基于Multisim电力线路过流保护仿真实验的设计

曾礼光　陆巍岿

【摘 要】以10KV单侧电源辐射式供电线路为控制对象，以定时限过流保护和电流速断保护的仿真实验为内容，采用两相不完全星形的继电保护的接线方式，充分依托Multisim 技术强大的元件库及仿真分析功能，完成了电力线路过流保护装置的电路设计及仿真运行，为高压线路继电保护的电流和时限的整定提供一个实验和实训的平台。

【关键词】Multisim 线路 过流保护 设计

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2015）04C-0187-03

在供配电系统中，过载和短路是一种常见的故障，为了确保系统的可靠运行，通常需要安装有各种不同类型的继电保护装置，而掌握继电保护装置的构成、原理及其整定电流的计算，则是高等学校电类专业学生必须具备的基本技能。要实现这一教学目的，最有效的方法是将课程与实际接轨，通过开设大量的实验，从而为知识向技能的转化搭建一个联系的桥梁。然而，由于供配电系统结构的复杂性及设备的超大性，不可能将实际运行的设备搬进实验室，而运用小容量的器件所进行的物理仿真实验，由于所选用的器件与实际运行的电气设备，无论是结构上还是性能上都存在着较大的差异，其实验的效果也大打折扣，这种实验教学的现状，严重制约着电力系统实验与实训教学向深层次的发展。Multisim 作为电力系统自动化技术教学的辅助实验教学手段，具有自动化功能程度高、功能完善、运行速度快，而且操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性，非常适合于电类专业课程的教学和实验。

一、基于Multisim电力线路过流保护电路的设计

根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》（GB 50062-1992）的规定：对3-66KV电力线路，应装设相间短路保护、单相接地保护和过负荷保护。对于电力线路的短路保护，目前常采用的方法有两种，一是带时限的过电流保护，二是瞬时动作的电流速断保护，简称为电流速断保护，它的动作时限取决于继电器本身的固有动作时间，其选择性是依靠选择适当的动作电流来解决。

（一）电力线路过流保护仿真模型的建立

过流保护实验仿真的对象是10KV的电力线路，其实验电路模型主要由10KV母线、高压隔离开关、高压断路器、10/0.4KV变电所、用电设备、继电保护装置及断路器控制器等设备组成，如图1所示。

继电保护装置主要负责监视负载电流，当线路异常而导致过载或发生短路故障时，及时发出报警信号并控制断路器控制器切断电源，从而将线路故障从电网中分离出来。该电路采用了两相两继电器式接线，也称为两相不完全星形联结，电流互感器和电流继电器串联在一个回路中，因此，流入电流继电器的电流IKA就是电流互感器的二次电流I2，其接线系数为

（2-1）

当一次回路发生任何形式的相间短路时，电流继电器的电流IKA和电流互感器的电流I2相等，因此，其接线系数KW=1。

（二）电力线路过流保护仿真电路的设计

电力线路过流保护分为带时限过流保护和电流速断保护两种，其继电保护电路的结构、原理及控制方式基本相同，两者的区别在于继电器动作电流的整定值不同，对于电流速断保护的动作电流应按躲过它所保护线路末端的最大短路电流来整定，就保护的区域而言，它不能保护线路的全长。因此，凡装设电流速断保护的线路，一般都需要安装带时限的过电流保护作为后备保护，以弥补速断保护存在死区的缺陷。

1.过流或短路保护控制流程图的设计

对于10KV单侧电源辐射式供电线路，主要由供电母线、开关组件、电流互感器、电流继电器、变电所和用电设备等组成，仿真实验包括送电、运行、发生故障、自动保护等工作过程，其控制流程图如图2所示。

