高　瑜, 孫思雅, 趙建文, 李　忠, 黃永平

(西安科技大學(xué) 電控學(xué)院, 陜西 西安　710054)

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繼電保護(hù)專題實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程及設(shè)備研制

高瑜, 孫思雅, 趙建文, 李忠, 黃永平

(西安科技大學(xué) 電控學(xué)院, 陜西 西安710054)

詳細(xì)介紹了“繼電保護(hù)原理及應(yīng)用”綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)施形式、題目選擇，分析了實(shí)驗(yàn)的可行性、給出了線路參數(shù)、提供元器件和提出要求。實(shí)驗(yàn)室自制實(shí)驗(yàn)板。要求學(xué)生自行完成一個(gè)電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制作的全過程。分析了實(shí)驗(yàn)中常見問題及解決對(duì)策。通過實(shí)驗(yàn)的實(shí)施,不僅使學(xué)生加深對(duì)課程的理解和掌握,更能培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、自己動(dòng)手分析和解決實(shí)際問題的能力。實(shí)驗(yàn)使用自制實(shí)驗(yàn)板,不僅節(jié)約經(jīng)費(fèi),更能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)際需求。

繼電保護(hù)； 三段過流； 實(shí)施方案； 設(shè)備研制

針對(duì)學(xué)生畢業(yè)后大多工作在生產(chǎn)一線,要求具有很強(qiáng)的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題能力，但學(xué)校對(duì)學(xué)生該方面能力培養(yǎng)不夠。我校電氣專業(yè)采用“3+1”教學(xué)模式，理論課教學(xué)前6學(xué)期基本完成,第7學(xué)期設(shè)計(jì)了若干個(gè)綜合專題實(shí)驗(yàn),提高學(xué)生動(dòng)手和分析解決實(shí)際問題的能力。專題實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)室只提供實(shí)驗(yàn)原件和要求,學(xué)生自己完成設(shè)計(jì)和調(diào)試等實(shí)驗(yàn)全過程。繼電保護(hù)原理及應(yīng)用作為該專業(yè)一門主干課程,并且工作后應(yīng)用非常廣泛，要求學(xué)生必須掌握,但學(xué)生對(duì)繼電保護(hù)工作過程和設(shè)備不熟悉,沒有感性認(rèn)識(shí),對(duì)內(nèi)容理解不是非常透徹。為此,設(shè)置其中一個(gè)為繼電保護(hù)專題實(shí)驗(yàn),通過專題實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠掌握繼電保護(hù)動(dòng)作過程及定值整定方法。

1　實(shí)驗(yàn)選題及要求

1.1題目選擇

微型計(jì)算機(jī)保護(hù)已廣泛地應(yīng)用于實(shí)際變配電系統(tǒng)中,計(jì)算功能大幅度提高,保護(hù)功能更加齊全,但保護(hù)裝置集成度高。學(xué)校購(gòu)買了一套微型計(jì)算機(jī)保護(hù)屏,包括線路、變壓器及電動(dòng)機(jī)微型計(jì)算機(jī)保護(hù)單元,但學(xué)生只能通過計(jì)算機(jī)或操作面板進(jìn)行保護(hù)整定值更改,沒有對(duì)保護(hù)原理和保護(hù)動(dòng)作過程形成一個(gè)感性認(rèn)識(shí),不能夠完全理解繼電保護(hù)動(dòng)作原理。

選擇傳統(tǒng)電磁式繼電器作為電流采集、比較邏輯器件,雖然功能簡(jiǎn)單且體積大,但學(xué)生可以自己動(dòng)手,直觀地觀測(cè)繼電保護(hù)動(dòng)作過程。選定題目為單側(cè)輻射型電源三段過電流保護(hù),比較邏輯元件采用電流繼電器、延時(shí)元件采用時(shí)間繼電器、信號(hào)元件采用信號(hào)繼電器、斷路器采用交流接觸器代替,都可以直觀地觀測(cè)到動(dòng)作全過程,加深學(xué)生對(duì)該課程理解[1-3]。

