摘要: 开发设计了一套基于安全电压等级的自动重合闸实验电路并制作了实验柜, 使实验过程接近于实际的保护装置动作过程, 对深刻理解电流保护及自动重合闸的实质, 进一步领会电力系统继电保护及电力系统自动化起到了较好的作用。

关键词: 安全电压等级; 自动重合闸; 实验; 电路设计

电力系统的所有一次设备在运行过程中由于外力破坏、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因都有可能发生例如短路、断线等故障, 要确保电力系统的正常运行, 就要在电力系统自动化和电力系统继电保护上做好工作, 二者对电力系统的安全有效运行影响重大。

电力系统自动化和电力系统继电保护的研究方法和其他科学领域一样, 不外乎理论分析和实验研究两种途径。理论分析无疑是极其重要的,它能够阐明物质运动的基本规律并可以探讨。但由于电力系统的复杂性和实践性, 光靠理论分析往往难以得到全面的知识。因此必须与实验研究相结合才能获得较全面的知识。电力系统的实验方法, 可以在实际电力系统上进行, 也可以在电力系统模型上进行。在实际电力系统上进行实验,能够获得较全面和真实的第一手资料。但是由于电力系统的主要组成部分如发电机、变压器等长期处于运行中, 而运行系统是严格禁止用于教育培训操作的, 在这种现实情况下, 许多电力实验条件难以满足, 因此, 基于电力系统模型的实验研究在电力系统的研究工作中具有十分重要的意义。

电力系统继电保护与自动重合闸的配合实验是是电气专业所要掌握的最基本的实验。在现实条件下理解和掌握电流保护原理及特性的最有效的手段是实验。目前, 国内专门制造继电保护实验装置的厂家很少, 并且现有的实验装置侧重于实验数量, 具体到每一个实验, 实验效果大都不理想。另外现有的实验装置都是基于380/ 220 V 强电的, 除了存在明显的安全问题外, 每次引进设备都需要对实验室电路进行改造。基于以上原因,设计了24 V 的交直流电压做为启动电压, 能较好的满足10 kV 配电线路继电保护与自动重合闸配合实验的综合实验装置。

1 设计思路

自动重合闸, 即是当断路器由继电保护动作或其它非人工操作而跳闸后, 能够自动控制断路器重新合上的一种装置。架空线路故障大都是瞬时性的故障, 在线路被保护迅速动作将断路器断开后, 故障点的绝缘水平可自行恢复, 故障随即消失。此时, 若把断开的线路断路器重新合上,就能够恢复正常的供电。三相一次自动重合闸就是在输电线路上发生任何故障, 继电保护装置将三相断路器断开时, 自动重合闸起动, 经0. 5~ 1 s的延时, 发出重合脉冲, 将三相断路器一起合上。若为瞬时性故障, 则重合成功, 线路继续运行; 若为永久性故障, 则继电保护再次动作将三相断路器断开, 不再重合。

利用自动重合闸提供的条件加速继电保护的动作, 一般采用两种配合方式: 自动重合闸前加速和自动重合闸后加速, 其中自动重合闸前加速保护主要用于35 kV 以下由发电厂或重要变电所引出的直配线路上, 以便快速切除故障, 保证母线电压。自动重合闸前加速就是当线路发生故障时,继电保护加速电流保护的第III 段, 造成无选择性瞬时切除故障, 然后重合闸进行一次重合。若重合于瞬时性故障, 则线路就恢复了供电。若重合于永久性故障, 则保护带时限有选择性地切除故障。本实验系统侧重于配电网中的前加速保护的模拟。因此所涉及主要电路有阶段式电流保护的设计电路、永久性故障的设计电路、瞬时性故障的设计电路以及重合闸前加速的设计电路。

1. 1 阶段式电流保护交流主电路的设计

图1 10 kV 配电线路图

本实验模拟的是10 kV 配电线路, 具体配置是在保护1 即QF1 处设置了三段式电流保护( 无时限电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护) , 在实验系统的设计中电源的内阻抗、

输电线路的阻抗及负载均采用电阻来模拟, 如图2所示。

图2 电流保护交流主电路

图中Rs 为电源内阻抗, 采用的是滑线变阻器, 其大小可以调整, 以满足模拟系统运行方式变化时需要; R1 为从A 母线至故障点K1 间的线路阻抗值; R1+ R2 为从A 母线至B 母线间的阻抗值; Rf 用来模拟线路所带的负载; 图中K1 和K2所标位置为所设置的故障点, 分别位于A B 线路中间和B 母线处, 用来模拟三段保护之间的配合关系。图中KM2 为中间继电器的常开触点, 用来模拟QF1 的动作情况, KM2 的动作由按钮SB1、S B2( 见图4) 控制, 当按下SB1 时, KM2 得电自保持, 模拟断路器QF1 合闸, 线路投入运行,按下常闭按钮SB2, KM2 失电, 模拟断路器QF1分闸, 线路退出运行; 图中S 是一个单刀双掷开关, 刀扳到上侧时a、b 两接线柱连通, 重合闸不投入, 刀扳到下侧时, a、c 两个接线柱连通, 重合闸前加速投入。其中KA C 的整定值按照过电流的整定值整定, 并且无延时。以实现前加速的性能。

