供電系統(tǒng)繼電保護實訓(xùn)裝置的設(shè)計與應(yīng)用

車壯

摘要：針對工廠供電課程教學(xué)缺少教學(xué)設(shè)備的情況，結(jié)合教材內(nèi)容和變電所實際，設(shè)計制作供電系統(tǒng)繼電保護實訓(xùn)裝置。介紹繼電保護實訓(xùn)裝置功能、結(jié)構(gòu)、工作原理，分析主要部分的設(shè)計及相關(guān)參數(shù)的確定，為繼電保護實訓(xùn)裝置的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：繼電保護；實訓(xùn)裝置；理實一體化

中圖分類號：TM771 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）01-0046-03

繼電保護裝置是供電系統(tǒng)安全可靠運行的重要保障，電氣專業(yè)的技術(shù)人員必須掌握相關(guān)知識和技能。為提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)適應(yīng)企業(yè)需要的技術(shù)人員，營口市農(nóng)業(yè)工程學(xué)校設(shè)計制作了繼電保護實訓(xùn)裝置。通過“理實一體化”教學(xué)，使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)繼電保護系統(tǒng)的基本知識，掌握元件安裝、接線、參數(shù)設(shè)定、調(diào)整測試等專業(yè)技能。

1 繼電保護裝置的設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

該實訓(xùn)裝置由一次回路和二次回路兩部分組成，包括立式網(wǎng)孔板、DW16C-630型低壓斷路器、電流互感器、過電流繼電器、零序電流互感器、鋁母板、交流接觸器、時間繼電器、按鈕、指示燈、蜂鳴器、電壓表、電流表、DZ47模數(shù)化低壓斷路器、端子排、插座等元件。為便于教學(xué)，所有元件垂直安裝在立式網(wǎng)孔板上。其電氣原理如圖1所示。

1.2 主要功能和工作原理

實訓(xùn)裝置可進行短路保護試驗，電流速斷保護試驗，過負荷保護試驗，單相接地保護試驗，漏電保護試驗，失壓保護試驗，缺相指示試驗，電壓、電流測量試驗等。

工作原理：當(dāng)一次電路發(fā)生短路、過負荷、單相接地等故障時，電流繼電器KA1或KA2或KA3瞬時動作，閉合其觸點，接通中間繼電器KM2或KM3；KM2或KM3動作后，使時間繼電器KT動作，同時接通信號回路，給出燈光信號和音響信號；KT經(jīng)過整定時限后，其延時觸點閉合，使串聯(lián)的交流接觸器KM1動作；KM1動作后斷開失壓脫扣器線圈回路（相當(dāng)于接通跳閘線圈YR回路），使斷路器QF跳閘，切除故障；QF跳閘后，其輔助觸點QF7-8隨之切斷跳閘回路；在故障被切除后，所有繼電器均自動返回起始狀態(tài)。

1.3 主要元件技術(shù)參數(shù)

繼電保護實訓(xùn)裝置主要元件技術(shù)參數(shù)見表1。

2 繼電保護裝置主要部分的設(shè)計

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)和工廠變電所實際情況，在參考工廠供電系統(tǒng)常用繼電保護裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計繼電保護裝置。實訓(xùn)裝置僅用于教學(xué)和實訓(xùn)，通過模擬試驗來實現(xiàn)繼電保護功能。電源電壓以380 V和220 V低電壓代替10 kV高電壓，以低壓元件代替相關(guān)高壓元件。斷路器采用DW16C-630型，可靠性高，操作便捷。繼電保護裝置的操作方式：動作于低壓斷路器的跳閘機構(gòu)（失壓脫扣器YR），使斷路器跳閘。電流互感器的選取以負載功率為依據(jù)，具有一定的功率余量，僅需驗證其二次電流是否大于過電流繼電器動作電流即可。在實現(xiàn)繼電保護功能的前提下，電氣控制進行簡化處理。

2.1 電流測量接線

由于電源屬于中性點直接接地低壓（大接地電流）系統(tǒng)、低壓三相四線制電路，因此采用三相星形接線（見圖2）來測量三相電流。在三相中各接入一只相同的電流互感器TA，電流互感器二次接入電流表PA，既可應(yīng)用于負荷不平衡的三相四線制系統(tǒng)（TN系統(tǒng)），也可以用于負荷不平衡的三相三線制系統(tǒng)（IN系統(tǒng)）。電流表的表盤滿量程是15 A，直接讀數(shù)即可。

2.2 相間短路保護、過負荷保護接線設(shè)計

電流互感器的接線方式隨測量儀表、繼電保護的要求而定。電流互感器TA與啟動繼電器KA之間采用兩相兩繼電器式連接方式（如圖3所示）。如果一次電路發(fā)生三相短路或任意兩相短路，至少有一個繼電器動作，從而使斷路器QF跳閘。但是，未接互感器的一相單相短路時，繼電器不動作。如果一次電路發(fā)生A，C兩相過負荷，則至少有一個繼電器動作使斷路器QF跳閘。

2.3 單相接地保護接線設(shè)計

單相接地保護又稱零序電流保護，它通過檢測線路中的零序電流（單相接地所產(chǎn)生的零序電流）使保護裝置動作，實現(xiàn)有選擇性的單相接地保護。在小接地電流系統(tǒng)中，若發(fā)生單相接地故障，則只有很小的接地電容電流，在相間電壓不變的情況下，可暫時繼續(xù)運行。必須通過無選擇性的絕緣監(jiān)視裝置或有選擇性的單相接地保護裝置，發(fā)出報警信號。當(dāng)單相接地危及人身和設(shè)備安全時，則動作于跳閘。