1.2三段保護(hù)介紹及實(shí)驗(yàn)要求

依據(jù)短路電流計(jì)算表明,短路電流IK大小與短路點(diǎn)到電源間總阻抗RΣ有關(guān),且滿足式(1)。

(1)

其中ES和RS為系統(tǒng)參數(shù)；R0為單位長(zhǎng)度線路阻抗； l為短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處距離。從式(1)可以得到短路電流的大小,且短路電流隨著距離增加逐漸減小。實(shí)驗(yàn)要求中線路長(zhǎng)度如圖1所示。

圖1　三段式電流保護(hù)原理圖

根據(jù)繼電保護(hù)基本要求:如果在AB段(K1)處發(fā)生短路,QF2處保護(hù)動(dòng)作,BC段(K2)處發(fā)生短路,QF3處保護(hù)動(dòng)作。如果K2點(diǎn)發(fā)生短路時(shí),實(shí)際中K2點(diǎn)與母線B之間阻抗很小,K2和B短路電流基本相等,應(yīng)該由QF3來跳閘,但可能造成QF2和QF3競(jìng)爭(zhēng)跳閘,失去選擇性。為了防止發(fā)生此種現(xiàn)象,除通過改變電流整定值外,還可增加跳閘延時(shí)時(shí)限Δt來控制跳閘順序,從而形成三段過電流保護(hù)。電流大小和時(shí)限如表1所示。

表1　三段動(dòng)作電流、時(shí)限比較表

電力系統(tǒng)中供電距離較長(zhǎng),但是短路阻抗可以看作為0.4 Ω/km,這樣就可以通過調(diào)整電阻器阻值來模擬線路發(fā)生短路時(shí)短路阻抗的大小。同時(shí)根據(jù)負(fù)載阻值的大小,產(chǎn)生不同的短路電流,可以模擬三段過電流保護(hù)。由于通常情況下三相短路電流最大,所以采用三相短路作為定值整定計(jì)算的短路形式。

1.3實(shí)驗(yàn)實(shí)施步驟安排

理解要求后,按下述步驟進(jìn)行:查找資料,計(jì)算保護(hù)整定值；查閱元器件參數(shù)和功能；校驗(yàn)元器件,安裝好元器件；繪制系統(tǒng)原理圖；依照接線圖接好線后,上電試驗(yàn)；記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果,看是否與計(jì)算結(jié)果相吻合；在調(diào)試過程中如果出現(xiàn)問題,返回第一步,仔細(xì)分析并記錄好故障排除過程,故障排除后,再次上電試驗(yàn)[4-5]。

2　保護(hù)參數(shù)計(jì)算

2.1速斷保護(hù)(Ⅰ段)定值計(jì)算

三相最大短路電流

Ⅰ段繼電器動(dòng)作電流:

(2)

Ⅰ段時(shí)限:

(3)

2.2限時(shí)速斷(Ⅱ段)定值計(jì)算

Ⅱ段繼電器動(dòng)作電流:

(4)

Ⅱ段時(shí)限:

(5)

2.3過電流保護(hù)(Ⅲ段)定值計(jì)算

Ⅲ段繼電器動(dòng)作電流:

(6)

Ⅲ段時(shí)限:

(7)

3　所需實(shí)驗(yàn)元件及元件校驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)所需原件清單

依據(jù)三段過電流保護(hù)專題實(shí)驗(yàn)的要求,互感器采用不完全星形接法,所需元器件如表2所示。

表2　主要電氣原件明細(xì)及功能介紹

3.2互感器校驗(yàn)

根據(jù)計(jì)算,互感器采用變比為20/5的互感器,但由于互感器精度不能保證,需要校驗(yàn),通過改變互感器匝數(shù)來調(diào)整變比,其中A1選用30 A電流表,A2選用5 A電流表。通過表的讀數(shù)調(diào)整匝數(shù),從而得到理想變比。測(cè)試電路圖如圖2所示。

圖2　電流互感器校驗(yàn)電路圖

3.3電流繼電器校驗(yàn)