2.过流保护仿真实验电路图的设计

基于Multisim电力线路过流保护仿真电路的设计，首先，设计一个单侧电源辐射式供电线路，该供电线路是企业总降压变电所或高压配电所的一个馈出支路，它的负载是一个10/0.4KV的变电所及用电设备，通过选择元器件及参数设置，使变电所低压侧构成三相四线制的供电系统，并使其相电压及线电压符合规范要求，即220V/380V，为用电设备提供工作电源。其次，设计过流继电保护电路，这是仿真实验电路设计的关键，既要考虑电流互感器和电流继电器的选型及其参数设置，而且过流继电保护的工作过程必须与实际运行系统相吻合，其仿真实验电路如图所示。由于仿真设计的对象是10KV电力线路的继电保护电路，而Multisim是一个完整的电子系统设计工具，其专长是在弱电领域的电路仿真，如模电和数电的电路等。因此，针对10KV电力线路的继电保护所需的电气元件的特殊性，在仿真实验电路设计时，需要解决几个问题：

（1）如何构建三相四线制供电系统。一个10KV的单侧电源辐射式供电线路，最基本的设备包括高压母线、高压开关组件、变电所及负载，因此，针对Multisim软件元件库的特殊性，设计三相变压器是关键，由于在元件库中找不到三相变压器，因此，需要使用3个结构相同的单变压器按D/Y联接代替电力系统中的三相变压器，如图的T1、T2和T3所示，变压器要选择使用单相虚拟变压器，其路径：Master Database→Basic-Virtual→NLT-Virtual。

（2）如何设计一次系统的电流检测电路。设计一次系统的电流检测电路则是实现过流继电保护仿真实验的另一个关键问题，其难点在于如何在Multisim元件库中找到电流互感器和电流继电器的替代元件，既能实现电流互感器和电流继电器的检测功能，又可以通过参数设置，改变其变流比、吸合电流及返回电流，以最终实现仿真实际运行系统的目的。对于电流互感器而言，能满足上述要求的元件是单相虚拟变压器，只要通过修改元件的参数，即可构成不同变比的电流互感器。而对电流继电器的要求，最重要的是能随时更改其启动及关断电流，以满足继电保护的选择性要求，在Multisim元件库中，能实现电流继电器功能的元件较多，但既简单又能满足使用要求的是“CURRENT CONTROLLER”，其路径：Master Database→Basic→-Switch→Current Controller。

（3）如何设计高压断路器及控制电路。高压断路器是一种能使1000V以上的高压线路在正常负荷下接通或断开，在线路发生短路故障时，通过继电保护装置将故障线路自动断开，确保电力系统正常运行的重要的开关设备，然而在Multisim元件库中也无法找到实现该控制功能的元件。解决的方法是利用不同的元件组合来模拟高压断路器的控制功能，该断路器的模拟控制电路主要由3路电压控制器（Voltage Controller）、2个时间继电器及由2个单稳态触发器构成，如图3中的J1、J2、J3；KT1、KT2；电源；IC1、IC2及外围阻容元件等，上述元件分别位于基本元件库（Basic）、机电元件库（Eletro-Mechanical）、电源库（Source）、混合元件库（Mixed）及基本元件库中。

3.元件参数的设置

元件参数的设置对仿真实验电路的工作有着很大的影响，其中影响最大的是三相变压器和电流互感器，前者关系到变电所低压侧三相四线制的工作电压是否与实际系统的电压相符，即满足380V/220V的电压标准。参数设置的方法，双击电力变压器T1图标，打开“Nonlinear Transformer Virtual”对话框，分别将一次绕组和二次绕组的匝数及电阻值填入表中，单击“确定”按钮，如图4所示，依此法分别设置T2和T3的绕组匝数和电阻值。而后者则影响到过流继电保护装置能否实现对线路电流的检测及判断功能，即线路正常运行时，继电保护装置处于监视待命状态，当出现过载或发生短路时，即启动电流继电器，去控制断路器控制器自动切断故障电路，保护设备的安全及电力系统的正常运行，电流互感器的参数设置如图5所示，其变比为500/5，也可选择50/5或其它变比，但电流继电器KA的参数需要作出相应的调整。其它元件的参数则按图3所标定的数据进行设置即可。