零序電流互感器TAN一次接入相線、中性線，二次接入過電流繼電器KA3，流入繼電器的電流等于三相電流和中性線電流之和，它反映的是零序電流，專用于零序電流保護，如圖4所示。以3～10 A的負荷電流值來模擬單相接地電流值進行單相接地保護試驗，設(shè)定相關(guān)參數(shù)。

3 繼電保護裝置相關(guān)參數(shù)整定

3.1 短路保護動作電流

短路保護采用定時限過電流保護和瞬時動作電流速斷保護。定時限過電流保護的動作電流應(yīng)能躲過線路的最大負荷電流，以免保護裝置誤動作，即Iop>IL.max；其返回電流也應(yīng)躲過線路的最大負荷電流，即Ire>IL.max。正常運行時，保護裝置不動作。

計算過電流保護動作電流整定值Iop的公式為：

Iop =（Krel×Kw/Kre×Ki）×IL.max （1）

式中：Krel為保護裝置的可靠系數(shù)；Kw為保護裝置的接線系數(shù)；Ki為電流互感器電流比；IL.max（線路最大負荷電流）；Kre為繼電器返回系數(shù)，即繼電器返回電流（Ire）與繼電器啟動電流（Iop）的比值。

DL-13型過電流繼電器是瞬時動作繼電器，動作電流值Iop的調(diào)節(jié)方法為平滑調(diào)節(jié)結(jié)合級進調(diào)節(jié)。

DL-13型過電流繼電器的Krel=1.2，Kw=1，Kre一般為0.8。Ki=150/5=30，IL.max一般為1.5～3.0I30（I30為線路計算電流）。

當(dāng)IL.max為3 A時，動作電流整定值為：Iop=（1.2×1/0.8×30）×3=0.15（A）。當(dāng)IL.max為10 A時，動作電流整定值為：Iop=（1.2×1/0.8×30）×10=0.5（A）。

根據(jù)以上分析，確定DL-13型過電流繼電器的電流整定范圍為0.15～0.60 A。當(dāng)電流繼電器電流整定0.15 A、線路電流大于3.0 A時，過電流繼電器動作。當(dāng)電流繼電器電流整定0.5 A、線路電流大于10.0 A時，過電流繼電器動作。因此，以3～10 A的負荷電流值來模擬短路電流值，設(shè)置繼電保護元件相關(guān)參數(shù)。

3.2 短路保護動作時間

定時限過電流保護的動作時限是按預(yù)先整定的動作時間固定不變的，與短路電流大小無關(guān)。過電流保護的動作時限應(yīng)按“階梯原則”整定，以保證前后兩級保護裝置動作的選擇性。在后一級保護裝置所保護的線路首端發(fā)生三相短路時，前一級保護的動作時間t1應(yīng)比后一級保護中最長的動作時間t2大一個時間級差△t，即t1≥t2+△t。通常取△t=0.5 s。

定時限過電流保護的動作時間是利用時間繼電器來整定的。當(dāng)時間繼電器動作時間整定為0.5 s、線路電流達到短路故障值時，過電流繼電器動作，然后時間繼電器動作，經(jīng)過0.5 s延時，時間繼電器延時觸點閉合，接通信號回路和跳閘回路。以0～99 s時限進行短路保護的選擇性動作試驗，以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和測試。

3.3 過負荷保護動作電流和時間

過負荷保護延時動作于信號，過負荷保護的動作電流，應(yīng)通過線路的計算電流I30來整定：Iop（OL）=（1.2～1.3/Ki）×I30，動作時間一般取10～15 s。以3～10 A的負荷電流值來模擬過負荷電流值進行試驗，設(shè)置繼電保護元件相關(guān)參數(shù)。

4 繼電保護裝置教學(xué)應(yīng)用效果

繼電保護實訓(xùn)裝置投入使用以來，教師和學(xué)生普遍反映良好。通過實物演示使抽象理論學(xué)習(xí)變得形象直觀。通過相關(guān)試驗，達到以下效果：一是學(xué)生觀察到繼電保護元件的控制過程，提高了感性認識，深入理解了繼電保護控制的邏輯關(guān)系；二是了解繼電保護裝置的組成、結(jié)構(gòu)、基本原理；三是學(xué)習(xí)繼電保護元件的選擇、電路分析、安裝接線；四是熟悉繼電保護相關(guān)計算、元件參數(shù)設(shè)定、調(diào)節(jié)測試；五是學(xué)生學(xué)習(xí)興趣提高，相關(guān)知識和技能掌握較快，為將來適應(yīng)工作崗位需要打下堅實基礎(chǔ)。例如，電氣專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)實習(xí)時，崗位考核合格率高達100%，受到企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)與專業(yè)人員的認可，達到為企業(yè)培養(yǎng)電氣專業(yè)合格人才的目的。

5 結(jié)論

繼電保護實訓(xùn)裝置融合繼電保護基本知識和基本技能，可靠性高，操作靈活方便，實用性強，在工廠供電課程“理實一體化”教學(xué)中，可以實現(xiàn)知識與技能的有機結(jié)合，使學(xué)生的知識水平和技能水平明顯提高，有利于全面掌握理論知識及實踐技能。

參考文獻

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