電流繼電器采用許繼生產(chǎn)的DL-33型號(hào),該繼電器有2個(gè)線圈,單個(gè)線圈最大電流刻度為3 A,根據(jù)定值計(jì)算,速斷和限時(shí)速斷整定值大于3 A,所以線圈采用并聯(lián)方式接線。過電流保護(hù)采用線圈串聯(lián)接線方式,通過調(diào)整變阻器,按照定值要求整定電流繼電器,并計(jì)算出返回系數(shù),校驗(yàn)電路如圖3所示。

圖3　電流繼電器校驗(yàn)電路圖

3.4時(shí)間繼電器校驗(yàn)

Ⅱ段和Ⅲ段動(dòng)作時(shí)間需要延時(shí),系統(tǒng)選用時(shí)間繼電器采用許繼DS-22C型號(hào),由于使用頻繁,定時(shí)不是很準(zhǔn)確,需要通過毫秒表進(jìn)行校驗(yàn),使其能夠滿足定時(shí)要求,測(cè)試電路圖如圖4所示。

圖4　時(shí)間繼電器校驗(yàn)電路圖

3.5實(shí)驗(yàn)板實(shí)物圖

依據(jù)上述方法,對(duì)電氣元件測(cè)試完成后,其他原件直接通電測(cè)試,對(duì)實(shí)物進(jìn)行安裝。安裝后實(shí)物圖如圖5所示[6-8]。

圖5　三段過電流實(shí)物圖

4　實(shí)驗(yàn)具體實(shí)施過程

4.1原理圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)一次回路由進(jìn)線斷路器控制,負(fù)載采用分段電阻器,可以通過阻值調(diào)整改變?nèi)喽搪冯娏鞔笮?從而模擬線路的短路電流。采用不完全星形接法,二次回路經(jīng)過2個(gè)電流互感器。分別接在A、C相,采集電流送入6個(gè)電流繼電器,分別作為Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段電流繼電器。其中,Ⅰ段和Ⅱ段采用線圈并聯(lián)接法,Ⅲ段采用串聯(lián)接法。Ⅰ段直接送入信號(hào)繼電器,Ⅱ段和Ⅲ段繼電器觸點(diǎn)信號(hào)送給時(shí)間繼電器,經(jīng)過延時(shí),然后分別送入信號(hào)繼電器和中間繼電器。通過中間繼電器觸點(diǎn)信號(hào)控制交流接觸器的通斷,從而控制斷路器的跳閘與否,起到了繼電保護(hù)的功能。通過對(duì)電流表的讀數(shù),可以直觀讀出保護(hù)動(dòng)作電流大小。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖6所示,同時(shí)增加了手動(dòng)合閘、分閘功能,以及自動(dòng)重合閘功能。

圖6　實(shí)驗(yàn)原理圖

4.2接線和調(diào)試

學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的電路圖自行接線,接好線經(jīng)過仔細(xì)檢查后方可上電。調(diào)整阻值大小,模擬線路阻抗,從而改變電流大小,模擬三段跳閘。上電調(diào)試如圖7所示。

圖7　三相短路測(cè)試實(shí)物圖

調(diào)試過程中,需要幾個(gè)工序同時(shí)操作,必須同組學(xué)生互相配合,培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神。

5　實(shí)驗(yàn)中遇到的問題和缺陷分析

5.1越級(jí)跳閘問題

應(yīng)該Ⅱ段動(dòng)作,但是Ⅱ段沒有動(dòng)作,而是Ⅰ段跳閘,常見原因如下:Ⅱ段和Ⅰ段動(dòng)作電流沒有形成級(jí)差,并且短路電流既能滿足Ⅰ段動(dòng)作電流,也滿足Ⅱ段動(dòng)作電流,形成Ⅰ段和Ⅱ段同時(shí)動(dòng)作,但是由于Ⅰ段沒有時(shí)限,而Ⅱ段有動(dòng)作時(shí)限,所以引起Ⅰ段跳閘。解決方法:

(1) 通過調(diào)整電阻器調(diào)整短路電流,使得短路電流值處在Ⅰ段和Ⅱ段動(dòng)作電流之間。

(2) 調(diào)整電流繼電器整定值,形成動(dòng)作電流大小級(jí)差。

5.2斷路器拒動(dòng)