为满足继电保护选择性的要求，定时限过流保护和电流速断保护其吸合电流值应根据过载电流和短路电流的大小，再根据电流互感器的变比进行确定，定时限过流保护电流继电器KA1和KA2的吸合电流，由图3的X1其负载功率为1000KW，过载点为变电所一次侧回路的U相，其额定电压为10KV，那么其过载电流为：

（2-2）

电流互感器的接线方式采用了两相两继电器式的接线，因此，电流互感器和电流继电器串联在同一回路中，其电流值相等，已知电流互感器的变比为500/5，一次绕组1匝，二次绕组100匝，那么电流继电器的吸合电流应该为：

（2-3）

因此，定时限过流保护继电器的吸合电流值应该整定为0.5774A。按同样的方法整定电流速断保护的吸合电流值为5.77A，考虑元件本身的损耗，其吸合电流值整定为5A较为合适。

4.仿真运行

仿真运行是检验电路设计有效性的唯一手段，也是仿真实验的基本目的，电力线路过流保护分为定时限过流保护和电流速断保护，因此，仿真实验也分两步进行。

定时限过流保护的仿真实验，其步骤如下：

（1）从文件夹中打开名为“Circuit1-电力线路过流继电保护仿真实验原理图”的文件，进入Multisim软件界面，检查控制开关S1、S2、S3和S4应在常开位置。

（2）在标准工具栏中点击“仿真”图标，并观察图面右下角有绿色的指示灯在滚动，说明已经进入了仿真状态，在确认进入仿真状态后，依次按下线路工作控制开关“S1”和“S2”，10KV供电线路及其变电所进入工作运行，大约20秒钟后，分别双击电路中的万用表，如图3的XMM1-XMM7，并分别记下各电路的电压和电流值。

（3）按下过载控制开关“S3”，此时负载灯X1应闪亮，同时KA1应吸合，单稳态电路IC1触发，LED1点亮，启动时间继电器KT1，当定时时间到，其延时常闭触点断开，切断模拟断路器J1-J3，的工作电源，完成断路器的自动跳闸，在实验期间，应及时记下电流继电器的吸合电流，并推算出发生过载时变压器一 次绕组的相电流的有效值。

电流速断保护的仿真实验，步骤（1）和（2）与定时限过流保护的操作步骤相同。步骤（3）按下严重过载（接近单相接地短路）控制开关“S4”，负载灯X2应闪亮，同时KA2和KA4应同时或先后吸合，单稳态电路IC1和IC2均被触发工作，LED1和LED2先后点亮，时间继电器KT1和KT2启动计时，但由于KT1较KT2长出一个时间级差，因此，KT2先吸合切断模拟断路器J1-J3，从而实现了电流速断保护的目的。在实验期间也要及时记下各种测量的数据。

仿真实验时应注意的问题，一是当按下线路工作开关S1和S2时，电路即进入仿真运行，但不要马上按下过载控制开关S3或严重过载控制开关S4，具体等待的时间以万用表能正常显示标准的电压和电流值为准，一般需要等20秒钟左右；二是若按下过载控制开关S3或严重过载控制开关S4时，电流继电器不能吸合或发生仿真中断，其原因一般是元件参数设置不当或元件取值不合理所造成的，如果运行条件不同，那么电路元件的参数及元件取值可能会存在一定的误差，应在参考参数的基础上，向上或向下作微调处理，需要强调的是参数的调试是一个复杂的工作过程，有时需要反复多次的调试方可实现仿真实验的目标。与传统的硬件设备实验相比，计算机仿真实验不涉及仪器的老化与更新换代，通过软件升级就可以保持实验的先进性。

【参考文献】

[1] 颜芳.基于Multisim的电路原理课程仿真实验设计[J].实验技术与管理，2013（5）

[2] 郭锁上，刘延飞，李琪，五晓戎，张延伟.基于Multisim的电子系统设计、仿真与综合应用[M].北京：人民邮电出版社，2012

【作者简介】曾礼光（1958- ），男，柳州铁道职业技术学院讲师，研究方向：电气自动化技术。陆巍岿（1981- ），男，工程师，研究方向：机械制造与自动化控制。

（责编 丁 梦）