电流保护归总式原理图如图3 所示, 其中Rs、R1、R2、Rf、1KA、2KA、3KA 及K1、K2 点与图2 一一对应, 1KM 为中间继电器、1KT 、2KT为时间继电器、1KS、2KS、3KS 为信号继电器。1HL、2HL、3H L 为信号指示灯。KM3 为一中间继电器, 该继电器上有瞬时动作和延时动作两种触点。

图3 电流保护归总式控制电路图

1. 2 永久性故障的设计

图4 为K1 点永久性故障模拟电路图, 当按下SB5 时, 中间继电器KM4 得电, KM4 动合触点动作自锁, 另一个接在主电路中的KM4 动合触点也动作这时模拟了永久性故障; 若要手动切除故障, 则按下SB4 按钮, 则中间继电器KM4 失电, KM4 的触点复归, 达到切除永久性故障的模拟。

图4 永久性故障模拟电路图

图5 为K2 点永久性故障模拟电路图, 当按下SB6 时, 中间继电器KM5 得电, KM5 动合触点动作自锁, 另一个接在主电路中的KM5 动合触点也动作这时模拟了永久性故障; 若要手动切除故障,则按下SB7 按钮, 则中间继电器KM5 失电, KM5的触点复归, 达到切除永久性故障的模拟。

图5 永久性故障模拟电路图

1. 3 瞬时性故障模拟原理图

图6 为K1 点瞬时性故障模拟电路图。当按下SB3 时, 中间继电器KM6 得电, KM6 动合触点动作, 一个自锁, 一个启动时间继电器KT1, 同时中间继电器KM1 通电, 接在主电路中的KM1动合触电动作, 将故障回路接通, 当时间继电器的整定时间一到, 接在主电路中的延时断开触电KT1 动作, 同时线圈KM16 失电, 这样就切除了故障, 达到模拟瞬时性故障的目的。

图6 K1 点瞬时性故障模拟电路图

1. 4 重合闸回路的设计

图7 重合闸控制回路图

在电力系统的故障中, 大多数的故障是送电线路的故障而且是瞬时性的故障。因此, 在线路被断开以后再进行一次重合闸就有可能大大提高供电的可靠性。为此在电力系统中广泛采用了当断路器跳闸以后能够自动地将断路器重新合闸的自动重合闸装置。图7 为重合闸回路原理图。图中, SB1、SB2、KM2 功能前已述及, 当在线路的K1 或K2 点发生故障后, QF1 处的继电保护通过图3 电流保护归总式控制电路图中所示的1KA、2KA 或3KA, 1KA、2KA 或3KA 动作后均可接通一中间继电器KM3, KM3 的常闭触点串接与KM2 回路中, 当故障发生保护动作KM3 得电后, KM3 的常闭触点断开, 使得图7 中支路¹ 的KM2 失电, 图2 中KM2 触点断开, 从而将故障线路断开。三相一次自动重合闸的控制元件包括图7 中的中间继电器KAM、电容C、电阻R1、电阻R2、延时触点KM3 等。整个工作过程为, 当按下按钮SB1 时, KM2 得电, 线路投入, 同时图7 中④支路中的黄、绿、红三信号灯亮, 表示三相输电线路带电( 该处利用了三个灯的串联实现了利用单相电来模拟三相电的目的) 。另外KM2 得电后,图7 中③ 支路KM2 触点闭合后通过充电电阻R1对电容C 充电, 充电时间约为30S, 当发生故障继电保护动作后, KM3 常闭触点断开, KM2 失电,KM3 的另一对延时闭合触点经过一整定时间后闭合, 此时电容C 通过放电电阻R2 对中间继电器KAM 放电, KAM 得电后, 图7 中支路º 处的触点KAM 闭合, 再次接通KM2, KM2 得电后模拟断路器重合, 若所设置故障是瞬时性故障, 则重合成功, 若是永久性故障, 则保护再次将KM2 断开, 由于C 上已经放电, 所以不会再次重合。保证了重合闸只能重合一次, 实现了三相一次自动重合闸的要求。

2 结束语

该设计创新点在于:

( 1) 弱电启动: 针对现有实验装置采用380 V强电启动的现状, 改用24 V 安全电压作为实验装置的启动电源, 严格确保实验人员的人身安全。

( 2) 适应性强: 采用单相的交流电和单相直流电来替代三相电源, 使装置的使用不受实验室条件的限制, 因此使用更方便。

( 3) 扩展性强: 通过调节一次回路电阻模拟配电线路阻抗, 并可自行设置故障点; 该装置还可以通过改变故障性质来改变整个实验装置的动作过程。

同时, 该设计也响应了/ 十一五0规划提出的节能减排的号召, 又响应了教育部高等教育司的高校自主研发实验设备的倡导, 具有较高的现实意义。