實(shí)驗(yàn)中電流繼電器已動(dòng)作,但是斷路器并沒有動(dòng)作,常見原因如下:

(1) 系統(tǒng)中主回路、電流繼電器和斷路器線圈采用交流供電,而時(shí)間繼電器、信號(hào)繼電器和中間繼電器線圈使用直流供電,容易交流和直流混淆。

(2) 時(shí)間繼電器采用電磁式時(shí)間繼電器,其觸點(diǎn)不是很可靠,通常線圈得電,但是觸點(diǎn)沒有完全閉合。

5.3信號(hào)繼電器拒動(dòng)

實(shí)驗(yàn)中信號(hào)繼電器不能正確指示動(dòng)作,常見原因是信號(hào)繼電器吊牌未復(fù)歸,因?yàn)樾盘?hào)繼電器動(dòng)作后要進(jìn)行手動(dòng)復(fù)歸,不能自動(dòng)復(fù)歸[9-11]。

5.4實(shí)驗(yàn)設(shè)置中缺陷

(1) 學(xué)生接線未形成規(guī)范化,接線混亂,不能形成橫平豎直的配線,如果出現(xiàn)故障,不能立即找到故障原因。

(2) 線路裸露在外部,存在一定安全隱患,但是如果封閉起來后,存在接線和改線不方便,且不能直觀,要求上電調(diào)試過程中,教師必須在現(xiàn)場(chǎng)。

6　結(jié)語

通過繼電保護(hù)專題實(shí)驗(yàn)的實(shí)施,學(xué)生能夠發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性,培養(yǎng)了學(xué)生以下能力:

(1) 經(jīng)歷一個(gè)完整的設(shè)計(jì)、安裝、接線和調(diào)試的全過程,走向工作崗位后能夠很快適應(yīng)設(shè)備工作的全過程。

(2) 繪圖中圖紙完全按照工程圖紙繪制,對(duì)圖簽和元器件符號(hào)嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)執(zhí)行,培養(yǎng)學(xué)生走向工作后讀圖和繪圖的能力。

(3) 培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思路,即所有設(shè)計(jì)都必須經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算,然后指導(dǎo)設(shè)計(jì),而不是直接畫圖。

(4) 上電過程中,既有交流又有直流,可以出現(xiàn)不同的故障,培養(yǎng)學(xué)生分析和解決故障問題的能力。

(5) 培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作精神,共同完成一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)[12-13]。

作為培養(yǎng)電氣專業(yè)的學(xué)生,一定要培養(yǎng)他們的安全意識(shí)和“膽大心細(xì)”的心理。經(jīng)過幾年的“3+1”教學(xué)實(shí)驗(yàn),學(xué)生的動(dòng)手能力得到了顯著的提高,就業(yè)形勢(shì)非常不錯(cuò),成為學(xué)校報(bào)考熱門專業(yè),并且根據(jù)用人單位的反饋意見,學(xué)生動(dòng)手能力比以往有了很大的提高。

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Implementation of special subject experiment of Relay Protection and equipment development

Gao Yu, Sun Siya, Zhao Jianwen, Li Zhong, Huang Yongping

(College of Electrical and Control Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China)

The implementation mode and subject selection of the comprehensive experiment for the Principle and Application of Relay Protection course are introduced in detail. The feasibility of the experiment is analyzed, the circuit parameters are presented,the components are provided, the experimental board is made by students themselves, and the requirements are set up. Students are required to complete a whole process of making an electrical product by themselves and analyze the common problems in the experiment and solve these problems. Through the experiment, the students can not only deepen their understanding and mastering of the course, but also cultivate their cooperative ability for teamwork and for their analyzing and solving actual problems on their own. The self-made experimental board not only saves money, but also fits well into the actual needs of the experiment.

relay protection; three-stage over-current; implementation plan; equipment development

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.043

2016-04-24

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015JM5211)；西安科技大學(xué)2014年本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室自研儀器設(shè)備項(xiàng)目

高瑜(1978—),男,陜西橫山,碩士，高級(jí)工程師,從事電氣控制等方面的教學(xué)研究.E-mail：xkdgy@163.com

G642.423

A

1002-4956(2016)10-0171-05