1 交流回路设计

交流回路结构总体依据图1结构进行设计，交流电源经变压器输出36 V电压，利用滑动变阻器R1实现对回路电流大小的控制，串联1LJ及2LJ两个电流继电器实现回路电流检测[9]。图3右下部分虚线框所示为跳闸线路，线圈的通断由继电器BCJ控制，交流回路火线、零线分别经过TQ1和TQ2常闭触点，线路正常工作时导通，过流时跳闸同时切断火线和零线。

3.1.2 直流控制回路设计

直流控制回路继电器线圈选用DC220V控制电压。直流控制回路包括重合闸前继电器1LJ响应回路及重合闸后继电器2LJ响应回路两部分，设计一个输入开关S1，通过开关开合模拟自动重合闸装置的启停，从而实现两种控制状态的切换。

S1默认断开，继电器1LJ过流检测动作，通过连接电路直接驱动继电器XJ和BCJ串联回路，此时指示灯GP2点亮，指示交流回路过流，TQ1和TQ2同时跳闸切断交流回路[10]。

S1闭合，启动继电器JSJ，切断继电器1LJ响应回路，接通继电器2LJ响应回路。继电器2LJ过流检测动作，通过连接电路启动继电器SJ计时，计时结束驱动继电器XJ和BCJ串联回路，此时指示灯GP2点亮指示交流回路过流，指示灯GP1点亮指示开启自动重合闸，TQ1和TQ2同时跳闸切断交流回路[11-12]。

3.1.3 交直流连接电路设计

连接电路包含辅助继电器K1和K2及加速保护继电器JSJ。设计过程发现电流继电器1LJ及2LJ在过流状态下其触点会产生重复“闭合-断开”现象，故不宜直接驱动直流控制继电器。设置辅助继电器K1和K2，其线圈分别由继电器1LJ和2LJ常开触点驱动，辅助继电器设置自保持电路，当电流继电器过流动作，其常开触点只需一次闭合就触发辅助继电器动作并自保持，上述重复“闭合-断开”现象不再影响其状态，直到自保持状态被解除[13]。辅助继电器K1一个常开触点控制重合闸前继电器1LJ响应回路，辅助继电器K2一个常开触点控制重合闸后继电器2LJ响应回路。

继电器JSJ线圈的通断由开关S1控制驱动，设置一个常开触点控制继电器K2线圈回路，设置两个常闭触点分别控制继电器K1线圈回路和自保持回路，以此实现重合闸前后的控制状态切换。

设置复位按键SB，默认常闭，连接继电器K1和K2自保持回路，按下按键SB则切断回路，取消继电器自保持状态，实现仿真线路复位。

3.2 仿真过程

3.2.1 仿真前准备

系统未上电，打开电压表XMM2和电流表XMM1，此时均无示数。交流回路变阻器R1滑动到最大值，S1开关初始保持常开状态。

3.2.2 线路未过流运行

系统上电开始仿真运行，此时交流回路未过流，电压表XMM2显示回路电压值，电流表XMM1显示工作电流值，电流继电器不动作，直流控制回路不被触发。

3.2.3 重合闸前过流仿真

将变阻器R1滑动端滑动到最左端，此时交流回路电流超限值，继电器1LJ立即动作，通过继电器K1触发继电器XJ和BCJ回路导通，过流指示灯GP2点亮，交流回路跳闸。仿真结果如图4所示。

图4 重合闸前过流仿真图

3.2.4 重合闸后过流仿真

交流回路一次跳闸后，变阻器R1滑动端保持在最左端，按下S1模拟重合闸装置启动，交流回路重合闸，过流指示灯GP2熄灭，此时由于交流回路故障未解除，继电器2LJ过流动作通过继电器K2触发继电器SJ线圈回路，经短暂延时后继电器SJ常开触点闭合触发继电器XJ和BCJ回路导通，过流指示灯GP2点亮，重合闸指示灯GP1点亮，交流回路再次跳闸。仿真结果如图5所示。交流回路一次跳闸后，变阻器R1滑动端恢复到最右端，按下S1模拟重合闸装置启动，交流回路重合闸，过流指示灯GP2熄灭，此时由于交流回路故障解除，线路恢复未过流运行。S1按键恢复常开状态，解除重合闸装置运行。

图5 重合闸后过流仿真图

3.2.5 线路复位仿真

交流线路在跳闸状态下(重合闸前、后)，按下按钮SB可实现故障指示及跳闸状态解除。若按键前故障解除，线路则恢复未过流运行；若按键前故障未排除，线路短暂恢复后继续出现过流保护现象。

3.3 仿真结果分析

经与现场实验记录表对照发现，在交流回路未过流状态、重合闸前后过流状态及线路复位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，达到了虚拟仿真的目的。主要继电器及装置状态如表2所示。

表2 主要继电器及装置状态

4 结论

在前期虚拟仿真设计研究的基础上，针对线路自动重合闸前加速保护实验的需要，在利用实验室现场设备完成模拟之后，引入虚拟仿真的实现方法，取得了较为理想的教学效果。自动重合闸后加速保护实验的虚拟仿真如借助前加速保护的设计思想会更加容易实施。以强电类传输线路保护项目设计为起点，以相关学科的实物演练与虚拟仿真实现相结合的课程设计将会越来越普及。